中國儲能網訊：在規(guī)模應用和批量生產的目標推動下，固態(tài)電池的研發(fā)與制備進程不斷加速。
截至2024年5月，包括廣汽、上汽在內的多家車企已將“全固態(tài)電池量產”這一關鍵節(jié)點提前至2026年，市場熱度隨之升高。
然而，在量產真正到來之前，市場對固態(tài)電池的態(tài)度依舊是期盼與懷疑并存。系統(tǒng)層面如不同技術路線的爭鳴、量產快慢的差異，微觀環(huán)節(jié)如材料創(chuàng)新、技術突破、項目簽約、產能建設等，高景氣與快節(jié)奏之下各類事件不斷涌現，卻也只是冰山浮于海面上的一角。
窺見固態(tài)電池全貌，亟需建立更為縱深和寬廣的視角。
事實上，產業(yè)化是技術成熟后的自然結果。國內固態(tài)電池研究可追溯至20世紀80年代。以國家863計劃支持下作出我國首塊固態(tài)電池雛形為起點，這片肥沃但安靜的土壤開始聚集起諸多科研、產業(yè)從業(yè)者的身影。
從材料認知、體系建立，到路線選擇，再到瓶頸突破、創(chuàng)新嘗試，探路者們長期潛心于基礎科學和制備技術兩大關鍵問題，且在不同技術路線上都孵化出了豐碩的果實。
崔光磊研究員便是其中之一，他領導的團隊在固態(tài)電池領域取得了顯著進展。2022年4月成立的中科深藍匯澤公司，正是源自崔光磊研究團隊近20年的深耕細作。
崔光磊研究員和聯合創(chuàng)始人竇曦博士相識、相交于固態(tài)電池“黃埔軍校”——德國馬普所。二人師從德國化學會主席Klaus Müllen教授，自2005年起便開始合作進行鋰離子電池關鍵材料體系的研究。2009年，崔光磊研究員回國，于中國科學院青島生物能源與過程研究所組建固態(tài)能源系統(tǒng)技術中心。
自團隊成立之初，崔光磊及團隊就秉承著老一輩科學家“十年磨一劍”的奮斗精神，靜心篤志攻克固態(tài)聚合物電池科學難題。
目前，以中國科學院固態(tài)能源系統(tǒng)技術中心為班底，在各級政府的大力支持下，崔光磊已經組建一支200多人的前瞻技術和產業(yè)技術并重，以孵化產業(yè)技術為目標的新型研發(fā)團隊和體系。其中，中科深藍匯澤新能源有限公司（簡稱：匯澤）就是其中的高性能固態(tài)鋰電池技術轉化的典型產物。
如此長時間的積淀轉化為了什么，成就了什么？
首先是認知。匯澤精準捕捉到液態(tài)鋰電池存在安全隱患、能量密度接近極限的痛點，并基于聚合物基固態(tài)電解質材料易量產、價格低、結構靈活的三大優(yōu)勢，選擇了聚合物基固態(tài)電池的發(fā)展路線。
其次是進度。團隊首創(chuàng)了“剛柔并濟”的新型固態(tài)電解質材料和“原位固化”的工藝，解決了固-固界面、室溫離子電導和電壓窗口等挑戰(zhàn)，并基于強大的技術積累，堅持代次研發(fā)完成了不同能量密度的四代次電池開發(fā)。在掌握核心技術之后，匯澤又建立起國內首條規(guī)?；木酆衔锘虘B(tài)電池中試產線。
最后是潛力。憑借著在深海、深空等嚴苛場景的長期可靠性驗證，匯澤開始積極布局新能源汽車和高安全儲能領域。
產品上，匯澤通過搭建起包括高安全倍率型電芯、高安全高比能電芯、高安全長循環(huán)電芯在內的多元矩陣，追求多維度滿足客戶需求。
技術上，團隊堅持融會貫通的務實路線，在硫化物、氧化物材料路線上亦有所布局，近期更是聚焦聚合物/硫化物復合路線，在聚合物/硫化物復合全固態(tài)電池干法制備和混合傳輸的均質正極上取得了重大突破，引領全固態(tài)鋰電池產業(yè)技術發(fā)展。
目前，中科深藍匯澤正規(guī)劃建設國內首條1GWh聚合物硫化物復合電解質的固態(tài)電池產線，且已與多家客戶簽訂戰(zhàn)略合作框架協(xié)議，客戶廣泛涵蓋全球知名車企、電動船舶、電動飛行器、儲能應用等。走過的路才是檢驗行者的試金石，高性能全固態(tài)電池技術應用的大門終將由持續(xù)深耕的團隊推開。
