兼具高安全性与长循环特性 山东实现全固态锂电池技术自主突破 | 山东好成果

来源：【新黄河】

新黄河记者：曹茜

一块电池，如何同时实现高能量密度、超长寿命和本质安全？中国科学院青岛生物能源与过程研究所（山东能源研究院）研发的高比能、长寿命全固态锂电池取得重大突破：不仅实现了正极材料的“瘦身”，在能量密度达到390Wh/kg、循环5000次后仍保有80%初始容量，且极大提升了电池的安全性。这一成果有望推动新能源汽车、深海装备、低空飞行器等领域的能源革命。

全固态锂电池

正极材料大“瘦身”，安全性和能量密度实现双突破

自1991年商业化以来，锂离子电池已成为移动电子设备、新能源汽车等的主要动力源，与当今社会生活息息相关。科学技术的日益发展在提升人们生活水平的同时也对传统锂离子电池的安全性、能量密度、使用寿命等性能提出了更高要求。

深海自承压固态电池系统

中国科学院青岛生物能源与过程研究所（以下简称“青岛能源所”）副研究员鞠江伟博士介绍，传统全固态锂电池的正极至少需要混合正极活性材料、导电子和导锂离子助剂三种成分，不同材料间的化学反应会降低电池性能。

“我们创新开发了一种正极材料，其离子和电子电导率高于传统正极活性材料3-5个数量级，比容量超过目前高镍正极材料。”鞠江伟表示，“它同时拥有三种材料的功能，使得全固态锂电池正极仅由这一种材料组成即可，避免了不良反应的发生。”

技术原理示意图：均质化正极具备高效的电子和锂离子混合传导能力

据悉，该材料放电容量高、体积形变小，且具有优异的电导率，高于传统正极材料1000倍以上，使得全固态锂电池不依赖于导电添加剂工作，正极“瘦身”后的全固态锂电池在5000圈循环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开资料中所提到的长循环全固态锂电池的1.3倍。

传统锂离子电池采用有机电解液作为锂离子传输媒介，有机电解液存在挥发、泄漏、燃爆的风险，限制了传统锂离子电池在安全性和能量密度上的突破。而全固态锂电池采用不易燃、本质上更安全的固体电解质，其热失控温度在300℃以上，极大提升了电池的安全性；同时，固体电解质配合高电压正极和低电压负极有望实现电池能量密度400Wh/kg的突破（传统锂离子电池能量密度难以超过300Wh/kg）。

工作人员正在进行电极片的连续化制备

因此，作为一种新兴的电池技术，全固态锂电池有望颠覆传统锂离子电池技术，实现安全性、能量密度、使用寿命等性能突破，为新能源汽车、储能电网、深海深空装备等提供安全、耐久的动力源，对开发新型储能体系等具有重要意义。“我们目前正在进行中式放大生产，预计两到三年内实现规模化生产。”鞠江伟表示。

固态锂电池软包电芯

从“冷门”论文中得到新材料启示

如果说过去全固态锂电池的制造像“调鸡尾酒”，那么现在只需“一杯纯净水”。

青岛能源所固态系统技术中心提出的这种均质化正极技术，极大简化了电池的制备流程，从而显著节约电池制造成本，助力全固态锂电池的快速商业化，对开发高能量密度、长使用寿命的储能设备，发展新质生产力，加快我国建设新型能源体系具有里程碑式的意义。

不过，对于研发团队来说，这项技术的起点，竟是一篇被冷落十余年的论文。2008年，诺贝尔奖得主Goodenough提出了一种潜力巨大的材料，但因合成难度高、性能不达预期，十几年来一直没有得到科学家们的关注。

“当我们读到这篇十几年前的报道的时候，我们认为这是一种非常有潜力的材料。因为他的组成跟目前一种常用的氧化物电解质相似，因此可能具备很好的离子电导率。我们决定首先合成这种母体材料，再以此为基础对材料进行进一步创新设计，以获得高的电子和锂离子电导率。”鞠江伟回忆。

研究人员正在进行电池分析测试

然而，研发团队前后尝试了一年多的时间，才终于拿到了产品，但当测试材料性能的时候，这种材料的离子电导率非常低，与团队预想的完全不同。不过，材料的电子电导率很高。基于此，研发团队转换思路，以这个母体材料为基础，首先通过锗元素的成功掺杂提高了它的离子电导率，但电子电导率又降低了。

“当时我们一度陷入了迷茫。经过多次探讨，我们从硫族化合物的演化规律上获得启发，提出用硒取代硫，缩小材料的带隙来提高电子电导率。最终成功获得该材料。”鞠江伟说。

全固态锂电池有望成为未来储能领域的“全能选手”，据介绍，其在新能源汽车、低空飞行器等需要使用电池的器件或设备都可应用。

固态电池进行性能检测，以确保符合行业标准和用户要求

已在新能源汽车和深海电源领域进行测试和应用

目前，研发团队研发的全固态锂电池已在新能源汽车和深海电源领域进行了测试和应用。

“其中，我们在‘十三五’期间承担的国家重点研发计划新能源汽车专项所制备的高能量密度全固态锂电池成功实现了装车示范，并完成了10000公里的无故障运行测试。在深海领域，我们研发的固态电源系统为天涯、海角、万泉、沧海、奋斗等全海深着陆器提供能源动力，扭转了我国电缆供电的万米全海深科考尴尬局面。此外，我们正以作价入股等形式实现全固态锂电池技术的转移转化，争取早日实现成果的推广应用。”鞠江伟介绍。

中国科学院青岛生物能源与过程研究所（山东能源研究院）

到2027年底，青岛能源所将建成一条硫化物电解质产线，具备年产能10吨硫化物固态电解质粉体和电解质膜的能力，并开发出20Ah级硫化物固态软包电池，单体能量密度超过400Wh/kg，循环性能超过1000次。

“未来，我们计划利用正在开发的新型转化型正极材料搭配金属锂负极，开发能量密度超过700Wh/kg的超高能量密度固态电池，并首先实现其在特种领域的应用。”

全固态锂电池的技术突破，不仅是山东科技创新的缩影，更为全球能源转型提供了“中国方案”。当新能源汽车因它告别“续航焦虑”，当万米深海科考因它实现“能源自由”，这项从山东走出的技术，或许能够重塑未来世界的动力版图。

剪辑：梁明星 编辑：吕冰 校对：汤琪

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