半月談?dòng)浾?張漫子

在中國(guó)，現(xiàn)在每天有超3100萬(wàn)輛新能源汽車行駛在道路上。因動(dòng)力電池故障引發(fā)的電動(dòng)汽車自燃問(wèn)題，也愈發(fā)受到關(guān)注。

自燃因何而起？新能源汽車現(xiàn)時(shí)使用的鋰電池內(nèi)部，填充的是有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)，一旦發(fā)生碰撞、過(guò)充或內(nèi)部短路，極易引發(fā)熱失控，從而起火甚至爆炸。那么，有沒(méi)有可能找到另一種充分安全，但能量密度、充電效率均不遜色的電池研發(fā)新思路呢？

如何讓鋰離子跑快跑好？

電動(dòng)車電池的充放電，依賴鋰離子在正負(fù)極之間“往返跑”。鋰離子好比電池中的“快遞員”，負(fù)責(zé)把電子從電池正極送到負(fù)極，電解質(zhì)就好比快遞員要走的一條條“道路”。

工人在鋰電池生產(chǎn)車間作業(yè) 季春鵬 攝

傳統(tǒng)的液態(tài)鋰離子電池，供電子奔跑于正負(fù)極之間的“道路”充滿險(xiǎn)阻——液態(tài)的電解質(zhì)不僅易揮發(fā)、易燃，而且易泄露，熱失控條件下更易引發(fā)極端風(fēng)險(xiǎn)。

盡管電池結(jié)構(gòu)層面的創(chuàng)新迭代不斷，但并未改變液態(tài)電池易燃易爆的“秉性”。眼下，交通電氣化與規(guī)?；瘍?chǔ)能的進(jìn)展日新月異，要求電池不斷提升能量密度。但這在一定程度上，將放大液態(tài)鋰電池的安全風(fēng)險(xiǎn)。

怎么辦？固態(tài)電池不失為一個(gè)理想的解決方案。但完美的固態(tài)電池設(shè)計(jì)，存在一個(gè)“不可能三角”——高能量密度、高安全性、長(zhǎng)循環(huán)壽命。

高能量密度，意味著需要采用鋰金屬負(fù)極、高電壓正極，但這對(duì)電解質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性要求太高；高安全性，意味著需要電解質(zhì)本身需要不可燃且保持熱穩(wěn)定；長(zhǎng)循環(huán)壽命，意味著在電解質(zhì)與電極之間形成穩(wěn)定、低阻抗的界面。

這三者，真的難以同時(shí)滿足嗎？

“不可能三角”是否有解？

實(shí)際上，已經(jīng)有不少科學(xué)家扮演起“拆彈專家”的角色，致力于拆除埋藏在固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化道路上的一個(gè)又一個(gè)“危險(xiǎn)引信”。

——為鋰金屬打造一副“柔性盔甲”，解決界面穩(wěn)定性難題。

鋰金屬負(fù)極是實(shí)現(xiàn)電池高能量密度的終極選擇，但它極其活潑，能與大多數(shù)電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致電池性能快速衰減。

清華大學(xué)張強(qiáng)團(tuán)隊(duì)與合作者共同研發(fā)出一種新型含氟聚醚電解質(zhì)，可與鋰金屬形成一種穩(wěn)定且堅(jiān)固的含氟界面層，好比一副柔性盔甲，保護(hù)鋰負(fù)極不被輕易腐蝕、有效抵御外界“侵?jǐn)_”，能讓鋰離子平穩(wěn)、均勻地通過(guò)。由此不僅提升電池循環(huán)壽命，還使得固態(tài)電池的能量密度達(dá)到了驚人的604瓦時(shí)每千克，比現(xiàn)有商業(yè)化電池提高近3倍。

——無(wú)縫焊接“橡皮泥”和“陶瓷板”，突破“固-固接觸失效”瓶頸。

固態(tài)電池研發(fā)最棘手的問(wèn)題，在于“固-固界面”。想象一下，將軟如“橡皮泥”的鋰金屬電極，貼合在硬如“陶瓷板”的固態(tài)電解質(zhì)上，兩者之間必然布滿肉眼看不見(jiàn)的縫隙和孔洞。隨著電池充放電的“呼吸”，這些縫隙會(huì)越來(lái)越大，最終導(dǎo)致離子傳輸?shù)摹案咚俟贰睆氐装c瘓。傳統(tǒng)做法要靠笨重的外部設(shè)備持續(xù)施壓，導(dǎo)致電池又大又重，難以投入實(shí)用。