認知：為何選擇聚合物基固態(tài)電池
一家固態(tài)電池企業(yè)的揚帆起航，離不開對傳統(tǒng)鋰電池發(fā)展痛點的準確認知。
一方面，有機電解液易燃易爆、存在安全隱患，既關乎生命安全，也是新能源車商業(yè)進程中的最大不確定性因素。
另一方面，受到正負極材料活性的限制，商品鋰電池已逼近350Wh/kg的能量密度理論上限；若使用更高活性電極材料來提高能量密度則需革新電解液體系，目前商品化體系高概率會造成額外安全隱患。
固態(tài)電池采用非燃的固態(tài)電解質，具備本征安全性；電壓窗口高，可適配更高比容量的正負極材料。以上使得更安全、同時能量密度更高的電池成為可能，因此被行業(yè)視為終極解決方案，當然也是崔光磊研究員深耕多年的初心所在。
以此為航向，崔光磊團隊基于對固態(tài)電解質材料的長期研究與深刻認知，最終錨定了聚合物基以及聚合物復合電解質固態(tài)電池這一技術路線。
崔光磊介紹，聚合物基固態(tài)電池的最大優(yōu)勢在于可量產性。它能夠沿用約80%的鋰電池生產設備，且不包含貴金屬，材料成本相對低廉，因此十分有利于固態(tài)電池從實驗室研發(fā)、小規(guī)模驗證到進入工業(yè)化批量制造的快速推動。
不僅如此，由于聚合物材料更為柔軟（機械強度低），電極/電解質間并非剛性接觸，很好解決了固-固界面接觸易失效這一固態(tài)電池瓶頸問題。
此外，聚合物作為有機物，可以來自天然可持續(xù)性材料，且其分子結構具備多樣性，經分子結構設計可適配電壓窗口更寬泛的正負極材料體系，足以支撐起更高能量密度綠色低碳電池開發(fā)的想象空間。
明確長板之后，研發(fā)固態(tài)電池還需要對材料體系的局限性建立起精準的、體系化的認知，才能逐一擊破。
首先是電壓窗口較窄（小于4V）的問題，已商業(yè)化的聚環(huán)氧乙烷（PEO）聚合物電解質材料電壓窗口窄（<3.67V），其能量密度局限在220Wh/kg左右。需要全新分子結構設計優(yōu)化能級結構，才能拓寬聚合物電解質的電壓窗口耐受性，從而大幅提高能量密度。
其次是室溫下離子電導率低的問題，PEO聚合物電解質材料需在50-80℃高溫下運行，達到工作溫度需要提供額外能量加熱，對于本就能量密度不高的PEO電池，其可用于有效工作的能量就進一步受限，大大制約了其大規(guī)模商業(yè)化推廣。
這些問題的解決需要形成連續(xù)且新穎的策略。而崔光磊團隊深耕聚合物多年，在解決聚合物材料短板問題上所采取的精準科學的策略，具備獨創(chuàng)性。
深耕：從材料、產品到工藝
固態(tài)電池從電解質到電芯，從實驗室到產業(yè)化，材料選擇、制備策略和落地工藝都十分關鍵。
其中在聚合物固態(tài)電解質設計上，崔光磊團隊在國際上首次提出“剛柔并濟-原位固化”的理念。
首先，通過引入熱穩(wěn)定性好的剛性骨架支撐材料，為固態(tài)電池提供高力學性能、優(yōu)異機械穩(wěn)定性和高安全性。
同時，通過設計發(fā)明一系列電化學窗口寬、室溫離子傳輸性能優(yōu)異的“柔”性聚合物基電解質材料，并糅合離子遷移數高的大陰離子聚合物新型鋰鹽，最終獲得強化離子傳輸、提高界面穩(wěn)定性的效果。
該理念一經提出，便引起國際同行廣泛關注，聚合物基電解質創(chuàng)始人M. Armand教授以及2019年諾貝爾化學獎得主J. Goodenough教授均高度評價該理念。
從成果來看，基于“剛柔并濟”理念所形成的聚合物基固態(tài)電解質材料體系，最高可承受5V以上的電壓，遠超PEO材料固態(tài)電解質的3.67V?；谠擉w系所制備的聚合物全固態(tài)電池，可實現能量密度從250Wh/kg至700 Wh/kg的飛躍。
