3111
在規(guī)模應(yīng)用和批量生產(chǎn)的目標推動下，固態(tài)電池的研發(fā)與制備進程不斷加速。
截至2024年5月，包括廣汽、上汽在內(nèi)的多家車企已將“全固態(tài)電池量產(chǎn)”這一關(guān)鍵節(jié)點提前至2026年，市場熱度隨之升高。
然而，在量產(chǎn)真正到來之前，市場對固態(tài)電池的態(tài)度依舊是期盼與懷疑并存。系統(tǒng)層面如不同技術(shù)路線的爭鳴、量產(chǎn)快慢的差異，微觀環(huán)節(jié)如材料創(chuàng)新、技術(shù)突破、項目簽約、產(chǎn)能建設(shè)等，高景氣與快節(jié)奏之下各類事件不斷涌現(xiàn)，卻也只是冰山浮于海面上的一角。
窺見固態(tài)電池全貌，亟需建立更為縱深和寬廣的視角。
事實上，產(chǎn)業(yè)化是技術(shù)成熟后的自然結(jié)果。國內(nèi)固態(tài)電池研究可追溯至20世紀80年代。以國家863計劃支持下作出我國首塊固態(tài)電池雛形為起點，這片肥沃但安靜的土壤開始聚集起諸多科研、產(chǎn)業(yè)從業(yè)者的身影。
從材料認知、體系建立，到路線選擇，再到瓶頸突破、創(chuàng)新嘗試，探路者們長期潛心于基礎(chǔ)科學和制備技術(shù)兩大關(guān)鍵問題，且在不同技術(shù)路線上都孵化出了豐碩的果實。
崔光磊研究員便是其中之一，他領(lǐng)導(dǎo)的團隊在固態(tài)電池領(lǐng)域取得了顯著進展。2022年4月成立的中科深藍匯澤公司，正是源自崔光磊研究團隊近20年的深耕細作。
崔光磊研究員和聯(lián)合創(chuàng)始人竇曦博士相識、相交于固態(tài)電池“黃埔軍?！薄聡R普所。二人師從德國化學會主席Klaus Müllen教授，自2005年起便開始合作進行鋰離子電池關(guān)鍵材料體系的研究。2009年，崔光磊研究員回國，于中國科學院青島生物能源與過程研究所組建固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心。
自團隊成立之初，崔光磊及團隊就秉承著老一輩科學家“十年磨一劍”的奮斗精神，靜心篤志攻克固態(tài)聚合物電池科學難題。
目前，以中國科學院固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心為班底，在各級政府的大力支持下，崔光磊已經(jīng)組建一支200多人的前瞻技術(shù)和產(chǎn)業(yè)技術(shù)并重，以孵化產(chǎn)業(yè)技術(shù)為目標的新型研發(fā)團隊和體系。其中，中科深藍匯澤新能源有限公司（簡稱：匯澤）就是其中的高性能固態(tài)鋰電池技術(shù)轉(zhuǎn)化的典型產(chǎn)物。
如此長時間的積淀轉(zhuǎn)化為了什么，成就了什么？
首先是認知。匯澤精準捕捉到液態(tài)鋰電池存在安全隱患、能量密度接近極限的痛點，并基于聚合物基固態(tài)電解質(zhì)材料易量產(chǎn)、價格低、結(jié)構(gòu)靈活的三大優(yōu)勢，選擇了聚合物基固態(tài)電池的發(fā)展路線。
其次是進度。團隊首創(chuàng)了“剛?cè)岵钡男滦凸虘B(tài)電解質(zhì)材料和“原位固化”的工藝，解決了固-固界面、室溫離子電導(dǎo)和電壓窗口等挑戰(zhàn)，并基于強大的技術(shù)積累，堅持代次研發(fā)完成了不同能量密度的四代次電池開發(fā)。在掌握核心技術(shù)之后，匯澤又建立起國內(nèi)首條規(guī)?；木酆衔锘虘B(tài)電池中試產(chǎn)線。
最后是潛力。憑借著在深海、深空等嚴苛場景的長期可靠性驗證，匯澤開始積極布局新能源汽車和高安全儲能領(lǐng)域。?
