中國科學院青島能源所在全固態電池研究方面取得新進展

每經編輯 畢陸名

固態電池又有新突破。

據中國科學院青島生物能源與過程研究所消息，近日該所固態能源系統技術中心研究團隊利用熔融黏結技術，干法制備出具有出色柔韌性的超薄硫化物固態電解質膜，其優異的力學性能、離子電導率以及應力耗散特性可有效抑制電池內部應力不均導致的機械失效。運用該方法制備出的一體化全固態電池具有優異的界面穩定性、長循環性能。

圖片來源：中國科學院青島生物能源與過程研究所官網截圖

研究團隊針對目前干法制備過程中各組分分散不均問題，提出低壓力制備的熔融粘結策略，在粘流態下將低粘度的熱塑性聚酰胺（TPA）與硫化物Li6PS5Cl進行預混，較低壓力下（≤5MPa）熱壓成型，誘導TPA在硫化物顆粒間隙滲透，構建聚合物逾滲網絡，實現超薄成膜（厚度≤25μm）的同時，兼具優異的柔韌性、熱塑性、可彎曲性、拉伸性和較高離子電導率（2.1 mS/cm）。使用同步輻射X射線斷層掃描（SX-CT）對循環過后的對稱電池進行觀測，發現該超薄膜能夠有效抑制循環過程中因電極體積膨脹帶來的界面分離和電解質碎裂等問題，保持界面穩定，證明在固態電解質內部構建完整的聚合物逾滲網絡，不僅有利于其薄層化，更有利于耗散電池運行過程中的不均勻內應力，降低力機械失效風險。

圖1 硫化物固態電解質膜的照片和SEM展示以及SX-CT對應力耗散機制的解析。圖片來源：中國科學院青島生物能源與過程研究所官網

研究團隊以正極和薄層電解質的界面熔融粘結為策略，制備出的一體化全固態電池，適配鋰銦負極，707次循環后容量保持率大于80%；適配純硅負極（μSi），478次循環后容量保持率大于80%，可循環2000次。在高負載NCM83（28.5 mg·cm-2）||μSi全電池中，經過9200小時、1400次循環后，其面容量保持大于2.5 mAh·cm-2，循環壽命超過10000小時，進一步提升NCM83載量到53.1 mg·cm-2，其能量密度超過390 Wh/kg，1020 Wh/L，高于目前文獻所報道的高鎳三元體系的硫化物全固態電池。研究團隊基于該策略分別組裝了Bipolar（5-8.5V）和高面載量（2.79 mAh/cm2）單片軟包二次電池，表明熔融黏結技術具有出色的實用性潛力，對硫化物全固態電池的商業化具有重要意義，為全固態電池未來科學研究和工藝技術發展提供有力參考。

圖2 一體化硫化物全固態電池的長循環性能。圖片來源：中國科學院青島生物能源與過程研究所官網

據悉，基于硫化物固態電解質的全固態二次電池被認為是最具潛力的下一代新能源體系之一，其中聚合物/硫化物復合薄層化電解質的制備是該類電池大幅提升能量密度和大規模生產的最關鍵技術之一。特別是干法制造技術，因其環保、經濟效益高、利于制備厚電極并規避有機溶劑等優勢，受到廣泛青睞。現今主要基于聚四氟乙烯（PTFE）粘結劑成纖化的主流無溶劑工藝存在粘結性不佳、機械性能差、界面電化學不穩定等劣勢。

據證券時報，目前，液態電池為全球鋰電池主流技術，工藝及供應鏈成熟，成本低，但電池本征安全問題及能量密度限制其進一步發展。全固態電池使用固體電解質替代易燃易爆的電解液，實現電池本征安全，同時可以應用更高比容量的正負極材料，打開鋰電池能量密度天花板，成為全面提升鋰電池性能的必然選擇。

根據不同的電解質類型，固態電池主要包括聚合物、氧化物、硫化物三種技術路線。相比其他兩類材質的固態電池，硫化物電解質離子電導率最高，電化學窗口寬，柔度和可塑性好，是目前最理想的固態電解質之一。

目前海外主要企業如Solid Power、豐田、三星SDI等企業均選擇硫化物路線作為固態電池技術方向，并以研發全固態電池為主；國內企業如衛藍、清陶等均選擇氧化物路線，并先行研制、生產半固態電池。雖各企業技術路徑選擇具有一定差異，但從現有趨勢來看，氧化物與半固態、硫化物與全固態成為主流搭配，硫化物或成為全固態電池終局技術路徑。

該研究團隊的研究成果對硫化物全固態電池的商業化具有重要意義，為全固態電池未來科學研究和工藝技術發展提供了有力參考。

A股市場上，多家公司近期通過互動平臺透露了其布局進展情況。

藍海華騰投資的高能時代硫化物全固態鋰電池研發進展順利，目前已經完成20Ah級全固態電芯A樣開發，同時高能時代正在搭建中試線，預計2024年年底可以實現5Ah以內小電芯量產。該股近期表現強勢，月K線已三連陽，股價自2月低點的最高漲幅超200%。

廈鎢新能在固態電池正極材料方面，聚焦于正極材料與固態電解質的匹配問題，在鹵化物和硫化物全固態電池均實現初期量產。

容百科技已完成硫化物、氧化物等多種固態電解質材料的開發，并且成功開發濕法、干電極制備固態電解質膜技術，已與海內外客戶展開合作，并獲得客戶好評。

當升科技在固態鋰電正極材料及固態電解質領域已開展多年研發投入，已系統布局氧化物、硫化物、聚合物等主流固態電池用關鍵材料技術路線，可應用于半固態及全固態電池，相關固態鋰電產品已實現批量銷售。

恩捷股份在3年前就布局了全固態項目，主要從事全固態硫化物、固態電解質等相關材料的研發工作，并于2023年實現了技術和量產上的突破。

每日經濟新聞綜合中國科學院青島生物能源與過程研究所、證券時報、公開信息

免責聲明：本文內容與數據僅供參考，不構成投資建議，使用前請核實。據此操作，風險自擔。

封面圖片來源：每經記者 孔澤思 攝