“我認為中國再一次站在了聚合物電解質研究的最前沿。”世界著名鋰電池學者、鋰電池產業的奠基人之一、聚合物電解質創始人Michel Armand教授這樣評價聚合物復合固態電解質關鍵材料制備技術。
“三相滲流”復合固態電解質關鍵材料制備技術是中國科學院青島生物能源與過程研究所（以下簡稱中國科學院青島能源所）牽頭完成的《高性能固態鋰電池材料、技術及系統應用》項目中三個創新點之一。在不久前公布的山東省科技獎上，該項目榮獲技術發明一等獎。針對我國全深海電源長期發展滯后問題，中國科學院青島能源所的研究人員開發出具有完全自主知識產權的高比能、高安全、高耐深海壓、長使役壽命固態鋰電池及系統。不僅解決了我國全深海電源被國外技術“卡脖子”的難題，還為海洋裝備、規模儲能、新能源汽車等多個領域創造了更多的研發空間，并帶來更多的社會效益和經濟效益。
為深海探索提供動力源泉
馬里亞納海溝，是目前所知地球上最深的海溝，被稱為“世界第四極”。
如果把世界最高的珠穆朗瑪峰放在溝底，峰頂將不能露出水面。不少的登山家成功地征服了珠穆朗瑪峰，但探測深海卻極其困難。
2020年11月，“奮斗者”號在馬里亞納海溝成功坐底，坐底深度刷新中國載人深潛的新紀錄。
正是中國科學院青島能源所在聚合物復合路線全固態鋰離子電池研究方面取得重要進展，為我國多型號深海裝備和機器人提供了“高能量密度”“高安全”“高深水耐壓”的“三高”深海能源保障。
“常規的基于液態有機電解液的鋰離子電池中，正負極之間采用聚烯烴類隔膜材料。”項目主要完成人之一、青島能源所固態能源系統技術中心固態能源器件工程技術研究組組長韓鵬獻對記者介紹，這種電解液在鋰電池正、?負極之間起到傳導離子的作用。?然而，液態有機?電解液的這種組成也帶來了安全隱患。?由于多數液態有機電解液的閃點較低，?它們在較低溫度下即會閃燃，?一旦漏液或熱失控，?極易著火或爆炸，?給電池安全帶來威脅。同時，?聚烯烴類隔膜材料尺寸熱穩定性差，高溫情況下電池容易發生熱失控等危險。
在當前背景下，業內廣泛認為下一代電池技術的最佳路線是固態鋰電池。
固態鋰電池則是一種由正極、負極和固態電解質組成的新型電池。其中，正極材料以鎳鈷錳酸鋰、鎳鈷鋁酸鋰、鎳錳酸鋰、復合錳酸鋰等為主，負極材料以金屬鋰、硅碳復合材料、石墨類材料為主，電池中的固體電解質則取代了傳統鋰離子電池中的隔膜和電解液。在充電過程中，鋰離子從正極材料中脫離，通過固態電解質遷移到負極，并發生反應；在放電過程中，鋰離子從負極材料中釋放出來，通過固態電解質返回到正極材料，同時電子通過外部電路流動，產生電流。
項目第一完成人、中國科學院青島能源所研究員崔光磊研究員在電池研制現場。
項目第一完成人、中國科學院青島能源所研究員崔光磊是固態鋰電池領域領軍人物。他告訴記者，傳統深海電源系統采用鎳鉻、銀鋅電池，能量密度低、造價昂貴，維護困難，這制約了深海裝備的復雜工況作業能力；美國和日本等發達國家的深海電源系統開始采用鋰離子電池方案，能量密度有所提升，但技術對我國封鎖；現有的商品化鋰離子電池，采用液態有機電解液傳導鋰離子，閃點低，存在安全隱患，且不耐深海高壓力；以固態電解質替代液態電解液，發展的固態鋰電池，能量密度高，可提供本征安全，且可以承受深海高壓力。因此，固態鋰電池是深海電源的理想解決方案。然而，單一固態電解質體系存在性能短板，無法滿足深海電源對高能量密度和長壽命的使用要求；電極與固態電解質固固界面阻抗大，且在極端條件下長時間充放電循環后會發生固固界面的嚴重失效。因此亟需突破現有材料體系和電池制造技術瓶頸，開發滿足深海電源三高需求的固態鋰電池。
十年磨一劍的突破
早在2009年，中國科學院青島能源所固態能源系統技術中心在崔光磊研究員的帶領下，就開始布局開展全固態電池的關鍵材料和技術研發。
研究之初，困擾崔光磊及其團隊的難題就是材料問題。在深海極端條件下，壓強非常大，海底10000米的壓強達到100兆帕，相當于將1噸重的汽車放在了1平方厘米大小的指甲上，對電池材料要求極高。
圖為兆瓦時級固態鋰電池能源基站支撐深海智能探測。
針對這一問題，崔光磊及其團隊經過十多年的努力，發現了無機硫化物快離子傳導新材料，發明了“剛柔并濟+三相滲流”有機/無機復合電解質制備技術、“內外兼修”高比能正極材料制備技術、單體電池原位固態化技術等。
