梁成都：全固態鋰電池的挑戰與發展
圖為ATL梁成都博士
梁成都：首先感謝大會組委會給我這次機會講一講全固態電池。全固態電池是一個長期的一個布局，現在對于這個車用電池的安全方面，前面那位嘉賓已經講了很多安全的問題。其實全固態電池首先從安全的角度來考慮，它可能能給大家帶來一些希望，也許在能量密度上有一個更好的提升。
今天也算是拋磚引玉，講一下整個領域的一些準確，接下來簡單地介紹一下我們公司的一些工作。
全固態電池目前處在一個研發早期，研發的公司也比較多，這個里面不僅僅有大的公司，也有一些初創公司。這是一個新的技術，無論大公司還是小公司都是在同一水平上，大家都有機會的，也很有可能小公司會做得很大。
在這個里面我簡單介紹一下全固態電池，基本上集中在兩個地區，一個是美洲（北美），另外一塊是東南亞。現在對一些動力電池的研究，東南亞這一塊是最火的。
我們的路線主要是采用硫化物體系，聚合物體系也是另外一個我們關注的點，也是我們研究的重點之一。
此外，你也可以看到一些日韓的企業，包括臺灣的一些企業，有三星、LG、索尼等等；都有一些全固態研究。三星是基于硫化物的固態電解質。
在歐洲這一系列里面，比較有名的是基于聚合物的體系，法國的企業Bollore，這個聚合物體系已經開始裝車了。幾年前就開始了產業化，這里面雖然有一些問題，但是不是說全固態沒有任何的基礎、沒有任何理由。等會兒我會提到當前他們的局限在什么地方，我們將來在什么方面會有進一步的突破。
這是美國的一個初創企業，還有基于陶瓷了凝膠電解質的。這是全世界關于全固態電池的一個企業研發的分布狀態。
全固態電池其實它關鍵的問題是它的傳質，由于傳質引起的一系列的問題，這個中間包括電子傳導和離子傳導的一些相關的問題。這個里面主要強調的是離子導電。在傳質里面離子的傳導是最主要的部分。在電解質里面的離子傳導，電極里面的離子傳導、界面上的離子傳導是非常關鍵的。對于固態電解質當前還是主要分為三類，基于聚合物、氧化物的或者是磷酸鹽的，還有基于硫化物的。
我現在對這三類來逐步的展開，講一講我們對它們的一些看法，以及我們在相關方向的一些工作。
基于聚合物的大家可以看到在這個方向主要做的一些公司，或者是一些研究機構。大概有這么幾個，這是法國的，這是美國的，最近東北師大有一些新聞，大家也可以看到。這個都是基于聚合物的，聚合物對金屬鋰來說是相對比較穩定的，這是一些公司發布的數據，磷酸鐵鋰對PEO的體系。這個也是最先實現產業化的一個領域方向。
對于這個方向，我們公司也進行了一些研究，主要是對它的導電性、加工性能各方面進行了一些改進。
其實真正預測的話題，對于全固態電池假如能量密度提到了很高的情況下，對于它循環的壽命的要求不會像傳統的業態電池要求的那么長。它的電量大了，所以每充完一次之后它的續航里程就比較長了。
我們也驗證了，或者證明了，他這個電池安全性能方面確實是有優勢的。這個是剪切，折彎，大家常見的聚合物電解質在安全方面的一些優勢確實是可以體現出來的。
它有很多的缺陷，對于聚合物電池來說，最重要的缺陷是它的離子導電性很低。離子傳導與溫度的關系很大，溫度升高之后離子傳導就會極具的加速。溫度升高之后，電池性能各方面都體現出來了，所以在這個聚合物的固體電池里面一般都有一個加熱元件，這個加熱元件就可以使它的能量密度降低。在這里面一般都會匹配一個電氣系統，有的是用的超級電源器，有的是配一個普通的傳統的液態電解質的鋰電池。
現在目前來看，它的能量密度在這個電池包的水平上，大概是做到了150瓦時每公斤，和傳統的液態電池進行比較的話，它的優勢沒有辦法體現出來，尤其是在能量密度上面。
另外一個非常重要的方面，就是它的電化學窗口比較狹小，聚合物容易被氧化。一般都只能用到4伏左右。在這方面有一些研究工作，我很欣喜地看到國內有一些研究機構在這方面做出了一些開創性的工作。目前來看還是在4伏的范圍下。這個單體電池它確實很難超過300瓦時每公斤的一個設計。
這個是基于聚合物體系的另外一個局限，大家也在尋求有沒有另外一個很好的體系，基于氧化物的，或者是磷酸鹽，由于它的電化學窗口更寬一些，所以在早期的時候，在上世紀早期90年代的時候，國家實驗室，這是美國的，Sakti3這個公司做過一些以氧化物或者是磷酸鹽為基礎的全固態電池。
薄膜電池的循環性能很好，幾完圈都沒有問題，但是問題是什么？循環的厚度非常的薄，厚度一增厚之后循環的厚度就沒有辦法體現出來。從這個角度也可以理解一下金屬鋰的循環，它本身很大的問題不是說金屬鋰不可以循環，而是厚度變厚的時候，真正要做成大電池的時候，這個里面存在了一些關鍵性的問題。
