中山大学卢侠：固态电池的发展现状

中山大学卢侠：固态电池的发展现状

随着电动车的快速发展，市场对高性能电池和优质材料的需求急剧上升，固态电池因而成为关注的焦点。然而，固态电池的成功与否，关键在于材料的设计与优化，特别是固态电解质的研究。中山大学材料学院的卢侠教授在“2024中国电池产业创新发展论坛暨能源学人产学研大会”上，以《固态电池关键材料与技术研究进展》为题，深入探讨了固态电池的发展现状、关键材料与技术研究进展，以及面临的挑战和未来展望。

固态电池的发展背景与现状

作为高校代表，卢侠首先回顾了电动车的快速发展，并指出这一技术进步远超预期。现如今，电动车的数量已大大超过最初的目标，然而，随着电动车的普及，人们对更高性能和更好材料的需求日益增加。固态电池正是在这一背景下应运而生，其优势在于材料和结构的创新。然而，尽管固态电池的概念和发展趋势早已明确，其实际的应用仍面临诸多技术难题。

卢侠教授提到，固态电池的材料层面是关键。作为电动车发展的参与者，他强调，固态电池的构造虽然在形式上与传统电池相似，但它在材料上引入了新的界面设计，特别是在电解质的选用上，带来了显著的性能提升。正如他所说，固态电池的发展本质上是一个材料驱动的过程，关键在于如何通过材料的创新来提升电池的整体性能和安全性。

固态电池的材料构成与界面问题

卢侠详细介绍了固态电池的基本构成，包括正负极、电解质和界面，指出这些组成部分与传统电池类似，只是在固态电池中引入了不同的界面材料。在他看来，固态电池的发展方向本质上是材料驱动的，虽然固态电池有多种材料体系，如硫化物、氧化物和聚合物等，但没有一种电解质能够完美解决所有问题。这些材料的进展不仅推动了固态电池的发展，也使得技术路线的选择变得更加复杂。

卢侠强调，固态电池的核心挑战之一在于界面的稳定性与兼容性。不同材料之间的界面相互作用对电池的性能至关重要。任何微小的界面问题都可能导致电池性能的下降，因此对界面进行优化是提升固态电池性能的关键。通过研究这些界面的特性，我们能够找到更有效的解决方案。

全固态电池的基本实现思路

在讨论固态电池的研究进展与挑战时，卢侠教授不仅强调了全球范围内的关注，尤其是日本在技术方面的领先地位，还深入分析了固态电池逐步发展的基本实现思路。他指出，固态锂离子电池的发展不可能一蹴而就，而是一个循序渐进的过程。

首先，当前市面上的主流锂电池大多依赖液态电解质，但由于液态电解质存在安全性、稳定性等方面的局限，研究者们开始探索将固态材料引入电解质系统，最终目标是实现全固态电池的应用。这个发展路径包括三个阶段：

• 液态电池：目前广泛使用的锂离子电池依赖于液态电解质，尽管其在导电性和成本上具有一定优势，但存在易燃、易爆的潜在安全隐患，尤其在高能量密度的应用场景下。
• 混合固液电解质：过渡阶段的产品融合了固态与液态电解质，提升了电池的安全性和稳定性。固液混合电解质保留了液态电解质的高导电性，同时引入固态电解质提升结构稳定性。该技术目前已在一些电池系统中取得应用，主要用于提高电池的安全性能。
• 全固态电池：最终的目标是开发完全使用固态电解质的电池。在全固态电池中，电解质材料完全由固态物质构成，理想情况下能够实现更高的能量密度和更优异的安全性。然而，实现这一目标仍面临着诸如界面稳定性、锂离子传输效率等多重挑战。

这些发展路径都伴随着复杂的材料研究和优化过程，尤其是在界面优化、内阻控制、快充能力等方面。卢侠教授进一步指出，虽然全球许多公司和研究机构都在攻克这些技术瓶颈，但目前的进展还远未达到大规模商业化生产的水平。正如他所说：“固态电池前面加了一个形容词，不管怎么加，本质上是一种妥协，因为无法完整解决纯固态稳定性问题。”

固态电解质的优化与未来展望

卢侠在演讲中重点讨论了固态电解质的研究，并分享了其团队在LLZTO（锂澜锆氧）材料方面的工作。通过对材料结构、锂离子传输机制的深入研究，他们成功优化了固态电解质的性能，并探讨了材料改性与创新的潜力。此外，他提到，他们通过对陶瓷膜的制备，大大提高了电池的性能，尽管这一过程仍面临着一些技术上的挑战。

在谈到固态电解质的优化时，卢侠教授强调，电解质的物理特性与锂离子的迁移速率密切相关。通过合成新型固态电解质，可以显著提高电池的充电速度和循环寿命。他指出，优化固态电解质的关键在于提高其离子导电性，并降低界面的电阻。通过不同的合成方法和后处理技术，可以在一定程度上改善这些性能，从而实现更高的电池效率。

固态电池的实际应用与界面优化

卢侠进一步介绍了固态电池在实际应用中的表现，尤其是在硫化物电池中的应用。他指出，硫化物电池虽然能量密度较高，但仍存在性能不稳定的问题。他强调，界面问题是固态电池的核心挑战，并通过介绍他们的研究成果，说明了通过润湿剂和材料改性可以实现界面优化，从而提高电池的循环寿命和性能。

在此过程中，卢侠教授强调，通过精细的材料设计，可以有效地改善电池的性能。举例而言，在界面处添加适当的润湿剂，不仅能够提高锂离子的迁移速率，还能改善电解质与电极之间的接触，从而实现更好的电化学性能。这一过程的优化不仅需要基础研究的支持，还需通过大量实验验证和工业化试验，以确保其在商业应用中的可行性。

总结而言，固态电池的发展依赖于材料的不断创新与界面问题的解决。 卢侠鼓励与会者深入研究固态电池的各个组成部分，并强调理解其动力学过程对优化材料设计至关重要。他的研究成果展示了固态电池在材料优化方面的巨大潜力，也指出了未来研究的方向和挑战。通过不断的技术创新和行业协作，固态电池有望在未来实现广泛应用，为电动车的发展提供强有力的支持，从而推动绿色能源的转型与发展。