2024百人会|孙世刚院士：电动交通固态电池的挑战和发展

　　2024年3月15日，中国电动汽车百人会论坛(2024)在京开幕。围绕“巩固和扩大新能源汽车发展优势”这一核心议题，中国电动汽车百人会论坛(2024)将举办1场高层论坛、1场国际论坛、2场闭门会议、10场主题论坛，全面强化高端前瞻、全球视野、跨界融合的论坛特色。

　　在3月17日上午举行的动力电池论坛上，中国科学院院士孙世刚发表了“电动交通固态电池的挑战和发展”的演讲。

　　中国科学院院士孙世刚

　　以下为演讲实录：

　　大家早上好，我今天的题目是“电动交通固态电池的挑战和发展”。几个方面：

　　第一，电动交通对动力电池的需求。

　　第二，固态电池的挑战

　　第三，固态电池的发展

　　第四：结论。

　　电动交通就是新能源汽车。发展新能源汽车是我国的国情，我们国家的原油结构是“煤多油少气少”，每年买很多油来用。2019年开始燃油的对外依存度超过70%，去年总共消费了7.66亿吨，产量差不多2亿吨，买了差不多5.64亿吨，把5.64亿吨的油除以我们用的油叫对外依存度，对外依存度超过73%。对外依存度如果超过70%就是一个安全事件，这是我们要发展新能源汽车的一个重要的驱动力。

　　新能源汽车不仅减少对原油的依赖，同时也减少二氧化碳的排放，同时可以促进可再生能源开发。

　　可再生能源是间歇式的发电，它不是连续的，我们一定要想办法储存和转化。一方面，我们把这些电转化成燃料，比如把水变成电跟绿氢，我们把二氧化碳转化成燃料，把氮变成氨，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。

　　我们国家发展的新能源车，卡车、巴士、运营车用燃料电池，因为它的续航里程长、能量密度大，动力电池用于小车。

　　我们这些年的发展非常快，最近这五年增长不是线性的，实际上是一个指数性的增长。去年底保有量2041万辆，汽车总量是3.36亿辆，只占6%，还有很大空间。2030年到2035年我们要8千万到1亿辆电动车，我们的增长速度还会非常快。燃料电池车对新能源来说是非常重要的一环，去年保有量18740辆，是全球商用车最多的国家。

　　我们的发展趋势，这几年也是呈现一个指数增长的方式，不是线性，增长速度很快。所以，我们不能忽视燃料电池的发展，昨天万钢的报告里强调这一点。

　　另外一个驱动力，一些国家都提出了停售燃油车时间表，大家注意到最近有些国家说要推迟，但是还没有出台，但是并不是说会停止，这个驱动力对于发展电动车也是一个最大的受益。欧盟说可以通过禁售非零排放，用绿电来合成这些燃料，也推动了零排放，是为了达到碳中和的目的。

　　碳中和是全世界达成的一个协议，大家都要努力去发展，特别是我们国家的任务非常紧的。

　　电动交通包括飞机和船舶。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来制氢来用。

　　燃料电池的飞机和船舶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多，动力电池的需求密度是非常大的。

　　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。发达国家和我们国家都制定了国家级的一些发展战略，在固态电池方面，比如我们国家的《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》，科技部“十四五”重点研发计划专项，国家自然科学基金委去年实施了重大研究计划，包括超越传统的电池体系，包含今年刚启动的一个重大项目，叫高性能全固态钠电池关键材料。其它各个国家，日本、韩国、英国、欧盟、美国都有一些国家级的计划来推动电池的发展，固态电池是一个很重要的方面。美国就叫《锂电池蓝图计划》，重点还是要发展电动汽车、先进电池和联网汽车，这些资金大部分用于固态锂金属电池和快充技术研究。

　　二，固态电池的挑战。

　　从科学技术层面来看。液态电解质存在一些问题，比如说电解液容易泄露，容易燃烧，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，1.安全性的问题，固态电池不燃烧、没有液体泄露。2.电化学窗口宽，提高能量密度。电池的能量密度和电压是成正比的。3.宽温域。这都是我们希望得到的。