產(chǎn)品上，匯澤通過搭建起包括高安全倍率型電芯、高安全高比能電芯、高安全長循環(huán)電芯在內(nèi)的多元矩陣，追求多維度滿足客戶需求。
技術(shù)上，團隊堅持融會貫通的務(wù)實路線，在硫化物、氧化物材料路線上亦有所布局，近期更是聚焦聚合物/硫化物復(fù)合路線，在聚合物/硫化物復(fù)合全固態(tài)電池干法制備和混合傳輸?shù)木|(zhì)正極上取得了重大突破，引領(lǐng)全固態(tài)鋰電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展。
目前，中科深藍匯澤正規(guī)劃建設(shè)國內(nèi)首條1GWh聚合物硫化物復(fù)合電解質(zhì)的固態(tài)電池產(chǎn)線，且已與多家客戶簽訂戰(zhàn)略合作框架協(xié)議，客戶廣泛涵蓋全球知名車企、電動船舶、電動飛行器、儲能應(yīng)用等。走過的路才是檢驗行者的試金石，高性能全固態(tài)電池技術(shù)應(yīng)用的大門終將由持續(xù)深耕的團隊推開。
認知：為何選擇聚合物基固態(tài)電池
一家固態(tài)電池企業(yè)的揚帆起航，離不開對傳統(tǒng)鋰電池發(fā)展痛點的準確認知。
一方面，有機電解液易燃易爆、存在安全隱患，既關(guān)乎生命安全，也是新能源車商業(yè)進程中的最大不確定性因素。
另一方面，受到正負極材料活性的限制，商品鋰電池已逼近350Wh/kg的能量密度理論上限；若使用更高活性電極材料來提高能量密度則需革新電解液體系，目前商品化體系高概率會造成額外安全隱患。
固態(tài)電池采用非燃的固態(tài)電解質(zhì)，具備本征安全性；電壓窗口高，可適配更高比容量的正負極材料。以上使得更安全、同時能量密度更高的電池成為可能，因此被行業(yè)視為終極解決方案，當然也是崔光磊研究員深耕多年的初心所在。
以此為航向，崔光磊團隊基于對固態(tài)電解質(zhì)材料的長期研究與深刻認知，最終錨定了聚合物基以及聚合物復(fù)合電解質(zhì)固態(tài)電池這一技術(shù)路線。?
崔光磊介紹，聚合物基固態(tài)電池的最大優(yōu)勢在于可量產(chǎn)性。它能夠沿用約80%的鋰電池生產(chǎn)設(shè)備，且不包含貴金屬，材料成本相對低廉，因此十分有利于固態(tài)電池從實驗室研發(fā)、小規(guī)模驗證到進入工業(yè)化批量制造的快速推動。
不僅如此，由于聚合物材料更為柔軟（機械強度低），電極/電解質(zhì)間并非剛性接觸，很好解決了固-固界面接觸易失效這一固態(tài)電池瓶頸問題。
此外，聚合物作為有機物，可以來自天然可持續(xù)性材料，且其分子結(jié)構(gòu)具備多樣性，經(jīng)分子結(jié)構(gòu)設(shè)計可適配電壓窗口更寬泛的正負極材料體系，足以支撐起更高能量密度綠色低碳電池開發(fā)的想象空間。
明確長板之后，研發(fā)固態(tài)電池還需要對材料體系的局限性建立起精準的、體系化的認知，才能逐一擊破。
首先是電壓窗口較窄（小于4V）的問題，已商業(yè)化的聚環(huán)氧乙烷（PEO）聚合物電解質(zhì)材料電壓窗口窄（<3.67V），其能量密度局限在220Wh/kg左右。需要全新分子結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化能級結(jié)構(gòu)，才能拓寬聚合物電解質(zhì)的電壓窗口耐受性，從而大幅提高能量密度。
其次是室溫下離子電導(dǎo)率低的問題，PEO聚合物電解質(zhì)材料需在50-80℃高溫下運行，達到工作溫度需要提供額外能量加熱，對于本就能量密度不高的PEO電池，其可用于有效工作的能量就進一步受限，大大制約了其大規(guī)模商業(yè)化推廣。
這些問題的解決需要形成連續(xù)且新穎的策略。而崔光磊團隊深耕聚合物多年，在解決聚合物材料短板問題上所采取的精準科學的策略，具備獨創(chuàng)性。
