一塊電池，如何同時實現(xiàn)高能量密度、超長壽命和本質(zhì)安全？中國科學院青島生物能源與過程研究所（山東能源研究院）研發(fā)的高比能、長壽命全固態(tài)鋰電池取得重大突破：不僅實現(xiàn)了正極材料的“瘦身”，在能量密度達到390Wh/kg、循環(huán)5000次后仍保有80%初始容量，且極大提升了電池的安全性。這一成果有望推動新能源汽車、深海裝備、低空飛行器等領(lǐng)域的能源革命。

全固態(tài)鋰電池

正極材料大“瘦身”，安全性和能量密度實現(xiàn)雙突破

自1991年商品化以來，鋰離子電池已成為移動電子設(shè)備、新能源汽車等的主要動力源，與當今社會生活息息相關(guān)?？茖W技術(shù)的日益發(fā)展在提升人們生活水平的同時也對傳統(tǒng)鋰離子電池的安全性、能量密度、使用壽命等性能提出了更高要求。

深海自承壓固態(tài)電池系統(tǒng)

中國科學院青島生物能源與過程研究所（以下簡稱“青島能源所”）副研究員鞠江偉博士介紹，傳統(tǒng)全固態(tài)鋰電池的正極至少需要混合正極活性材料、導(dǎo)電子和導(dǎo)鋰離子助劑三種成分，不同材料間的化學反應(yīng)會降低電池性能。

“我們創(chuàng)新開發(fā)了一種正極材料，其離子和電子電導(dǎo)率高于傳統(tǒng)正極活性材料3-5個數(shù)量級，比容量超過目前高鎳正極材料?！本辖瓊ケ硎荆八瑫r擁有三種材料的功能，使得全固態(tài)鋰電池正極僅由這一種材料組成即可，避免了不良反應(yīng)的發(fā)生?！?/p>

技術(shù)原理示意圖：均質(zhì)化正極具備高效的電子和鋰離子混合傳導(dǎo)能力

據(jù)悉，該材料放電容量高、體積形變小，且具有優(yōu)異的電導(dǎo)率，高于傳統(tǒng)正極材料1000倍以上，使得全固態(tài)鋰電池不依賴于導(dǎo)電添加劑工作，正極“瘦身”后的全固態(tài)鋰電池在5000圈循環(huán)后依然保持初始容量的80%，其390Wh/kg（660Wh/L）的高能量密度是目前公開資料中所提到的長循環(huán)全固態(tài)鋰電池的1.3倍。

值得一提的是，傳統(tǒng)鋰離子電池采用有機電解液作為鋰離子傳輸媒介，有機電解液存在揮發(fā)、泄露、燃爆的風險，限制了傳統(tǒng)鋰離子電池在安全性和能量密度上的突破。而全固態(tài)鋰電池采用不易燃、本質(zhì)上更安全的固體電解質(zhì)，其熱失控溫度在300℃以上，極大提升了電池的安全性；同時，固體電解質(zhì)配合高電壓正極和低電壓負極有望實現(xiàn)電池能量密度400Wh/kg的突破（傳統(tǒng)鋰離子電池能量密度難以超過300Wh/kg）。

工作人員正在進行電極片的連續(xù)化制備

因此，作為一種新興的電池技術(shù)，全固態(tài)鋰電池有望顛覆傳統(tǒng)鋰離子電池技術(shù)，實現(xiàn)安全性、能量密度、使用壽命等性能突破，為新能源汽車、儲能電網(wǎng)、深海深空裝備等提供安全、耐久的動力源，對開發(fā)新型儲能體系等具有重要意義?！拔覀兡壳罢谶M行中式放大生產(chǎn)，預(yù)計兩到三年內(nèi)實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)?！本辖瓊ケ硎?。

固態(tài)鋰電池軟包電芯

從“冷門”論文中得到新材料啟示

如果說過去全固態(tài)鋰電池的制造像“調(diào)雞尾酒”，那么現(xiàn)在只需“一杯純凈水”。青島能源所固態(tài)系統(tǒng)技術(shù)中心提出的這種均質(zhì)化正極技術(shù)，極大簡化了電池的制備流程，從而顯著節(jié)約電池制造成本，助力全固態(tài)鋰電池的快速商業(yè)化，對開發(fā)高能量密度、長使用壽命的儲能設(shè)備，發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力，加快我國建設(shè)新型能源體系具有里程碑式的意義。