　　不管是哪一类的电池，我们的固态电池是把电解液换成固态电解质而已，但是储能仍然是储能在材料方面，能量是在正极、负极的反应里面。从反应机理来看，公式上可以看到，它的能量密度跟它的反应电子数、电位和质量相关，我们就需要选择合适的元素，同时需要大的元素来做，这是一个原则。电池能量密度的高低最重要的还是正极材料。从这个角度来看，我们要做高能量密度的固态电池，我们要选择低电压负极+高容量、高电压的正极。不管是现在的锂离子电池，到后面的锂硫电池到锂空气电池都是这个原则在往前面走，每往前走一步都有着很多挑战。

　　高能量固态电池，锂金属目前是电位数最低的、能量密度最高，它的一个问题是锂枝晶的生长。到了固态电解质以后，面临的问题，1.固态锂离子传输比较慢，锂枝晶不是不生长，一样会生长，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。这些问题不解决，我们要发展高能量密度的固态电池都会面临着新的挑战的问题。

　　我们做的工作，首先是锂金属负极本身要解决这些问题，有很多办法，比如人工智能、人工SEI膜、表面修饰、三维结构锂金属负极等等。我们的观点还是说通过添加剂的方式，因为锂枝晶生长是一个成核增长过程，我们如果能够通过间接的方式，控制成核增长方式，这样我们可以完全抑制锂枝晶的生长。电解液添加少量的添加剂就可以了。但做这个工作是很困难的，因为首先你知道锂枝晶的生长规律，都是很重要的。

　　还有一种方法，怎么来通过添加剂的方式解决锂枝晶的问题呢?比如双功能塑化剂。电解质加上PEO-聚环氧乙烷，加上LAGP-磷酸锗铝锂、丁二腈的方式调控锂枝晶的生长，这是它的原理。通过它，我们就可以形成一个稳定的锂的生长过程，有效提高它的循环寿命。

　　第二个问题，固固界面问题，这个很重要，怎么形成一个稳定的界面呢?现在一个办法是找一个液体，叫“半固态电解质”，目的是解决间隙问题。我们的考虑很重要的是如果能够形成一个固固相融的界面，就很好解决这个问题。

　　三，固态电池的发展。

　　针对固态电池现有的一些缺陷，怎么来提高它的性能?固态电池最大的一个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和稳定性比较差。

　　无机固态电解质分为两类，一类是氧化物，还有一类是硫化物甚至是卤化物。固态氧化物机械和热稳定性好，缺点是离子电导率低，界面问题严重。卤化物的优点是离子电导率高。缺点是稳定性差、成本很高。这样的问题，我们解决它的发展过程，包括后面在用的时候都要考虑。比如一些文献报道，比如用表面化学方式来提升固态电解质的性能，还有通过调控锂的迁移能垒，通过能垒降下来，提高性能。对于硫化物来说通过元素取代，用其它离子到晶格位点，提升它的周期循环和稳定性。另外，通过界面调控，提升快速充放电。

　　对于聚合物电解质，优点是柔软性比较好，容易加工，良好的界面接触。缺点是离子电导率低。怎么解决这个问题?我们通过分子设计，设计合成和原位聚合的一种新的氟化主链和寡聚体增塑固态聚合物电解质，它的离子电导率比较高，而且离子迁移数特别高，还有5.1V的的宽电化学窗口。同时它与锂金属负极和不同的正极材料，包括LFP和NCM811在内的多种正极形成相容稳定的界面，显著提升锂金属电池的可逆循环稳定性。

　　比如通过添加增塑剂，通过在原位聚合物的前驱体中加入，提升它的性能。

　　聚合物固态电解质可设计性比较好，架构性比较好，通过高压聚合物电解质设计，提升它的高压性能。也通过低温聚合物电解质，提升低温性能。我们的观点来看，聚合物电解质也是最近发展的非常好的一个方向。

　　复合聚合物固态电解质，把无机和聚合物融合起来叫复合聚合物固态电解质，它的界面稳定性和相容性比较差，因为有固态在里面。包括异质结的设计，通过化学嫁接法，通过这样一些方法提升它的性能。

　　我们在固态电池发展里面最核心的，一个是固态电池本身怎么样提升它的离子电导率、离子迁移数，怎么扩展它的电化学窗口，形成良好的固固界面，界面的兼容性和稳定性这两块解决是我们的一个核心。

　　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来自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，和构筑相对稳定的固固界面。已经发展的各种提升固态电解质的性能的策略并取得重要进展，但还需要加大力度推进固态电池产业化发展。我们不光是在应用方面，在源头的技术研究更重要，我们可以从源头上设计更好的电解质，做出性能更好的电池。