国家动力电池创新中心王建涛：硫化物全固态电池关键技术及工艺研究

由中国汽车技术研究中心有限公司、中国汽车工程学会、中国汽车工业协会、中国汽车报社共同主办，天津经济技术开发区管理委员会特别支持，日本汽车工业协会、德国汽车工业协会、中国汽车动力电池产业创新联盟、新能源汽车国家大数据联盟联合协办的第二十届中国汽车产业发展（泰达）国际论坛（以下简称“泰达汽车论坛”）于2024年8月29日至9月1日在天津滨海新区举办。本届论坛以“风雨同舟二十载 携手并肩向未来”为年度主题，邀请重磅嘉宾展开深入研讨。

在8月30日“生态专场一：固态电池技术发展与产业化挑战”中，国家动力电池创新中心副主任王建涛发表了题为“硫化物全固态电池关键技术及工艺研究”的演讲。

王建涛提到，全固态电池作为一种新兴的电池形态，其发展对现有的锂电产业带来了显著的影响。目前行业内已经形成了多种技术路线，包括聚合物、氧化物、硫化物、卤化物等不同类型的固态电池体系。从发展趋势上看，固态电池预计将在2027年后进入小批量生产和装车验证阶段，直至2030年左右实现大规模应用。

国家动力电池创新中心副主任 王建涛

目前没有一种电解质材料能够同时满足所有性能需求，如高的离子导电性、良好的电子绝缘性、出色的空气稳定性、合理的成本以及足够的安全性等。丰田公司在硫化物领域取得了领先地位，并建立了一系列核心专利布局。

关于全固态电池研究进展，王建涛首先讲到电解质材料中高离子导电性和空气稳定性。为了提高离子导电性，研究人员针对材料自身的组成结构进行了设计，特别是对离子传输过程中周围的电价作用进行了调整。此外，通过设计结构稳定度来实现更高的离子导电性。为了改善空气稳定性，研究团队采用了改性方法降低了材料的电子导电性，从而提高了其在薄膜状态下的均匀性和致密性，减少了锂枝晶的形成可能性。

此外，对于超薄电解质膜开发的技术路径，目前主要采用干法和湿法两种技术路径。干法技术通过连续的滚轧实现电解质膜的减薄，类似于铜箔的加工方式，但电解质材料是由粉末构成的，因此难以达到金属材料的致密程度。为了实现超薄电解质膜，研究团队采取了支撑体的方式，即先进行涂布再进行滚轧，同时确保颗粒的一致性和使用新型高效黏结剂，以实现薄膜化的制备。目前实现的厚度约为20至30微米，但未来的目标是通过科技部的项目支持达到15微米。

在材料的应用上，王建涛认为正极材料重要的是高能量密度和安全性。全固态电池的正极材料面临的主要挑战是如何在保证高能量密度的同时保持良好的安全性。通过表面改性技术和材料匹配技术，可以提升6C以上电流密度条件下的性能表现。具体来说，采用了双包覆策略，第一层包覆采用氧化物材料，以解决表面的包覆问题；第二层则采用硫化物材料，以确保与电解质的良好匹配，从而实现全固态电池正极材料性能的最大化。

其次，负极材料的硅基材料在充放电过程中体积膨胀较大，这会影响电池的循环性能。为了减少这种膨胀，研究人员选择了具有良好体积稳定性特性的材料，并通过构建强自修复的表面包覆层来抑制膨胀。此外，还在电极结构上实现了极配，以降低整体的膨胀率。最终，还需要通过施加一定的压力来限制膨胀，从而实现全固态电池硅基负极的高性能。

对于构筑高负载、高致密化电池，王建涛分享了技术经验。首先是多层级复合。为了应对高负载下的离子传输和电子传输的快速化需求，研究团队采用了多层级、多维度的电解质纳米复合技术。这些技术有助于提高电池的倍率性能，使其更加适用于高倍率和快充应用场景。

其次是高负载电极：与液态电池相比，全固态电池中的活性物质占比相对较低。为了提高能量密度，需要提高活性物质的占比，但这也会带来其他问题，例如倍率性能下降。为了解决这个问题，研究团队正在尝试不同的方法，比如采用高负载电极技术和超薄电解质膜技术。目前，已经能够实现300~400 Wh/kg的能量密度。

此外，王建涛认为全固态电池的批量制备是一个关键环节。目前已经能够制备出安时级乃至40Ah级别的全固态电池，但当电池容量增大时，安全性能的保证仍需进一步提升。在界面处理上，电极与电解质膜之间的界面问题对于全固态电池的性能至关重要。目前采用的方法是在电极与电解质膜之间添加缓冲层，并采用等静压技术来改善界面接触。然而，这种方法对于未来的大规模生产效率而言并不是最优选择，还需要进一步的优化和提高。

对于国内全固态电池的研发而言，从电解质材料到电池制造，已经积累了大量的经验和成果。目前已有材料供应商为研发单位提供规模化供应的硫化物材料，支持全固态电池的研发。从最初的单层电池到现在的多层电池，技术进步明显。对于全固态电池而言，结构的可靠性尤为重要，这不仅涉及到内部力的作用，还包括外部环境变化带来的影响。因此，未来的研究将更加侧重于力学行为的研究和力学调控技术的发展，包括材料、电极和电池层级上的力学分析，以及相关的表征手段、调控方法和维护措施。

王建涛表示，全固态电池技术正处于快速发展阶段，面临着诸多挑战，包括电解质材料性能的优化、电极材料稳定性的提升以及电池结构可靠性的增强。通过持续的技术研发和工艺改进，有望在未来几年内实现商业化应用。随着全固态电池技术的进步，它们将在电动汽车和其他高能量密度应用领域展现出巨大的潜力。