中國(guó)粉體網(wǎng)訊 為研判工程科技前沿發(fā)展趨勢(shì)，敏銳抓住科技革命新方向，中國(guó)工程院作為國(guó)家工程科技界最高榮譽(yù)性、咨詢性學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)，自2017年起開(kāi)展全球工程前沿研究項(xiàng)目，每年研判并發(fā)布全球近百項(xiàng)工程研究前沿和工程開(kāi)發(fā)前沿，以期發(fā)揮學(xué)術(shù)引領(lǐng)作用，積極引導(dǎo)工程科技和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。
《全球工程前沿2024》報(bào)告于2024年12月發(fā)布。這份被譽(yù)為“工程科技前沿風(fēng)向標(biāo)”的年度報(bào)告，是由中國(guó)工程院聯(lián)合全球權(quán)威數(shù)據(jù)機(jī)構(gòu)科睿唯安與高等教育出版社，依托中國(guó)工程院Engineering系列期刊，組織9個(gè)學(xué)部院士專家團(tuán)隊(duì)，歷經(jīng)8年構(gòu)建起成熟的研究體系，覆蓋工程科技全領(lǐng)域，既關(guān)注理論突破（如工程研究前沿），更聚焦產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化（如工程開(kāi)發(fā)前沿）。
在2024能源與礦業(yè)工程研究前沿領(lǐng)域，“高離子傳導(dǎo)固態(tài)電解質(zhì)”入選。
據(jù)該報(bào)告顯示，相較于有機(jī)電解液，固態(tài)電解質(zhì)具有更寬的電化學(xué)窗口以及更高的安全性，因此被視為未來(lái)動(dòng)力電池和儲(chǔ)能電池的重要發(fā)展方向�，F(xiàn)階段，全固態(tài)電池的主要應(yīng)用瓶頸之一在于充放電速度較慢。固態(tài)電解質(zhì)中離子間相互作用力強(qiáng)，且電解質(zhì)-電極界面阻抗高，導(dǎo)致鋰離子遷移能壘是液體的10倍以上，從而成為限制電池充放電速度的決定步驟。
高離子傳導(dǎo)固態(tài)電解質(zhì)通常由無(wú)機(jī)離子化合物組成，其中硫基固態(tài)電解質(zhì)基于其穩(wěn)定的離子傳輸通道以及良好的界面力學(xué)適配性，室溫下鋰離子電導(dǎo)率超過(guò)10 mS/cm，可與商用電解液媲美。通過(guò)電解質(zhì)成分設(shè)計(jì)與界面穩(wěn)定性研究可降低限速步驟的反應(yīng)能壘，從而進(jìn)一步提升固態(tài)電解質(zhì)鋰離子傳導(dǎo)能力。
電解質(zhì)成分設(shè)計(jì)的發(fā)展方向是優(yōu)化化學(xué)成分和調(diào)控晶體結(jié)構(gòu)，致力于增加離子傳導(dǎo)通道和降低離子-離子相互作用，為鋰離子的自由移動(dòng)提供有利條件。界面穩(wěn)定性研究主要從界面鈍化層、涂層包覆、緩解界面應(yīng)力等方向發(fā)展。
值得注意的是，固態(tài)電解質(zhì)體相與表界面的離子輸運(yùn)、界面電化學(xué)等物理化學(xué)過(guò)程具有鮮明的化學(xué)場(chǎng)、電場(chǎng)、力場(chǎng)耦合特征。全面考量多場(chǎng)耦合效應(yīng)，構(gòu)建真實(shí)工況下固態(tài)電解質(zhì)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境與理論模型，可有效揭示其實(shí)際應(yīng)用下的失效、失控機(jī)制，是未來(lái)高離子傳導(dǎo)固態(tài)電解質(zhì)發(fā)展的重要方向。
在2024能源與礦業(yè)工程開(kāi)發(fā)前沿領(lǐng)域，“高比能長(zhǎng)壽命低成本固態(tài)電池技術(shù)”入選。
該報(bào)告顯示，固態(tài)電池采用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)電池中的電解液和隔膜，具有更大的能量密度、更長(zhǎng)的使用壽命和更高的安全性。進(jìn)一步提升固態(tài)電池能量密度可增加電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程，并進(jìn)一步支撐電動(dòng)重卡和電動(dòng)飛機(jī)的開(kāi)發(fā)。