從2017年至今，崔光磊及其團隊研發的新技術，多次為各類深海科考裝備提供電源保障。
2017年，青能所開發的高比能固態鋰電池電源系統隨TS03航次科考船奔赴馬里亞納海溝為萬泉號深海著陸器供能。累計完成9次下潛，最大工作水深10918米，首次實現萬米全海深電源系統的示范應用。2020年，全海深固態鋰電池系統為“滄海”號視頻著陸器提供充足的能量動力，成功保障了“滄海”與“奮斗者”的萬米深海聯合作業，實現了全球首次實現萬米洋底直播，為“奮斗者”號拍攝了清晰的視頻畫面，為深海環境探測、科學研究提供了有力的電化學能源技術支撐。
2023年，在山東省重點研發計劃（重大科技創新工程）項目支持下，中國科學院青島能源所研制的高比能固態鋰電池搭載“蛟龍”號載人潛水器，為我國“蛟龍”號載人潛水器的各類深海科考裝備提供穩定可靠的電源保障。
截至目前，高性能固態鋰電池已累計為各類深海科考裝備提供了100余批次能源支撐，全部實現零故障應用，產業化發展方面也勢頭強勁。15年的時間，固態鋰電池從“被限制”發展到行業領先水平，崔光磊及其團隊夜以繼日的研究成果為我國深海事業和藍海戰略發展提供了安全、可靠的特種電源保障和技術支撐。
固態電池技術先后得到了國家自然科學杰出青年基金、國家自然科學基金重點項目、國家自然科學基金—山東省聯合基金重點項目、科技部國家重點研發計劃新能源汽車專項（牽頭單位）、科技部國家重點研發計劃深海和極地關鍵技術與裝備重點專項（牽頭單位）、中國科學院戰略性先導專項、山東省重大科技創新工程項目等支持。
在核心技術的知識產權方面，該項目累計申請國家專利162項，其中授權中國發明92項、美國發明1項、歐洲發明1項，實用新型17項，發表論文260余篇，出版專著1部；獲山東省自然科學一等獎和技術發明一等獎，形成了具有自主知識產權的關鍵技術和核心產品。
該項目還培養、引進了一批國家、省部級高端人才，形成了一支具有國際影響力的固態鋰電池創新團隊。
有望續航能力翻倍
自古以來，人類文明每一次里程碑式的重大進步，都是由能源利用方式革命所推動的。而儲能是新能源與可再生能源發展的基礎設施，是帶動全球能源格局革命性、顛覆性調整的重要引擎。在中國，新能源產業已經成為部分城市崛起的“財富密碼”，是推動區域經濟轉型與可持續發展的重要機遇。
2024年伊始，兩則關于海外固態電池取得新進展的消息，再度引發市場對于固態電池領域的關注。相比傳統鋰電池，固態電池的能量密度可從300Wh/kg 提升至 500Wh/kg，大幅增強續航能力。安全性方面，由于固態電池中的固態電解質彈性模量較高，可以有效抑制鋰枝晶的生長，提高電池安全性能。此外，固態電池通過采用超離子導體、固液結合、熱管理等方式實現寬溫區工作。
而中國科學院青島能源所的“高性能固態鋰電池材料、技術及系統應用”項目的成果，在新能源汽車領域的應用推廣和經濟社會效益方面，同樣讓人期待。在國家重點研發計劃新能源汽車專項等重大項目的支持下，該項目固態鋰電池搭載新能源汽車，完成11089km示范運行。
2020年，在由中國科協、科技部、工信部等聯合組織的世界新能源汽車大會上，該項目聚合物復合固態電解質成功入選 “全球新能源汽車前沿及創新技術”。同年中國工程院發布《全球工程前沿2020》，開發的《基于固態鋰電池與鋰電容器技術的全天候“功”“能”兼備的電化學儲能系統》成功入選。
在推進成果轉化方面，崔光磊及其團隊也走在前列。早在2016年就在研究所建立了年產百兆瓦時固態鋰電池中試線，2020年，在嶗山區石老人科技創新園建設了年產200MWh固態鋰電池生產線，前后為科技部重點研發計劃、山東省重大科技創新工程項目及青島市未來產業培育計劃項目等提供逾8000kWh固態電池產品，強有力支撐了國家新質生產力發展。2022年，成立中科深藍匯澤新能源（青島）有限責任公司，致力于固態鋰電池技術產業化，助力青島市新能源新材料產業和山東省“十強”優勢產業集群發展。
在采訪中，團隊的負責人告訴記者，未來，他們將繼續立足固態鋰電池發展實際，瞄定中國電池未來產業需求，不斷攻克固態鋰電池發展中的難題，持續提質賦能，助力固態能源系統綠色高質量發展。
青島財經日報/首頁新聞記者 郭清鑒
責任編輯：王海山
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