中國粉體網訊 為研判工程科技前沿發(fā)展趨勢，敏銳抓住科技革命新方向，中國工程院作為國家工程科技界最高榮譽性、咨詢性學術機構，自2017年起開展全球工程前沿研究項目，每年研判并發(fā)布全球近百項工程研究前沿和工程開發(fā)前沿，以期發(fā)揮學術引領作用，積極引導工程科技和產業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。
《全球工程前沿2024》報告于2024年12月發(fā)布。這份被譽為“工程科技前沿風向標”的年度報告，是由中國工程院聯(lián)合全球權威數(shù)據(jù)機構科睿唯安與高等教育出版社，依托中國工程院Engineering系列期刊，組織9個學部院士專家團隊，歷經8年構建起成熟的研究體系，覆蓋工程科技全領域，既關注理論突破（如工程研究前沿），更聚焦產業(yè)轉化（如工程開發(fā)前沿）。
在2024能源與礦業(yè)工程研究前沿領域，“高離子傳導固態(tài)電解質”入選。
據(jù)該報告顯示，相較于有機電解液，固態(tài)電解質具有更寬的電化學窗口以及更高的安全性，因此被視為未來動力電池和儲能電池的重要發(fā)展方向。現(xiàn)階段，全固態(tài)電池的主要應用瓶頸之一在于充放電速度較慢。固態(tài)電解質中離子間相互作用力強，且電解質-電極界面阻抗高，導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。
高離子傳導固態(tài)電解質通常由無機離子化合物組成，其中硫基固態(tài)電解質基于其穩(wěn)定的離子傳輸通道以及良好的界面力學適配性，室溫下鋰離子電導率超過10 mS/cm，可與商用電解液媲美。通過電解質成分設計與界面穩(wěn)定性研究可降低限速步驟的反應能壘，從而進一步提升固態(tài)電解質鋰離子傳導能力。
電解質成分設計的發(fā)展方向是優(yōu)化化學成分和調控晶體結構，致力于增加離子傳導通道和降低離子-離子相互作用，為鋰離子的自由移動提供有利條件。界面穩(wěn)定性研究主要從界面鈍化層、涂層包覆、緩解界面應力等方向發(fā)展。
值得注意的是，固態(tài)電解質體相與表界面的離子輸運、界面電化學等物理化學過程具有鮮明的化學場、電場、力場耦合特征。全面考量多場耦合效應，構建真實工況下固態(tài)電解質的實驗環(huán)境與理論模型，可有效揭示其實際應用下的失效、失控機制，是未來高離子傳導固態(tài)電解質發(fā)展的重要方向。
在2024能源與礦業(yè)工程開發(fā)前沿領域，“高比能長壽命低成本固態(tài)電池技術”入選。
該報告顯示，固態(tài)電池采用固態(tài)電解質替代傳統(tǒng)電池中的電解液和隔膜，具有更大的能量密度、更長的使用壽命和更高的安全性。進一步提升固態(tài)電池能量密度可增加電動汽車的續(xù)航里程，并進一步支撐電動重卡和電動飛機的開發(fā)。
具體而言，能量密度為400Wh/kg、2000圈穩(wěn)定循環(huán)的固態(tài)電池可將電動汽車續(xù)航里程提升至1000 km，是純電動車普及的重要支撐技術。此外，固態(tài)電池可大幅降低飛機質量，提升飛機推重比。上述固態(tài)電池亦可驅動雙座輕型飛機幾千次飛行，是開拓低空經濟領域、實現(xiàn)現(xiàn)代交通電動化革命的關鍵技術。
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、鋰枝晶生長與電解質衰退的影響。并且，固態(tài)電解質合成工藝復雜、產率低，一般在每千克190美元以上，遠高于每千克50美元的商業(yè)化門檻。
通過本征材料改性與制造工藝優(yōu)化可進一步提升固態(tài)電池能量密度，增長循環(huán)壽命，降低合成成本。
本征材料改性主要從正負極材料改性、電解質結構設計、固態(tài)電解質鈍化層方向發(fā)展。電極表面包覆導電材料，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，提升鋰離子擴散速率，提高固態(tài)電池能量密度。優(yōu)化固態(tài)電解質中離子傳輸?shù)亩ㄏ蚝瓦B續(xù)界面通道，構建多層異質電解質結構，摻雜Zn、F等元素以提升電解質電化學穩(wěn)定性，有助于減少鋰枝晶生長，減緩電解質衰退，延長電池循環(huán)壽命。通過設計富氟化鋰、氮化鋰的原位界面鈍化層，可降低電池內阻、緩解電解質衰退與減緩枝晶生長，提升電池循環(huán)性能與安全性能。
然而，由于固態(tài)電池內部與界面電化學等過程具有鮮明的化學場、電場、力場耦合特征，單一設計難以兼顧多參數(shù)的全面優(yōu)化。綜合考量多場耦合效應，構建真實工況下固態(tài)電解質的實驗環(huán)境與理論模型，可有效揭示其實際應用下的失效、失控機制，為設計固態(tài)電池能量密度、優(yōu)化循環(huán)壽命提供有力支持。
電解質的開發(fā)和制造工藝優(yōu)化主要發(fā)展方向是成膜工藝改進、大規(guī)模量產技術與超快精準合成技術。
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單、工藝成熟、易于規(guī)�；a，是目前最有希望實現(xiàn)固體電解質膜量產的工藝之一，但其工藝還需進一步研發(fā)。電解質大規(guī)模生產技術目前尚在探索中，高原料成本與均勻化合成是亟須突破的難關，業(yè)內預計將在2025年實現(xiàn)小批量生產，大規(guī)模商業(yè)化則需等到2030年左右。
超快精準合成技術可以在短短幾秒內實現(xiàn)多組分甚至高熵固態(tài)電解質的精準合成，不僅能高效篩選探索具有特定目標組分的電解質材料，而且可實現(xiàn)多元素準確、均勻地合成單一純相材料，是未來固態(tài)電池材料開發(fā)和工業(yè)化合成的重要趨勢。
資料來源：《engineering》
（中國粉體網編輯整理/平安）
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