中科院孙世刚：固态电池有哪些困境？该如何解决？

中科院孙世刚：固态电池有哪些困境？该如何解决？

固态电池作为下一代动力电池的重要发展方向，其安全性好、能量密度高的特点备受关注。然而，固态电池在实际应用中仍面临诸多挑战，如锂枝晶问题和固固界面兼容性差等。本文整理自中国科学院院士孙世刚在2024年中国电动汽车百人会之动力电池分论坛上的主题演讲，详细探讨了固态电池的发展背景、技术挑战及解决方案。

中国科学院院士 孙世刚

新能源汽车发展的驱动力

中国原油结构呈现“煤多油少气少”的特点，2019年开始燃油对外依存度超过70%，2023年消费总量达7.66亿吨，其中外购量达5.64亿吨，对外依存度超过73%。高对外依存度不仅影响能源安全，也是推动新能源汽车发展的重要驱动力。

新能源汽车不仅减少对原油的依赖，同时减少二氧化碳排放，促进可再生能源开发。可再生能源是间歇式发电，需要通过储存和转化才能变为连续性资料。例如，将水变成电跟绿氢，将二氧化碳转化成燃料，将氮变成氨，通过燃料电池驱动汽车，储存起来作为动力电池来驱动汽车。

中国新能源汽车近五年呈指数性增长，2023年保有量达2041万辆，占汽车总量的6%。按照规划，2030-2035年新能源汽车总销量将超过50%，意味着要达到8千万到1亿辆的电动车销量。燃料电池车对新能源来说也是非常重要的一环，2023年保有量18740辆，目前是全球商用车最多的国家。

另外，一些国家都提出了停售燃油车时间表，欧盟提出通过禁售非零排放来推动零排放，以达到碳中和的目的。碳中和是全世界达成的一个协议，特别是对中国来说任务非常紧迫。

电动交通还包括飞机和船舶。三峡氢舟1号已经在长江三峡运营，利用三峡大坝晚上的电制氢来用。燃料电池的飞机同样也是有些大的发展。现在低空域飞机，燃料电池的驱动非常重要。

航空对动力电池的要求更高，需要更高的能量密度。

总的来说，电池的发展，无论是哪类电池，面临的是提高它的能量密度、功率密度、安全性、极端环境适应、低成本，是全方位的。各国都制定了一些国家级发展战略来推动电池的发展。

固态电池的挑战：锂枝晶和固固界面问题

从科学技术层面来看，液态电解质存在一些问题，比如电解液容易泄露、燃烧，还有一些界面副反应，电化学窗口窄，正极活性物质的穿梭效应。当换成固态电解质，不易燃、无液体泄露风险；电化学窗口宽，能量密度提升，电池的能量密度和电压是成正比的；宽温域。

但是，固态电池也面临一系列问题：

1. 固态锂离子传输比较慢，同样会产生锂枝晶，只要里面有电子流过来都会生长锂枝晶，还不是完全阻挡锂枝晶的一个办法。
2. 固固界面兼容性差、离子传输阻力大，导致电池动力性能差。高比容量的电极，在高压下也是不稳定的，像三元、高镍、富锂，高电压都会导致电极材料的衰减。

为了解决这些问题，研究者们尝试了多种方法：

• 通过人工智能、人工SEI膜、表面修饰、三维结构锂金属负极等方法来抑制锂枝晶的生长。
• 通过添加剂的方式，比如双功能塑化剂，调控锂枝晶的生长。
• 通过“半固态电解质”来解决间隙问题。
• 通过表面化学方式来提升固态电解质的性能，调控锂的迁移能垒。
• 对于聚合物电解质，通过分子设计、原位聚合等方式提升离子电导率和离子迁移数。
• 复合聚合物固态电解质，将无机和聚合物融合起来，提升界面稳定性和相容性。

固态电池的发展方向

固态电池最大的挑战是离子电导率低，与固态电池电极材料的界面相容性差、稳定性也比较差。针对这些问题，研究者们从多个方向进行探索：

• 无机固态电解质分为氧化物、硫化物和卤化物。氧化物机械和热稳定性好但离子电导率低，卤化物离子电导率高但稳定性差、成本高。通过表面化学方式、元素取代等方法提升性能。
• 聚合物电解质柔软性好、容易加工，但离子电导率低。通过分子设计、原位聚合等方式提升性能。
• 复合聚合物固态电解质结合无机和聚合物的优势，通过异质结设计、化学嫁接等方法提升性能。

结论

固态电池的安全性好，能量密度高，是电动交通下一代动力电池发展的重要方向。高能固态电池面临的挑战主要是如何进一步提升固态电解质的离子电导率、与锂金属和高比能电极材料的匹配性，以及构筑相对稳定的固固界面。虽然已经取得重要进展，但仍需加大力度推进产业化发展。从源头上设计更好的电解质，做出性能更好的电池，是未来研究的重点方向。

本文原文来自ne-time.cn