据储能界了解到，8月24日—26日，2024碳中和能源高峰论坛暨第四届中国国际新型储能技术及工程应用大会与新型储能技术青年科学家论坛在深圳正式举办。在8月26日下午进行的新型储能技术青年科学家论坛上，湘潭大学研究生院院长王先友做了题为《固态锂电池的发展思考》的主题报告演讲。
图注：湘潭大学研究生院院长王先友
以下内容根据大会发言整理，仅供参考。
各位嘉宾好，我是来自湘潭大学的王先友，非常高兴和大家谈谈固态锂电池的产业化问题，非常感谢高老师的邀请，让我来跟大家交流。虽然我已经过了青年科学家的年龄，但还是很愿意和大家一起交流对固态锂电池产业化发展面临的问题的一些思考。
刚才孙老师讲了近年来锂电池发展很快，确实去年我国新能源车到了940多万辆的规模，今年1-7月份又完成了差不多六百万辆，今年超过1000万辆肯定没有问题。电动车的快速发展，带来锂电池的快速发展，今年1-7月我国锂电池的产量接近500个GWh。电动汽车的渗透率到了36.4%，而且据报道到今年6月我国新能源汽车的拥有量超过了2400多万辆。
电动汽车和锂电池产业快速发展的同时，也有一些问题引起了大家的关心。
电动汽车起火的问题，国内的情况大家从一些新闻媒体能看到，我就不多讲了。但是今年6月24日韩国发生了一个起火启发事件，造成的损失很大；今年8月21日奔驰车在韩国的地下车库起火，导致140辆车烧毁。
有专家分析，电动汽车从看到明火到烧起来大概需要64秒的时间，但实际上这个时间可能会更短，好在电动汽车起火通常是在电池充电时或者高速运行后停下来离子扩散平衡时。电动车正常运行时起火的很少，除非是碰撞。
大家关于电动车的焦虑，一是起火的问题，二是续航里程，里程焦虑一直困扰大家，因此电池的安全性和能量密度成为大家关注的重点。
关于能量密度，从右图可见，每个国家都有自己的发展路线图，我国也一样。可以看到，正极材料从622、811到9系列到高镍材料，负极材料从由石墨到硅碳、硅氧，当然要进一步提高负极能量密度，那就是用金属锂作负极。对于动力锂电池，既要提高能量密度，又要提高安全性，最好的是电池设计理念方面的突破、电池材料化学理论的突破、电池化学理论的突破，这都成为锂电池行业、电动汽车行业发展必须思考的，因此固态电池成为我们的首选方案。
图注：大会现场
首先我们来看看目前的液态锂电池，电解液都涉及到有机溶剂，而这些有机溶剂一个问题是闪点低，如DMC的闪点只有15℃，一旦泄露，很容易引发火灾，所以安全性隐患是非常值得关注的。作为动力电池，既要有高安全性，又要有高比能量，固态电池是唯一有效的解决方案。
这些年围绕固态锂电池，很多单位和团队都在开展研究，取得了不少成果。从这个图我们可以看到，液态电池能量密度最高是350Wh，即使用高镍或者富锂正极材料和硅碳或硅氧做负极，液态锂离子电池能量密度350/kg-400Wh/kg就是天花板了。而我国的目标是到2030年，能量密度要达到500Wh/kg以上，要实现这个目标，就要靠固态电池体系，所以固态电池成为行业最优的解决方案。
当电池从液态走向固态时，面临一个关键的问题，就是固态电解质的离子导电问题。从事电化学的专家都知道，电化学涉及到两类导体，第一类导体是电子导体，第二类导体是离子导体。电池外电路是第一类导体传输电子，电池内部从正极到负极中间有一个隔膜，离子通过电解液来传输，所以电池内部的能量传递依靠的是第二类导体，涉及的问题是离子的传输问题。而作为固态电池，离子传输就要通过固体交接的界面传输，电解质是固体颗粒，活性物质也是固体颗粒，离子传输就会涉及到活性物质与活性物质之间固体界面问题，活性物质与固态电解质以及固态电解质粒子与固态电解质粒子之间的固体界面问题。这些问题直接决定了固态电解质的性能，因此也就决定了固态电池的性能。所以，固态电解质的离子导电机理问题、离子电导率问题、力学性质、热性质、表面性质、电化学位等问题的认识和突破，是固态电池走向产业化的关键。
此外，作为固态电池，从这个图可以看到，对于电池负极，负极材料和固态电解质之间的界面问题很关键，负极材料和固态电解质粒子之间的物理接触，界面的稳定性以及充放电过程中涉及的锂的溶解和析出，因此而引起的锂枝晶问题，和充放电过程中的体积变化问题。对于电池正极，正极制备通常是活性物质和固态电解质粒子一起混合均匀、成膜，那么电解质的化学稳定性、电化学稳定性，还有匹配性问题都应该重视。此外，电池能量密度既与放电比容量成正比，还与电池电压成正比。从这个图可见，在保证高放电比容量的同时，如何保证一个高的电压很重要。固态电解质通常有四类，如何提升其电位窗口，从而提高电池电压，提高能量密度呢？图中绿色的是固态电解质，固态电解质与正极材料之间、固态电解质与负极材料之间，我们考虑的是通过CVD、PVD或者包覆界面层来形成夹心式的或者类似于三明治式结构，通过界面修饰层来提高电池工作电压，这也是我们制备固态电池必须考虑的。
