中科院孙世刚：固态电池有哪些困境？该如何解决？

2024年3月17日，中国电动汽车百人会之动力电池分论坛上，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”的主题演讲。围绕着固态电池当下面临的一些困境和解决办法进行分享。

中国科学院院士 孙世刚

下文为其演讲转化，存在部分删减与优化，供读者参考。

为什么要发展新能源汽车 驱动力是什么？

中国原油结构是“煤多油少气少”，2019年开始燃油对外依存度超过70%，2023年总共消费了7.66亿吨，产量2亿吨左右，外购5.64亿吨，对外依存度超过73%。对外依存度超过70%就是安全事件。

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排放，同时可以促进可再生能源开发。

可再生能源是间歇式发电，储存和转化才能变为连续性资料。一方面，把这些电转化成燃料，比如把水变成电跟绿氢，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。

新能源汽车近五年呈指数性增长，2023年保有量2041万辆，汽车总量是3.36亿辆，只占6%，2030年到2035年规划大于50%的总销量，意味着要到8千万到1亿辆电动车销量，空间很大，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，2023年保有量18740辆，目前是全球商用车最多的国家。按照2025年10万辆，2030-2035年100万辆的规划，以及燃料电池车近几年指数增长趋势，这个板块不能忽视。

另外一个驱动力，一些国家都提出了停售燃油车时间表，最近有些国家说要推迟，但是还没有出台，但并不是说会停止，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。

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多，动力电池的能量密度要求更大。

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。我们国家和发达国家都制定了一些国家级发展战略。

在固态电池方面，我们国家制定了一系列规划。日本、韩国、英国、欧盟、美国等其它国家，都有一些国家级计划来推动电池的发展。美国《锂电池蓝图计划》，重点还是要发展电动汽车、先进电池和网联汽车，其中大部分资金用于固态锂金属电池和快充技术研究。

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，比如说电解液容易泄露、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。

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，能量密度跟反应电子数、电位、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、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。这些问题不解决，发展高能量密度的固态电池就会面临新的挑战。

我们的研究，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。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。但比较困难，因为首先要知道锂枝晶的生长规律。

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。

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、稳定性也比较差。

无机固态电解质分为两类，一类是氧化物，另一类是硫化物甚至卤化物。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，后面都要考虑。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，从源头上设计更好的电解质，做出性能更好的电池。