中國粉體網(wǎng)訊
報告人：孫學(xué)良中國工程院外籍院士、加拿大工程院院士、加拿大皇家科學(xué)院院士
以下內(nèi)容為現(xiàn)場演講實(shí)錄：
尊敬的董揚(yáng)理事長，尊敬的各位領(lǐng)導(dǎo)、各位專家：
大家上午好！我是孫學(xué)良，來自加拿大西安大略大學(xué)，非常榮幸參加這次盛會，特別是今天和大家討論固態(tài)電池，我和大家講一講挑戰(zhàn)。雖然還在倒時差，但是非常興奮，今天來了很多企業(yè)家、企業(yè)的朋友，所以我就從最近訪問企業(yè)談起。
今年年初我訪問了一些企業(yè)，特別是動力電池和整車廠，在過程中，我和各個企業(yè)討論，有很深的感受，就是這些企業(yè)有非常重大的研發(fā)投入，包括固態(tài)電池的團(tuán)隊。我相信我們共同努力，能夠從液態(tài)世界領(lǐng)先，能夠在固態(tài)領(lǐng)域繼續(xù)堅持領(lǐng)跑。
在與企業(yè)合作方面上，我非常榮幸和國家動力電池創(chuàng)新中心及國聯(lián)研究院合作，2017年成立了中加聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，得到了中國和加拿大政府的資助，包括中國有研熊總經(jīng)理幾次訪問我在加拿大的實(shí)驗(yàn)室，也得到中央電視臺的報道。特別是在這幾年中開發(fā)出一些新型材料和解決工程化問題，比如在硫化物電解質(zhì)穩(wěn)定性問題的開發(fā)、批量生產(chǎn)、工藝過程，同時也包括新型電解質(zhì)的開發(fā)，今天講一講新型電解質(zhì)的開發(fā)。
歐洲2030計劃，通過比較各種電池體系，固態(tài)電池的能量密度非常明顯，從商業(yè)化窗口可以看到現(xiàn)在的電池到固態(tài)電池的發(fā)展，在2025-2030年之間是一個窗口期，包括高的能量密度、安全性和出色的低溫性能和快充性能。固態(tài)電池路線圖，有很多在討論的問題，我專門拿了歐洲出的2030年路線圖，這是很長的英文報告，我把它部分翻譯成中文，跟大家進(jìn)行討論。
報告中短期、中期和長期目標(biāo)，包括目標(biāo)展望，液態(tài)和固態(tài)的比較，應(yīng)用場景和關(guān)鍵指標(biāo)。總體來說，2025、2030、2035這三個節(jié)點(diǎn)非常重要，總目標(biāo)是第三代是350-400Wh/kg的能量密度，這個過程中到400-500Wh/kg能量密度，我們的目標(biāo)也是在500Wh/kg。
固態(tài)電池有很多挑戰(zhàn)，我們必須克服這些挑戰(zhàn)才能商業(yè)化。主要有三大挑戰(zhàn)：材料問題、界面問題、工程化問題。
一、材料問題
材料問題，特別是集中在固態(tài)電解質(zhì)的開發(fā)。目前我們已經(jīng)有很多體系，比如和國家動力電池創(chuàng)新中心、國聯(lián)研究院合作硫化物的方向。我們在座有很多在講硫化物、聚合物和氧化物研究，我們開發(fā)中有沒有新型的其他種類的，特別是鹵化物的開發(fā)。
不同的體系優(yōu)缺點(diǎn)，比如離子導(dǎo)非常重要，特別是豐田用的是硫化物體系，和我們集中開發(fā)鹵化物體系的優(yōu)缺點(diǎn)，紅色是硫化物體系，非常高的離子導(dǎo)，但空氣穩(wěn)定性和對正負(fù)極的穩(wěn)定性是有問題的。綠色代表最近開發(fā)的鹵化物電解質(zhì)的體系，可以看到離子導(dǎo)已經(jīng)提高了很多，空氣穩(wěn)定性和對正極的穩(wěn)定性都有明顯的優(yōu)點(diǎn)。這些年我們集中在開發(fā)這些材料，讓它往商業(yè)化應(yīng)用。
我上個月參加了國際電池學(xué)會大會，總結(jié)了一下，這個方向在世界范圍內(nèi)最近進(jìn)展非常快，比如豐田提高離子導(dǎo)，目前提高了10倍。最近我們國家姚老師發(fā)的負(fù)極問題，包括高壓性能、低價格、結(jié)構(gòu)的研究、界面研究、模擬等不同方向，在這個領(lǐng)域都進(jìn)展得非常好。
結(jié)構(gòu)控制，特別是能否批量生產(chǎn)非常重要，所以我們組一直在開發(fā)不同的合成方法，從固相法，特別是開展了液相法，讓我們能夠把這種電池材料從小批量發(fā)展到大批量，特別是國聯(lián)研究院用這種方法可以合成幾十公斤材料。
總體來說我們是在發(fā)展不同的東西，首先是結(jié)構(gòu)調(diào)控離子導(dǎo)，要應(yīng)用到不同體系當(dāng)中。比如結(jié)構(gòu)調(diào)控，要從10-3次方能不能提高10倍的離子導(dǎo)是我們的發(fā)展方向，能不能把價格再降低10倍。能否展示到各種體系當(dāng)中，比如軟包，包括其他體系，比如鋰硫體系、鋰氧體系、正極高電壓，所有這些都應(yīng)該表現(xiàn)出來。
創(chuàng)新非常重要。我們必須要結(jié)構(gòu)調(diào)控才能達(dá)到這個目的，比如松下研究從四面體到八面體。我們最近發(fā)現(xiàn)有一種框架結(jié)構(gòu)，通過界面控制可以做出很多體系，這些體系在不同的相中表現(xiàn)非常高的離子導(dǎo)。可以調(diào)控很多不同的材料。