基于氧化物來說，它的問題還很嚴重，主要是離子導電性比較低。大家可以看到，一系列的固體電解質，有的特別低，能接近使用的，像這個LLTO、LLGO之類的，它們最近的一些發展，也是逐步的在發展，但是中間還是有一些距離的，尤其是它的界面。
氧化物比較硬，它的界面很難做，尤其是做一個實用的電池，在實驗室里面做一個實驗還會好一點，你要真正做生產的時候，這個界面會是一個關鍵的問題。
氧化物比較硬、比較脆，你如何讓它形成一個正極和固體電解質之間形成一個比較好的界面，這個是比較困難的。
假如說你采用薄膜的方式進行沉積的話，這個費用以及它的效率在工業上來說，你根本沒有辦法體現出來。在這個方面挑戰的難度很大，尤其是對于大的電池，對于EV這種電池來說，這個需要做更多的工作。
目前來看，單純就氧化物為固體電解質做一個全固態電池的話難度特別大，還處在一個非常早期的階段。
另外一個方面，大家也可以看到，前幾年除了基于硫化物的固態電解質的導演性，據報導已經接近了液體電解質，大家也看到了一些測量，在這個里面也有一些爭議，這個里面大家認為它的離子導電性還有硫化物本身可能有一些電子導電性等等。但是不管怎么樣，一些基礎模型的數據確實也有它的一些優勢。
基于這個硫化物體系電池充放電的一些數據，也給這個領域帶來了一些希望。我們公司在這個方面也有一些研究，現在在這個方面以后也會有一些深入的投入。
我們在這個里面對它的導電性進行一個比較，從某種意義上來說基于硫化物來說，它的優勢是在于它的離子導電性比較好。另外一個電化學窗口比較寬，硫化物本身是正極也好，負極也好，這兩個方向其實都是不穩定的，但是硫化物和正極、負極之間都可以形成一個SEI，在這樣的基礎上就可以把電化學窗口拓的很寬，在10伏的基礎上都還可以顯示出一個比較穩定的狀態。
大家也可以看到，對于固態來說，對稱的循環，這是最能測試這個材料的穩定性的，我們做了一些對沖電池的循環，發信硫化物體系的導電性不不僅高，而且界面穩定性在它形成SEI之后也是比較好的。
硫化物的加工比較簡單，這也是我們選擇這個體系一個很重要的理由。它的挑戰也同樣存在。首先，還是一個界面的問題，雖然它能夠形成一個穩定的SEI，如果形成一個穩定的SEI，這個里面還有很多基礎研究的工作要做。從正極的角度、從負極的角度我們都要考慮如何形成一個相對長期穩定的。
一個車用電池，至少用5到8年，要實現一個長期穩定，目前實驗室的數據來說，從整個的體系產生到現在的時間也并不長，所以說實驗室的數據還沒有辦法提供一個說我能夠保證你有8個年長期穩定的狀態。
界面上的離子導電性如果進行進一步的提高，也涉及到一個加工的問題。硫化物體系雖然它的優點在于它能夠進行冷軋，其實冷軋過程當中還是存在著一些間隙的。這個電池循環當中也涉及到了一個體積的變化，如何讓這個體積變化不影響整個電池的整體，尤其是一些機械破壞不會發射。
電池制造過程當中，如何采用一個方法使它的整體結構不會被破壞，這是一個非常大的占。
材料本身的穩定性，可制造性也是非常大的一個挑戰。
下面我簡單的過一下我們在這方面的一些工作。前面說了一個界面的穩定性，我們做過一些包覆，包覆前以及包覆后一個明顯的區別。
另外一個方面，如何把這個電極材料混合起來？我們在正極里面加了電子導體和離子導體，兩個東西加進去之后如何形成一個非常穩定的網絡，有時候有一個非常巧妙的混合的方式，讓它所有的東西達到最佳的平衡，也是一個非常重要的方向。
另外一個方面，硫化物的穩定性，對這個硫化物進行參雜，或者是進行改進之后，提高它在空氣里面的穩定性，對于生產來說這是非常重要的，因為生產過程當中我們希望它能夠在空氣里面進行加工。這是傳統的，這是我們經過改進之后的，在空氣里面的穩定性，或者是2天之內，這個符合加工的熱需求。這也是降低成本最重要的一個方面。
最后講一點，大家都很關注這個事情。全固態其實很多時候它的問題不在于材料，一些簡單的加工過程，如何把它做成一個電池讓它循環起來，對于大多數人來說還是有很大的挑戰的。我們在這些方面也進行了一些比較基礎的研究，從如何進行正極材料的涂布，這里面也要加入固體導體，不像傳統的，你是在后面把離子導體加進去的，我們是預先加進去的，經過一輪預熱壓，后面再讓如何二次涂布？
我們經過二此涂布之后，再進行熱壓，全固態化之后就可以去掉孔隙。這個是一個工程研究的過程，所以很多時候科學的發展不是一個科學材料的產生，很多工程手段也要提升上去，我也希望大家除了把眼光放在科學的問題上面，同時也要放到工程上來考慮。
其實很多時候工程的問題不解決的話，遠遠是沒有希望的，工程的問題要解決的話，肯定是在材料研究早期的時候就要開始切入了。
相關閱讀：
驗證碼：