而在挑戰(zhàn)難度更大的聚合物基固態(tài)電池的制造方面，崔光磊團隊則于2010年提出了原位固態(tài)化-界面融合的技術策略，來構筑電極/電解質一體化緊密結構，解決固態(tài)電池電-化-力耦合引起固態(tài)電池失效的瓶頸問題。
2016年，崔光磊團隊借鑒傳統(tǒng)鋰離子電池固態(tài)電解質界面（SEI）思路，將聚合物前驅體原位固態(tài)化構筑了一體化的聚合物基固態(tài)鋰電池，強化了多尺度界面的離子傳輸，顯著提升了界面相容性和循環(huán)穩(wěn)定性。2017年，為進一步提升電解質的電化學穩(wěn)定性，該團隊又開發(fā)出了可用于5V鋰電池的電解質體系。
2020年，該團隊又進一步發(fā)展了基于低溫共熔原位固態(tài)化構建固態(tài)聚合物電解質的新方案，構建了多維度界面離子傳輸的“高速公路”，并通過超高的原位聚合固態(tài)化轉化效率，實現了兼顧高能量密度與高倍率的全固態(tài)電池。
原位固態(tài)策略不僅有效提升了固態(tài)聚合物鋰電池界面相容性和循環(huán)穩(wěn)定性，同時也契合現有商品液態(tài)鋰離子電池生產工藝，有效解決了固態(tài)電池面臨的不易規(guī)?；a、成本高等問題，可以說是順利打通了聚合物基固態(tài)鋰電池從實驗室基礎研究到工程化應用之間難以逾越的最后一道屏障，為高比能聚合物基固態(tài)鋰電池的規(guī)?；苽滗伷搅说缆?。
為提高固態(tài)電池的綜合性能，崔光磊團隊在全固態(tài)電池硫化物固態(tài)電解質、復合電解質以及鋰金屬負極等相關技術上布局多年，并取得了眾多成果。
基于對固態(tài)電解質多種體系的深入研究，崔光磊團隊提出了構筑三相滲流硫化物/聚合物電解質復合電解質解決方案，結合在干法工藝等核心生產技術上的突破，崔光磊團隊引領著硫化物/聚合物復合電解質的技術路線務實發(fā)展。
“三相滲流”強調對復合電解質進行多組分、多相場的耦合和調控，可通過材料選擇、微結構調控、高通量驗證等環(huán)節(jié)，有效實現離子傳輸的序列增強，同時提升界面穩(wěn)定性和電位窗口大幅提升。
干法制備硫化物固態(tài)電解質的技術則是崔光磊團隊的最新突破。該工藝通過熔融粘結構建起聚合物內嵌式網絡，達到內部界面融合、抵消電池內部應力的效果，最終可在高面載情況下實現超長循環(huán)壽命。
此外，崔光磊團隊在濕法工藝上同樣有突破，團隊已開發(fā)出70wt%超高固含量的硫化物漿料，并達到可控、連續(xù)擠出涂布的可喜的進展。
崔光磊強調，在硫化物/聚合物復合這一核心技術路線上，團隊從研發(fā)階段就開始考慮適合批量化生產的技術。因此目前，團隊已開發(fā)出性能優(yōu)異的聚合物/硫化物復合膜，在保證力學強度的同時，厚度低于30μm，離子電導率高于2mS/cm，并具備批量生產能力和條件。
在鋰金屬電池方面，崔光磊團隊從2015年起，圍繞高能量鋰金屬電池的關鍵電極材料和核心技術展開了一系列原創(chuàng)性研發(fā)工作，團隊發(fā)現鋰金屬負極氫化鋰和氫氣的競爭副反應是影響鋰金屬電池綜合性能的一個重要因素，同時深入評價無鋰負極電池的熱失控機理，這些都為行業(yè)發(fā)展高能量鋰金屬電池提供重要理論基礎。
開發(fā)的能量密度可達450Wh/kg以上鋰金屬電池，已在疫情期間植保無人機消殺病毒進行示范，目前可以小批量供貨；基于轉換型正極開發(fā)的700Wh/kg的鋰金屬電池已在實驗室開發(fā)出樣品，該鋰金屬電池具有寬溫區(qū)和不燃不爆的優(yōu)異特性；團隊通過有效抑制氫化鋰引起鋰金屬粉化，顯著提升了鋰金屬電池的安全性；并進一步解決了電池系統(tǒng)無法兼顧高瞬時輸出功率及高續(xù)航能力的瓶頸問題，目前這些技術都轉入匯澤公司進行產業(yè)化。