深耕：從材料、產(chǎn)品到工藝
固態(tài)電池從電解質(zhì)到電芯，從實驗室到產(chǎn)業(yè)化，材料選擇、制備策略和落地工藝都十分關(guān)鍵。
其中在聚合物固態(tài)電解質(zhì)設(shè)計上，崔光磊團隊在國際上首次提出“剛?cè)岵?原位固化”的理念。
首先，通過引入熱穩(wěn)定性好的剛性骨架支撐材料，為固態(tài)電池提供高力學性能、優(yōu)異機械穩(wěn)定性和高安全性。
同時，通過設(shè)計發(fā)明一系列電化學窗口寬、室溫離子傳輸性能優(yōu)異的“柔”性聚合物基電解質(zhì)材料，并糅合離子遷移數(shù)高的大陰離子聚合物新型鋰鹽，最終獲得強化離子傳輸、提高界面穩(wěn)定性的效果。
該理念一經(jīng)提出，便引起國際同行廣泛關(guān)注，聚合物基電解質(zhì)創(chuàng)始人M. Armand教授以及2019年諾貝爾化學獎得主J. Goodenough教授均高度評價該理念。
從成果來看，基于“剛?cè)岵崩砟钏纬傻木酆衔锘虘B(tài)電解質(zhì)材料體系，最高可承受5V以上的電壓，遠超PEO材料固態(tài)電解質(zhì)的3.67V。基于該體系所制備的聚合物全固態(tài)電池，可實現(xiàn)能量密度從250Wh/kg至700 Wh/kg的飛躍。
而在挑戰(zhàn)難度更大的聚合物基固態(tài)電池的制造方面，崔光磊團隊則于2010年提出了原位固態(tài)化-界面融合的技術(shù)策略，來構(gòu)筑電極/電解質(zhì)一體化緊密結(jié)構(gòu)，解決固態(tài)電池電-化-力耦合引起固態(tài)電池失效的瓶頸問題。
2016年，崔光磊團隊借鑒傳統(tǒng)鋰離子電池固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）思路，將聚合物前驅(qū)體原位固態(tài)化構(gòu)筑了一體化的聚合物基固態(tài)鋰電池，強化了多尺度界面的離子傳輸，顯著提升了界面相容性和循環(huán)穩(wěn)定性。2017年，為進一步提升電解質(zhì)的電化學穩(wěn)定性，該團隊又開發(fā)出了可用于5V鋰電池的電解質(zhì)體系。
2020年，該團隊又進一步發(fā)展了基于低溫共熔原位固態(tài)化構(gòu)建固態(tài)聚合物電解質(zhì)的新方案，構(gòu)建了多維度界面離子傳輸?shù)摹案咚俟贰保⑼ㄟ^超高的原位聚合固態(tài)化轉(zhuǎn)化效率，實現(xiàn)了兼顧高能量密度與高倍率的全固態(tài)電池。
原位固態(tài)策略不僅有效提升了固態(tài)聚合物鋰電池界面相容性和循環(huán)穩(wěn)定性，同時也契合現(xiàn)有商品液態(tài)鋰離子電池生產(chǎn)工藝，有效解決了固態(tài)電池面臨的不易規(guī)?；a(chǎn)、成本高等問題，可以說是順利打通了聚合物基固態(tài)鋰電池從實驗室基礎(chǔ)研究到工程化應(yīng)用之間難以逾越的最后一道屏障，為高比能聚合物基固態(tài)鋰電池的規(guī)?；苽滗伷搅说缆?。
為提高固態(tài)電池的綜合性能，崔光磊團隊在全固態(tài)電池硫化物固態(tài)電解質(zhì)、復(fù)合電解質(zhì)以及鋰金屬負極等相關(guān)技術(shù)上布局多年，并取得了眾多成果。
基于對固態(tài)電解質(zhì)多種體系的深入研究，崔光磊團隊提出了構(gòu)筑三相滲流硫化物/聚合物電解質(zhì)復(fù)合電解質(zhì)解決方案，結(jié)合在干法工藝等核心生產(chǎn)技術(shù)上的突破，崔光磊團隊引領(lǐng)著硫化物/聚合物復(fù)合電解質(zhì)的技術(shù)路線務(wù)實發(fā)展。