不過，對于研發(fā)團隊來說，這項技術(shù)的起點，竟是一篇被冷落十余年的論文。2008年，諾貝爾獎得主Goodenough提出了一種潛力巨大的材料，但因合成難度高、性能不達預(yù)期，十幾年來一直沒有得到科學家們的關(guān)注。

“當我們讀到這篇十幾年前的報道的時候，我們認為這是一種非常有潛力的材料。因為他的組成跟目前一種常用的氧化物電解質(zhì)相似，因此可能具備很好的離子電導(dǎo)率。我們決定首先合成這種母體材料，再以此為基礎(chǔ)對材料進行進一步創(chuàng)新設(shè)計，以獲得高的電子和鋰離子電導(dǎo)率?！本辖瓊セ貞?。

研究人員正在進行電池分析測試

然而，研發(fā)團隊前后嘗試了一年多的時間，才終于拿到了產(chǎn)品，但當測試材料性能的時候，這種材料的離子電導(dǎo)率非常低，與團隊預(yù)想的完全不同。不過，材料的電子電導(dǎo)率很高。基于此，研發(fā)團隊轉(zhuǎn)換思路，以這個母體材料為基礎(chǔ)，首先通過鍺元素的成功摻雜提高了它的離子電導(dǎo)率，但電子電導(dǎo)率又降低了。

“當時我們一度陷入了迷茫。經(jīng)過多次探討，我們從硫族化合物的演化規(guī)律上獲得啟發(fā)，提出用硒取代硫，縮小材料的帶隙來提高電子電導(dǎo)率。最終成功獲得該材料。”鞠江偉說。

全固態(tài)鋰電池有望成為未來儲能領(lǐng)域的“全能選手”，據(jù)介紹，其在新能源汽車、低空飛行器等需要使用電池的器件或設(shè)備都可應(yīng)用。

固態(tài)電池進行性能檢測，以確保符合行業(yè)標準和用戶要求

已在新能源汽車和深海電源領(lǐng)域進行測試和應(yīng)用

目前，研發(fā)團隊研發(fā)的全固態(tài)鋰電池已在新能源汽車和深海電源領(lǐng)域進行了測試和應(yīng)用。

“其中，我們在‘十三五’期間承擔的國家重點研發(fā)計劃新能源汽車專項所制備的高能量密度全固態(tài)鋰電池成功實現(xiàn)了裝車示范，并完成了10,000公里的無故障運行測試。在深海領(lǐng)域，我們研發(fā)的固態(tài)電源系統(tǒng)為天涯、海角、萬泉、滄海、奮斗等全海深著陸器提供能源動力，扭轉(zhuǎn)了我國電纜供電的萬米全海深科考尷尬局面。此外，我們正以作價入股等形式實現(xiàn)全固態(tài)鋰電池技術(shù)的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，爭取早日實現(xiàn)成果的推廣應(yīng)用。”鞠江偉介紹。

中國科學院青島生物能源與過程研究所（山東能源研究院）

到2027年底，青島能源所將建成一條硫化物電解質(zhì)產(chǎn)線，具備年產(chǎn)能10噸硫化物固態(tài)電解質(zhì)粉體和電解質(zhì)膜的能力，并開發(fā)出20Ah級硫化物固態(tài)軟包電池，單體能量密度超過400Wh/kg，循環(huán)性能超過1000次。

“未來，我們計劃利用正在開發(fā)的新型轉(zhuǎn)化型正極材料搭配金屬鋰負極，開發(fā)能量密度超過700Wh/kg的超高能量密度固態(tài)電池，并首先實現(xiàn)其在特種領(lǐng)域的應(yīng)用?！?/p>

全固態(tài)鋰電池的技術(shù)突破，不僅是山東科技創(chuàng)新的縮影，更為全球能源轉(zhuǎn)型提供了“中國方案”。當新能源汽車因它告別“續(xù)航焦慮”，當萬米深?？瓶家蛩鼘崿F(xiàn)“能源自由”，這項從山東走出的技術(shù)，或許能夠重塑未來世界的動力版圖。

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