具體而言，能量密度為400Wh/kg、2000圈穩(wěn)定循環(huán)的固態(tài)電池可將電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程提升至1000 km，是純電動(dòng)車(chē)普及的重要支撐技術(shù)。此外，固態(tài)電池可大幅降低飛機(jī)質(zhì)量，提升飛機(jī)推重比。上述固態(tài)電池亦可驅(qū)動(dòng)雙座輕型飛機(jī)幾千次飛行，是開(kāi)拓低空經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域、實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代交通電動(dòng)化革命的關(guān)鍵技術(shù)。
然而，固態(tài)電池能量密度與循環(huán)壽命受到界面不穩(wěn)定、鋰枝晶生長(zhǎng)與電解質(zhì)衰退的影響。并且，固態(tài)電解質(zhì)合成工藝復(fù)雜、產(chǎn)率低，一般在每千克190美元以上，遠(yuǎn)高于每千克50美元的商業(yè)化門(mén)檻。
通過(guò)本征材料改性與制造工藝優(yōu)化可進(jìn)一步提升固態(tài)電池能量密度，增長(zhǎng)循環(huán)壽命，降低合成成本。
本征材料改性主要從正負(fù)極材料改性、電解質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、固態(tài)電解質(zhì)鈍化層方向發(fā)展。電極表面包覆導(dǎo)電材料，摻雜Si、C等元素，以及減小材料顆粒粒徑，有利于緩解界面副反應(yīng)，提升鋰離子擴(kuò)散速率，提高固態(tài)電池能量密度。優(yōu)化固態(tài)電解質(zhì)中離子傳輸?shù)亩ㄏ蚝瓦B續(xù)界面通道，構(gòu)建多層異質(zhì)電解質(zhì)結(jié)構(gòu)，摻雜Zn、F等元素以提升電解質(zhì)電化學(xué)穩(wěn)定性，有助于減少鋰枝晶生長(zhǎng)，減緩電解質(zhì)衰退，延長(zhǎng)電池循環(huán)壽命。通過(guò)設(shè)計(jì)富氟化鋰、氮化鋰的原位界面鈍化層，可降低電池內(nèi)阻、緩解電解質(zhì)衰退與減緩枝晶生長(zhǎng)，提升電池循環(huán)性能與安全性能。
然而，由于固態(tài)電池內(nèi)部與界面電化學(xué)等過(guò)程具有鮮明的化學(xué)場(chǎng)、電場(chǎng)、力場(chǎng)耦合特征，單一設(shè)計(jì)難以兼顧多參數(shù)的全面優(yōu)化。綜合考量多場(chǎng)耦合效應(yīng)，構(gòu)建真實(shí)工況下固態(tài)電解質(zhì)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境與理論模型，可有效揭示其實(shí)際應(yīng)用下的失效、失控機(jī)制，為設(shè)計(jì)固態(tài)電池能量密度、優(yōu)化循環(huán)壽命提供有力支持。
電解質(zhì)的開(kāi)發(fā)和制造工藝優(yōu)化主要發(fā)展方向是成膜工藝改進(jìn)、大規(guī)模量產(chǎn)技術(shù)與超快精準(zhǔn)合成技術(shù)。
成膜工藝分為濕法工藝和干法工藝，其中濕法工藝成膜操作簡(jiǎn)單、工藝成熟、易于規(guī)�；a(chǎn)，是目前最有希望實(shí)現(xiàn)固體電解質(zhì)膜量產(chǎn)的工藝之一，但其工藝還需進(jìn)一步研發(fā)。電解質(zhì)大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)目前尚在探索中，高原料成本與均勻化合成是亟須突破的難關(guān)，業(yè)內(nèi)預(yù)計(jì)將在2025年實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)，大規(guī)模商業(yè)化則需等到2030年左右。
超快精準(zhǔn)合成技術(shù)可以在短短幾秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)多組分甚至高熵固態(tài)電解質(zhì)的精準(zhǔn)合成，不僅能高效篩選探索具有特定目標(biāo)組分的電解質(zhì)材料，而且可實(shí)現(xiàn)多元素準(zhǔn)確、均勻地合成單一純相材料，是未來(lái)固態(tài)電池材料開(kāi)發(fā)和工業(yè)化合成的重要趨勢(shì)。
資料來(lái)源：《engineering》
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
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