團隊非常重視原始創(chuàng)新、技術熟化和產品開發(fā)，目前對核心技術進行了系統(tǒng)專業(yè)的專利布局保護，累計申請國家專利245項，其中授權中國發(fā)明114項、美國發(fā)明1項、歐洲發(fā)明1項，實用新型21項，具備完全的自主知識產權?？傮w上，科研方面已形成核心專利族群，匯澤的技術護城河已經搭建起來。
前行：多元產品與廣泛應用
經過長期技術積累和場景驗證，中科深藍匯澤已經進入全盛發(fā)展期，目標是拓寬高安全性產品的應用場景。通過技術布局的加深和產業(yè)鏈生態(tài)建設，匯澤力求實現這一目標，并搶占該產業(yè)制高點。
2017年3月，崔光磊研究員團隊固態(tài)電池電源系統(tǒng)在全海深10918米的馬里亞納海溝得到了首次示范應用驗證，這意味著電池技術在最苛刻的環(huán)境下經歷實踐檢驗。
截止到2022年初，團隊提供的百余批次固態(tài)鋰電池電源系統(tǒng)，在深海領域全部實現零故障應用。這標志著我國成功突破了全海深電源技術瓶頸，填補了全海深高能量密度深海電源系統(tǒng)技術空白。
至此，團隊固態(tài)鋰電池技術不僅滿足了深海特種電池“高耐壓”“高安全”“高能量密度”的“三高”苛刻要求，打破國外技術壟斷，為國產深海裝備提供了強大的可靠動力。
2021年3月，團隊360Wh/kg聚合物基固態(tài)電池系統(tǒng)在新能源汽車上實現了連續(xù)11089千米安全行駛，完成了固態(tài)電池作為動力電池的可行性驗證。
相較于現有電芯，該固態(tài)動力電池可節(jié)省30-40%以上的電池重量。另借助深藍匯澤電池寬溫域的優(yōu)異特性，極大簡化電池冷卻系統(tǒng)，在進一步減輕電池重量的同時大幅提升電池安全性能。
此外，匯澤研發(fā)的500Wh/kg高比能固態(tài)鋰金屬電池系統(tǒng)滿足中小型無人機所需的10kW以上瞬時功率；在中型載重無人機上實現續(xù)航里程超過1小時，超過商品化鋰離子電池3倍以上。
崔光磊團隊已經實現了基于不同電極材料體系，已經實現了能量密度從220Wh/kg到600Wh/kg的四代固態(tài)電池技術代次研發(fā)和產品儲備。團隊固態(tài)電池在深海、深空、陸地等復雜工況下不同應用場景得到了廣泛驗證，累計交付3MWh以上電源系統(tǒng)，積累了8000多小時安全無事故運行時間，產品的可靠性得到了廣泛的驗證。
在技術得到多年驗證后，團隊于2022年4月在新能源之都江蘇常州成立了中科深藍匯澤新能源有限責任公司。在崔光磊看來，匯澤的成立，既是技術日趨成熟的結果，也是順應時代需求，迎接電池產業(yè)技術更迭的時代機遇。
匯澤遵循嚴謹產業(yè)邏輯，將代次開發(fā)的聚合物基固態(tài)電池引入市場。其產品首先被應用于對安全性有剛需的差異化應用市場，如電動低空飛機、電動船舶、深水潛器、特種儲能等領域。
隨著生產規(guī)模擴大、成本降低，產品將逐步應用于更廣泛的儲能市場，例如家庭與社區(qū)儲能等。
同時，針對兼顧高能量密度與高安全性的應用場景，如電動汽車、電動低空飛行器等領域，團隊正在進行差異化產品的進一步開發(fā)，包括高安全倍率型電芯、高安全長循環(huán)型電芯、高安全高比能電芯等。
以上目標將通過推動產業(yè)鏈生態(tài)建設來實現。崔光磊認為，固態(tài)電池初創(chuàng)公司除了自研產品，還可以通過靈活多樣的商業(yè)合作模式，不斷拓寬合作邊界與產業(yè)生態(tài)的可能性，以推動固態(tài)電池產業(yè)化的快速、務實發(fā)展。
厚積而薄發(fā)。當下聚合物固態(tài)電池商業(yè)應用基石得以奠定，是崔光磊團隊近20年潛心科研的結果，也是十年磨一劍厚重積淀的結晶。
在“研發(fā)一代，儲備一代，應用一代”核心理念的指引下，中科深藍匯澤將不斷為電池產業(yè)帶來更多創(chuàng)新性技術、國際領先的固態(tài)電池產品和蓬勃發(fā)展的固態(tài)電池產業(yè)生態(tài)。