固态电解质是未来固态电池产业化的关键，如何制备能量密度高、安全性好的固态电池，还涉及到如何解决正极活性物质粒子和固态电解质粒子之间的界面科学问题、固态电解质粒子和固态电解质粒子之间的界面科学问题，还有就是图中的锂枝晶生长问题。锂枝晶在固态电池中比液态锂电池更容易生长，因为固态电解质和固态电解质粒子之间及固态电池质和负极之间留有空隙，锂枝晶很容易顺着空隙和晶界生长。这些问题的破解，也是固态电池走向产业化的关键。
固态电池在工作过程中，刚开始时固态电解质和活性物质可能接触紧密，工作一定时间后会慢慢产生一些间隙，产生间隙后电池内阻会增大，所以固态电池要实现产业化，其离子运输机制、锂枝晶生长抑制机制、固-固科学界面问题，这些问题的突破才是固态电解质成功应用的关键。
上图是各类固态电解质离子电导率对比，如何改善它的离子导，增加其离子导电性很关键。作为固态电池的固态电解质，不但要有高的离子电导率，而且要有良好的化学和电化学稳定性，能很好地抑制锂枝晶的产生。当然，图中的每一种电解质都有它的优缺点，时间关系就不详细介绍，这里我主要谈谈固态电池制备过程中常遇到的一些问题，以便推动其产业化进程。
首先是氧化物固态电解质，也是我们通常讲的无机固态电解质，它的性能很稳定，合成相对比较简单。缺点是脆、烧结温度比较高，离子导不高，界面问题严重。如何提高离子导电问题以及和锂的稳定性问题，以及如何进一步提高电池性能与解决制备工艺技术问题，是氧化物固态电解质实用化必须面对的。
第二是硫化物固态电解质，面临的挑战首先是其对湿度敏感问题。尽管日本人和韩国都重点在做硫化物固态电解质，但这个材料最大的问题在于它对水分特别敏感，很容易产生硫化氢气体。如何通过表面修饰、掺杂来改变性能，以及调控它的离子尺寸增加其性能，是硫化物电解质制备面临的核心问题。
第三是聚合物电解质，由以前的凝胶电解质到固态聚合物电解质，很多专家都在做，包括法国等国外很多专家也在做，但这个电解质面临的问题是工作温度比较高，电位范围比较窄，离子导不高，如何提升其性能是聚合物电解质面临的挑战。我们曾经试验，加入无机固体微粒到聚合物电解质中，形成无机/有机复合电解质，可以降低其结晶度，提高离子导。通过这种无机和有机的复合，这类电解质可能会是目前或者今后一段时间固态电解质产业化应用的一个方向。
如何解决固态电解质与正负极匹配性的问题？
正极材料，有铁锂、三元、锂硫电池的硫，图中用不同的颜色来表示。研究发现，图中绿色部分表示正极活性物质与固态电解质之间没有太多匹配性问题，黄色部分是存在一些匹配性问题要考虑的，而红色部分则是有明显的匹配性问题。固态电解质材料和上述正极材料，在电池制备过程中，如何解决好它们之间的匹配性问题是促使其走向应用的关键。此外，固态电解质与阳极的匹配性问题也是如此，时间关系就不多述了。
下面简单介绍固态电池制备过程中必须解决的问题。
因为固态电池市场前景很大，预计2025-2035年每年30%的上升速度，而且固态电解质的发展速度可能还会超过我们的预期。对于固态电池产业化，除了电极活性物质和固态电解质外，还有电池制备技术的工程化问题。固态电池的制备，目前一些专家采用的办法还是按照液态电池的制备工艺和设备来进行的，显然这不大可能批量制备出性能良好的固态锂电池。从这个图可见，固态锂电池的制备工艺，在辊压和分条后，和期液态电池的制备工艺是相同的，但从图中也可见，辊压之前的工序，固态电池极片制备是不同于液态锂离子电池的。
制备工艺面临的挑战，虽然有的用液态锂电池的湿法工艺，但有的固态电解质材料，湿法路线明显不适应。因此，干法电极工艺可能是固态锂电池极片制备的首选工艺。所以，固态锂电池这些关键制备工序工艺路线设计，以及工程化过程中设备的突破，也是全固态锂电池走向产业化应用的核心问题。
对于固态电池，制备技术装备的突破尤为重要，首先要解决电解质成膜工艺，工程化制备和量产方面的问题，以及电池制造对环境的要求问题，工艺一致性问题，固态电池制备的成本问题，这些都是固态电池走向产业化面临的瓶颈问题。我们团队，2004年开始从事固态电池的相关研究，到今年正好20年了，从聚化物固态电解质、凝胶电解质、自愈合聚合物电解质到氧化物和硫化物电解质都有涉及，这几个表是我们近些年来关于几类固态电解质研究承担的国家及省里的相关项目、发表的文章和获批的授权专利。后面的这些PPT是我们在固态锂电池研究领域的一些代表性工作，简单放一下，时间关系就不再介绍了，大家可以在会后和我交流。
总之，全固态电池代表未来锂电池的发展方向，是锂电池领域的新质生产力，而且固态电池的前景肯定是非常好的。但目前全固态电池固态电解质的制备，固态电池的制备，电解质界面的科学问题、固态锂电池制备工艺和制备装备的问题都有待突破。今天参会的专家，可能有的是做电池的，有的是有做装备的，也有的是做固态电解质的，相信有大家的共同努力，我国的固态锂电池一定会有一个大的发展。
我的报告到这里，谢谢大家！
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