“三相滲流”強調(diào)對復(fù)合電解質(zhì)進行多組分、多相場的耦合和調(diào)控，可通過材料選擇、微結(jié)構(gòu)調(diào)控、高通量驗證等環(huán)節(jié)，有效實現(xiàn)離子傳輸?shù)男蛄性鰪?，同時提升界面穩(wěn)定性和電位窗口大幅提升。
干法制備硫化物固態(tài)電解質(zhì)的技術(shù)則是崔光磊團隊的最新突破。該工藝通過熔融粘結(jié)構(gòu)建起聚合物內(nèi)嵌式網(wǎng)絡(luò)，達到內(nèi)部界面融合、抵消電池內(nèi)部應(yīng)力的效果，最終可在高面載情況下實現(xiàn)超長循環(huán)壽命。
此外，崔光磊團隊在濕法工藝上同樣有突破，團隊已開發(fā)出70wt%超高固含量的硫化物漿料，并達到可控、連續(xù)擠出涂布的可喜的進展。
崔光磊強調(diào)，在硫化物/聚合物復(fù)合這一核心技術(shù)路線上，團隊從研發(fā)階段就開始考慮適合批量化生產(chǎn)的技術(shù)。因此目前，團隊已開發(fā)出性能優(yōu)異的聚合物/硫化物復(fù)合膜，在保證力學強度的同時，厚度低于30μm，離子電導(dǎo)率高于2mS/cm，并具備批量生產(chǎn)能力和條件。
在鋰金屬電池方面，崔光磊團隊從2015年起，圍繞高能量鋰金屬電池的關(guān)鍵電極材料和核心技術(shù)展開了一系列原創(chuàng)性研發(fā)工作，團隊發(fā)現(xiàn)鋰金屬負極氫化鋰和氫氣的競爭副反應(yīng)是影響鋰金屬電池綜合性能的一個重要因素，同時深入評價無鋰負極電池的熱失控機理，這些都為行業(yè)發(fā)展高能量鋰金屬電池提供重要理論基礎(chǔ)。
開發(fā)的能量密度可達450Wh/kg以上鋰金屬電池，已在疫情期間植保無人機消殺病毒進行示范，目前可以小批量供貨；基于轉(zhuǎn)換型正極開發(fā)的700Wh/kg的鋰金屬電池已在實驗室開發(fā)出樣品，該鋰金屬電池具有寬溫區(qū)和不燃不爆的優(yōu)異特性；團隊通過有效抑制氫化鋰引起鋰金屬粉化，顯著提升了鋰金屬電池的安全性；并進一步解決了電池系統(tǒng)無法兼顧高瞬時輸出功率及高續(xù)航能力的瓶頸問題，目前這些技術(shù)都轉(zhuǎn)入?yún)R澤公司進行產(chǎn)業(yè)化。
團隊非常重視原始創(chuàng)新、技術(shù)熟化和產(chǎn)品開發(fā)，目前對核心技術(shù)進行了系統(tǒng)專業(yè)的專利布局保護，累計申請國家專利245項，其中授權(quán)中國發(fā)明114項、美國發(fā)明1項、歐洲發(fā)明1項，實用新型21項，具備完全的自主知識產(chǎn)權(quán)。總體上，科研方面已形成核心專利族群，匯澤的技術(shù)護城河已經(jīng)搭建起來。
前行：多元產(chǎn)品與廣泛應(yīng)用
經(jīng)過長期技術(shù)積累和場景驗證，中科深藍匯澤已經(jīng)進入全盛發(fā)展期，目標是拓寬高安全性產(chǎn)品的應(yīng)用場景。通過技術(shù)布局的加深和產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)建設(shè)，匯澤力求實現(xiàn)這一目標，并搶占該產(chǎn)業(yè)制高點。
2017年3月，崔光磊研究員團隊固態(tài)電池電源系統(tǒng)在全海深10918米的馬里亞納海溝得到了首次示范應(yīng)用驗證，這意味著電池技術(shù)在最苛刻的環(huán)境下經(jīng)歷實踐檢驗。
截止到2022年初，團隊提供的百余批次固態(tài)鋰電池電源系統(tǒng)，在深海領(lǐng)域全部實現(xiàn)零故障應(yīng)用。這標志著我國成功突破了全海深電源技術(shù)瓶頸，填補了全海深高能量密度深海電源系統(tǒng)技術(shù)空白。
至此，團隊固態(tài)鋰電池技術(shù)不僅滿足了深海特種電池“高耐壓”“高安全”“高能量密度”的“三高”苛刻要求，打破國外技術(shù)壟斷，為國產(chǎn)深海裝備提供了強大的可靠動力。
