中國粉體網(wǎng)訊 固態(tài)電池是目前公認(rèn)最具前景的新一代動力電池，目前固態(tài)電池技術(shù)處于什么階段？商用市場已達(dá)到怎樣的規(guī)模？產(chǎn)業(yè)鏈又涉及到哪些領(lǐng)域？這些問題受到業(yè)內(nèi)人士普遍關(guān)注。2023年2月21-22日，由中國粉體網(wǎng)主辦的第四屆高比能固態(tài)電池關(guān)鍵材料技術(shù)大會在江蘇常州隆重召開，會議期間，我們邀請到了業(yè)內(nèi)專家、學(xué)者，優(yōu)秀企業(yè)家代表做客《對話》欄目，進(jìn)行訪談交流。本期《對話》為大家?guī)黼娮涌萍即髮W(xué)張曉琨副研究員的專訪。
粉體網(wǎng)：張老師，您能不能給大家介紹一下凝膠電解質(zhì)的特點(diǎn)以及它的優(yōu)勢？
張曉琨副研究員：我們這里講的凝膠電解質(zhì)，是一種由聚合物骨架、鋰鹽和少量溶劑組成，經(jīng)過固化過程形成的一種準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)。作為一種應(yīng)用于鋰電池的關(guān)鍵材料，其優(yōu)勢特點(diǎn)還是應(yīng)當(dāng)從鋰電池技術(shù)的發(fā)展需求來看。能量密度、功率密度、循環(huán)壽命、安全性和成本都是鋰電池技術(shù)或者產(chǎn)品的關(guān)鍵指標(biāo)，其中，能量密度和安全性是面向電動化交通等新興應(yīng)用場景和市場的核心需求。鋰金屬負(fù)極的實(shí)用化，是提升鋰電池能量密度的一個(gè)重要的努力方向。但是鋰金屬負(fù)極的安全性問題很難解決，因此使用固體電解質(zhì)替代電解液的固態(tài)鋰金屬電池技術(shù)是目前基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)。相對于陶瓷固體電解質(zhì)，凝膠電解更容易解決界面浸潤和傳導(dǎo)等問題。另一個(gè)方面，相對于液體電解質(zhì)，凝膠電解質(zhì)中的電解液受到限域作用，與高活性鋰金屬負(fù)極的界面副反應(yīng)會得到有效控制，且能夠在一定程度上抑制鋰枝晶的生長。因此，從某種程度上說，凝膠電解質(zhì)的優(yōu)勢在于它集成了固體電解質(zhì)和電解液的優(yōu)點(diǎn)，又規(guī)避了一些它們的困難，具有離子電導(dǎo)率高、界面特性好、工藝兼容性好等特點(diǎn)。
粉體網(wǎng)：張老師，目前凝膠電解質(zhì)研究的熱點(diǎn)有哪些？
張曉琨副研究員：針對電解質(zhì)材料，通過探索新的離子傳導(dǎo)動力學(xué)的增強(qiáng)機(jī)制，或者新型材料體系，提升其離子電導(dǎo)率，是一個(gè)需要持續(xù)努力的維度。凝膠電解質(zhì)也不例外。電解質(zhì)離子電導(dǎo)率的提升，對于提高電池的能量密度、功率密度和循環(huán)壽命都大有裨益。瞄準(zhǔn)提高鋰電池安全性目標(biāo)，開發(fā)具有阻燃功能的凝膠電解質(zhì)，也是一個(gè)值得研究的方向，畢竟凝膠電解質(zhì)中還是存在一定的液態(tài)成分。當(dāng)然了，通過材料優(yōu)化設(shè)計(jì)和改性，提高凝膠電解質(zhì)的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，也是很有價(jià)值的。
此外，隨著折疊屏電子設(shè)備等柔性電子技術(shù)的快速發(fā)展，對可以折疊或者卷曲的柔性電池技術(shù)提出了迫切需求。在凝膠電解質(zhì)中構(gòu)建具備彈性的骨架結(jié)構(gòu)，開發(fā)可拉伸的凝膠電解質(zhì)，對于未來可穿戴柔性電池技術(shù)的發(fā)展，可能是一個(gè)重要的支撐，非常有前景。
粉體網(wǎng)：張老師，凝膠電解質(zhì)穩(wěn)定性差，這個(gè)問題您怎么看？