另一個方向是離子導(dǎo)能否繼續(xù)增加10倍，能否達(dá)到硫化物現(xiàn)在的目標(biāo)？最近松下已經(jīng)報道可以達(dá)到10-2次方離子導(dǎo)，我們最近的工作也是做出從靜態(tài)到非靜態(tài)的研究，可以等6.6×10-3的離子導(dǎo)，讓電池可以跑2400圈，可以展示出來，特別是它的快充和低溫性能。
總體來說這個領(lǐng)域鹵化物早期我們在發(fā)展，離子導(dǎo)非常低，從2018年開始達(dá)到10-3的離子導(dǎo)，2021年我還說什么時候我們能提高10倍離子導(dǎo)，現(xiàn)在我們應(yīng)該達(dá)到了10-2離子導(dǎo)。希望這個方向繼續(xù)能夠努力往商業(yè)化走，提高離子導(dǎo)，降低價格。
二、界面問題
在鹵化物當(dāng)中是正極和負(fù)極界面的問題。松下的工作和韓國的工作已經(jīng)充分證明它和硫化物比具有非常穩(wěn)定的正極界面。我們的工作在液相合成時把正極材料放里面，用少量的電解質(zhì)可以展示出它的高的能量密度。
負(fù)極是現(xiàn)在關(guān)鍵的問題，跟各個企業(yè)都討論到用金屬鋰時怎么解決負(fù)極問題，鹵化物正極是穩(wěn)定的，負(fù)極對著零伏還需要解決問題。通過計算，必須尋找對零伏穩(wěn)定的材料，讓它對負(fù)極穩(wěn)定。整個來說是雙層電解質(zhì)，一個正極電解質(zhì)，一個負(fù)極電解質(zhì)。這里提到姚教授最近的工作，已經(jīng)展示出鋰對鋰非常的穩(wěn)定。
另外一個方向，這種電解質(zhì)具有非常好的負(fù)極穩(wěn)定性，比如通過計算，這些電解質(zhì)對零伏電壓，已經(jīng)證明鋰對鋰是穩(wěn)定的，所以這個方向是非常好的方向，形成雙層電解質(zhì)，一邊是正極穩(wěn)定，一邊是負(fù)極穩(wěn)定。
三、工程化問題
商業(yè)化、工程化非常重要。我們在開展，特別是合作，和國聯(lián)研究院、加拿大公司與我們聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，最近廣東佛山固態(tài)電池中心一起開發(fā)軟包系統(tǒng)，這里需要做很多細(xì)致的工作。特別是要做高能量密度固態(tài)電池時，我們要做超薄的電解質(zhì)，只有少用固態(tài)電解質(zhì)，多用活性材料，能量密度才能體現(xiàn)出來。超薄電解質(zhì)的制作有很多方法，特別是從液態(tài)發(fā)展到干電極法，我們做了一些展示，能把它做成15-20個微米級別，展示在氧化物、鹵化物和硫化物體系當(dāng)中，能夠把全電池做出來。這個方向最近發(fā)展很快，包括寧波所、物理所、美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室都在開發(fā)干電極法，特別是上個月我開IBA國際會議時，德國組給我們很多啟發(fā)，這個組就是用卷對卷的整個過程。所以這里還有很多挑戰(zhàn)。
這里需要做幾個方向的工作：
一是開發(fā)新型電解質(zhì)，今天講的是鹵化物電解質(zhì)開發(fā)，最近四年的過程進(jìn)展非常多，已經(jīng)到了10-2，還需要解決進(jìn)一步的成本和批量化生產(chǎn)。
二是界面問題，需要開發(fā)熱力學(xué)和動力學(xué)穩(wěn)定的對金屬鋰的界面。電極開發(fā)，在軟包上，特別從濕法到干法的開發(fā)過程，需要有幾個關(guān)鍵點(diǎn)，電解質(zhì)開發(fā)界面設(shè)計、電機(jī)工程和軟包制作。
兩點(diǎn)建議和感受：
第一，要極大的加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，非常重要，特別是企業(yè)和高校，因?yàn)槲覀冇袕?qiáng)大的企業(yè)和工程團(tuán)隊，我們擁有世界上最多的固態(tài)電池開發(fā)人員，我們怎么能結(jié)合起來，1+1>2的過程。
第二，應(yīng)該進(jìn)一步加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，這一塊非常重要，包括重視專利布局，只有創(chuàng)新，才能創(chuàng)造顛覆性的技術(shù)，只有好的專利布局，才避免“卡脖子”問題。
感謝我的研究組，這些年共培養(yǎng)了140人，其中70人回到國內(nèi)，特別是最近兩年12人有固態(tài)電池經(jīng)驗(yàn)的已經(jīng)回到國內(nèi)，包括回到中國有研廣東新材料研究院固態(tài)電池中心，希望有更多的人回到國內(nèi)來做貢獻(xiàn)。謝謝大家！
（注：本文根據(jù)現(xiàn)場速記整理，未經(jīng)演講嘉賓審閱）
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/文正）
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知刪除！