2021年3月，團隊360Wh/kg聚合物基固態(tài)電池系統(tǒng)在新能源汽車上實現(xiàn)了連續(xù)11089千米安全行駛，完成了固態(tài)電池作為動力電池的可行性驗證。
相較于現(xiàn)有電芯，該固態(tài)動力電池可節(jié)省30-40%以上的電池重量。另借助深藍匯澤電池寬溫域的優(yōu)異特性，極大簡化電池冷卻系統(tǒng)，在進一步減輕電池重量的同時大幅提升電池安全性能。
此外，匯澤研發(fā)的500Wh/kg高比能固態(tài)鋰金屬電池系統(tǒng)滿足中小型無人機所需的10kW以上瞬時功率；在中型載重無人機上實現(xiàn)續(xù)航里程超過1小時，超過商品化鋰離子電池3倍以上。
崔光磊團隊已經(jīng)實現(xiàn)了基于不同電極材料體系，已經(jīng)實現(xiàn)了能量密度從220Wh/kg到600Wh/kg的四代固態(tài)電池技術(shù)代次研發(fā)和產(chǎn)品儲備。團隊固態(tài)電池在深海、深空、陸地等復(fù)雜工況下不同應(yīng)用場景得到了廣泛驗證，累計交付3MWh以上電源系統(tǒng)，積累了8000多小時安全無事故運行時間，產(chǎn)品的可靠性得到了廣泛的驗證。
在技術(shù)得到多年驗證后，團隊于2022年4月在新能源之都江蘇常州成立了中科深藍匯澤新能源有限責任公司。在崔光磊看來，匯澤的成立，既是技術(shù)日趨成熟的結(jié)果，也是順應(yīng)時代需求，迎接電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)更迭的時代機遇。
匯澤遵循嚴謹產(chǎn)業(yè)邏輯，將代次開發(fā)的聚合物基固態(tài)電池引入市場。其產(chǎn)品首先被應(yīng)用于對安全性有剛需的差異化應(yīng)用市場，如電動低空飛機、電動船舶、深水潛器、特種儲能等領(lǐng)域。
隨著生產(chǎn)規(guī)模擴大、成本降低，產(chǎn)品將逐步應(yīng)用于更廣泛的儲能市場，例如家庭與社區(qū)儲能等。
同時，針對兼顧高能量密度與高安全性的應(yīng)用場景，如電動汽車、電動低空飛行器等領(lǐng)域，團隊正在進行差異化產(chǎn)品的進一步開發(fā)，包括高安全倍率型電芯、高安全長循環(huán)型電芯、高安全高比能電芯等。
以上目標將通過推動產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)建設(shè)來實現(xiàn)。崔光磊認為，固態(tài)電池初創(chuàng)公司除了自研產(chǎn)品，還可以通過靈活多樣的商業(yè)合作模式，不斷拓寬合作邊界與產(chǎn)業(yè)生態(tài)的可能性，以推動固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的快速、務(wù)實發(fā)展。
厚積而薄發(fā)。當下聚合物固態(tài)電池商業(yè)應(yīng)用基石得以奠定，是崔光磊團隊近20年潛心科研的結(jié)果，也是十年磨一劍厚重積淀的結(jié)晶。
在“研發(fā)一代，儲備一代，應(yīng)用一代”核心理念的指引下，中科深藍匯澤將不斷為電池產(chǎn)業(yè)帶來更多創(chuàng)新性技術(shù)、國際領(lǐng)先的固態(tài)電池產(chǎn)品和蓬勃發(fā)展的固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)生態(tài)。
聲明：本文章屬高工鋰電原創(chuàng)（微信號：weixin-gg-lb），轉(zhuǎn)載請注明出處。商業(yè)轉(zhuǎn)載請聯(lián)系（微信號：zhaochong1213）獲得授權(quán)。
下載ECAD模型