張曉琨副研究員：這個(gè)問題要分兩個(gè)層次來看。首先，凝膠電解質(zhì)各方面的穩(wěn)定性，相對目前的電解液來說，是較強(qiáng)的。和聚合物固體電解質(zhì)大致相當(dāng)。例如，由于能量密度、功率特性以及電源系統(tǒng)安全可靠性等方面的考慮，目前鋰電池的電芯越做做大。但是大容量、大體積的鋰電池電芯長期靜置使用，其中的電解液可能沉降，電解液分布不均勻會導(dǎo)致電池性能衰減。凝膠電解質(zhì)中的液相成分被限域在微納結(jié)構(gòu)中，在結(jié)構(gòu)上比較穩(wěn)定，應(yīng)用于大容量、大體積的鋰電池中，長期也不會發(fā)生電解液沉降導(dǎo)致的電解液分布不均勻問題。
當(dāng)然，它的穩(wěn)定性的確可以進(jìn)一步提升。它的力學(xué)特性、熱穩(wěn)定性都可以通過優(yōu)化其中的聚合物骨架結(jié)構(gòu)成分來改善。電化學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性，也可以通過體系成分設(shè)計(jì)以及功能添加劑來改善。
另外，就如會議中很多專家講的，有時(shí)候電解質(zhì)的熱失效，對電池安全風(fēng)險(xiǎn)和事故災(zāi)害的防控來說，是一件有益的事情。因此，我們可能還需有意地設(shè)計(jì)一些熱關(guān)斷機(jī)制。
粉體網(wǎng)：張老師，您能否給大家簡要介紹一下凝膠原位固化工藝？
張曉琨副研究員：凝膠原位固化工藝是凝膠電解質(zhì)技術(shù)及其鋰電池應(yīng)用的關(guān)鍵，是解決工藝一致性和界面兼容性等問題的有效途徑。簡單地說，就是在完成鋰電池電芯組裝后，通過溫度等外場作用，或者電池化成過程中的熱力學(xué)和電化學(xué)環(huán)境，誘導(dǎo)凝膠電解質(zhì)中的液相成分發(fā)生反應(yīng)，在電極表面原位形成穩(wěn)定性較高的固態(tài)離子導(dǎo)體，從而提供高穩(wěn)定、低阻抗的電極-電解質(zhì)界面。這個(gè)過程比較復(fù)雜，要實(shí)現(xiàn)精確可控的原位固化反應(yīng)和工藝，需要精巧的電解質(zhì)成分設(shè)計(jì)和新型添加劑的成功開發(fā)。
粉體網(wǎng)：張老師，凝膠電解質(zhì)的發(fā)展趨勢如何？您怎么看待它的前景？
張曉琨副研究員：凝膠電解質(zhì)技術(shù)的發(fā)展趨勢，剛才討論它的研究熱點(diǎn)時(shí)，其實(shí)已經(jīng)討論了一些。凝膠電解質(zhì)作為一種復(fù)合材料體系，我認(rèn)為它的設(shè)計(jì)靈活性和調(diào)控空間非常大，通過其中聚合物骨架材料和結(jié)構(gòu)、鋰鹽及其溶劑和各類添加劑的優(yōu)化和開發(fā)，以及原位固化工藝的發(fā)展，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)高離子電導(dǎo)率、力學(xué)強(qiáng)度、寬電壓窗口以及阻燃等功能，并解決電池產(chǎn)線工藝兼容性和適用性問題。這里面還需要做大量的研究工作。
從我個(gè)人的角度來看，目前，基于電解液的鋰電池技術(shù)，已經(jīng)很難滿足未來各類應(yīng)用對于電池能量密度和安全性的要求�；谔沾晒腆w電解質(zhì)、聚合物固體電解質(zhì)等的全固態(tài)電池，雖然在大家努力之下取得了長足的進(jìn)展，我本人也做一些這方面的研究。但是，還有一系列基礎(chǔ)問題沒有真正解決，瞄準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)難題就更多了。凝膠電解質(zhì)作為一種復(fù)合體系，能夠通過其中各種組分和微納復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)離子傳導(dǎo)性、穩(wěn)定性和力學(xué)特性等性能的解耦調(diào)控和協(xié)同優(yōu)化。面向未來高能高安全大容量鋰電池技術(shù)的發(fā)展需求，凝膠電解質(zhì)的前景還是非常廣闊的。
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/文正）
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