中國(guó)科學(xué)院物理研究所黃學(xué)杰團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，沒(méi)有從外部施壓強(qiáng)行“粘合”，而是在電解質(zhì)中引入了碘離子。當(dāng)電池工作時(shí)，這些碘離子就像一支訓(xùn)練有素的“納米工程隊(duì)”，在電場(chǎng)的“號(hào)令”下，自動(dòng)奔赴到電極與電解質(zhì)的界面處集結(jié)，形成一層神奇的“富碘界面”。這層界面擁有強(qiáng)大的吸引力，能主動(dòng)將鋰離子“拉”過(guò)來(lái)，動(dòng)態(tài)填充所有的縫隙和孔洞。這一突破，有望在充放電過(guò)程中，使電池核心界面始終處于可自修復(fù)的貼合狀態(tài)。

——為脆弱的電解質(zhì)植入一副“柔性筋骨”。

固態(tài)電解質(zhì)雖然穩(wěn)定，但其硬脆的物理特性是量產(chǎn)的又一大障礙。它就像精美的瓷器，稍有不慎便會(huì)碎裂，難以承受電池在制造和使用過(guò)程中不可避免的彎折和振動(dòng)。

中科院金屬所的科學(xué)家著眼于聚合材料，為固態(tài)電解質(zhì)構(gòu)建起一張精巧的三維“骨架”網(wǎng)絡(luò)。這張“骨架”如同升級(jí)版的“保鮮膜”，讓電池變得抗拉耐拽，即使反復(fù)彎折2萬(wàn)次也依然完好無(wú)損。

他們還在這張“骨架”中巧妙地加入了一些化學(xué)“小零件”，能夠參與離子傳導(dǎo)，使得電池在獲得超強(qiáng)柔韌性的同時(shí)，能量密度額外提升86%。

化不可能為可能，固態(tài)鋰電池離我們還遠(yuǎn)嗎？

“最后一公里”如何跨越？

實(shí)驗(yàn)室中有所突破的問(wèn)題，在工廠車間里同樣不成問(wèn)題嗎？很遺憾，就固態(tài)電池而言，事情還沒(méi)有那么簡(jiǎn)單。

固態(tài)電池要想投入量產(chǎn)，我們面前仍橫亙著幾座必須翻越的“工程大山”：無(wú)壓運(yùn)行、成本控制、量產(chǎn)制造、快充壽命以及系統(tǒng)級(jí)安全保障，每一項(xiàng)都是硬仗。

與許多先進(jìn)技術(shù)遭遇的問(wèn)題類似，價(jià)格仍是固態(tài)電池商業(yè)化的“攔路虎”。目前，全固態(tài)電池的成本高企，約為400-800美元/千瓦時(shí)，是現(xiàn)有液態(tài)鋰電池的3-5倍?，F(xiàn)有液態(tài)電池生產(chǎn)線與全固態(tài)電池的兼容性不足50%。若決意轉(zhuǎn)型，企業(yè)必須投入巨資重建，引入整套全新設(shè)備。

另外，盡管固態(tài)電池不易燃燒，但其安全性仍需系統(tǒng)評(píng)估。例如，硫化物電解質(zhì)在200攝氏度以上與鋰金屬或高鎳正極接觸時(shí)，仍可能發(fā)生劇烈放熱，溫度最高可達(dá)800攝氏度，熱失控可能比液態(tài)電池來(lái)得更早、更劇烈。在可靠性方面，實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)單顆電芯循環(huán)500次并不難，但要確保每一批次、每一顆電芯都能穩(wěn)定運(yùn)行1500次以上，性能衰減高度一致，仍是不小的工程挑戰(zhàn)。

從干法電極量產(chǎn)“又快又好”的工藝變革，到電池內(nèi)部界面確?！靶巫兛煽?、枝晶可抑”的新設(shè)計(jì)策略，為固態(tài)電池光明大道“拆彈”的接力棒，現(xiàn)在交到了業(yè)界手中。

實(shí)驗(yàn)室里的“靈光一現(xiàn)”，如何為千家萬(wàn)戶生活質(zhì)量的提升帶來(lái)持續(xù)的光亮？固態(tài)電池的故事暫時(shí)還沒(méi)有答案。但是，希望正在生長(zhǎng)。