從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)，工程邏輯的轉(zhuǎn)變相當(dāng)重要。國(guó)慶期間，全固態(tài)電池技術(shù)突破的消息不斷傳來(lái)。

10月7日，中國(guó)科學(xué)院等黃學(xué)杰團(tuán)隊(duì)在《自然 - 可持續(xù)發(fā)展》上發(fā)表全固態(tài)電池研究最新論文，新華社報(bào)道后眾多媒體轉(zhuǎn)載。該研究核心是突破全固態(tài)電池的“固 - 固界面”難題。論文顯示，這項(xiàng)研究能使固態(tài)電池在充放電時(shí)形成一層DAI（動(dòng)態(tài)自適應(yīng)界面），在低壓甚至零外壓下維持穩(wěn)定循環(huán)。脫離實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，軟包電池實(shí)現(xiàn)300次循環(huán)后容量仍高于70%，并支持5C級(jí)充放倍率。

另外，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所科研團(tuán)隊(duì)用“分子尺度”創(chuàng)新，大幅降低固態(tài)電池界面阻抗、提升離子傳輸效率，成果登上《先進(jìn)材料》。節(jié)前清華大學(xué)張強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)也有固態(tài)電池電解質(zhì)相關(guān)研究被《自然》收錄。中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)接連拿出三項(xiàng)重磅技術(shù)論文，宣告該領(lǐng)域重大突破。

不過(guò)，這三項(xiàng)技術(shù)還處于論文和實(shí)驗(yàn)室階段，距離全固態(tài)電池商業(yè)化、工程化應(yīng)用及落地量產(chǎn)還有很長(zhǎng)距離，就像智能駕駛的L3、L4，不能過(guò)于激動(dòng)，還需深入研究。

固 - 固界面的“攔路虎”

有電池技術(shù)專(zhuān)家對(duì)于DAI技術(shù)落地時(shí)間問(wèn)題選擇沉默。此前與一位電池專(zhuān)家交流得知，相關(guān)領(lǐng)域論文爆發(fā)現(xiàn)象出現(xiàn)后，大致5 - 8年能達(dá)到量產(chǎn)階段。若以現(xiàn)在為爆點(diǎn)，2030年能大規(guī)模量產(chǎn)算是比較快的了。

論文通訊作者黃學(xué)杰是中國(guó)科學(xué)院物理研究所博士生導(dǎo)師，兼任松山湖材料實(shí)驗(yàn)室副主任。他接受采訪時(shí)表示，鋰金屬負(fù)極雖被視為鋰電池“理想負(fù)極”，但鋰金屬負(fù)極與固體電解質(zhì)之間界面處易生成孔洞且隨循環(huán)惡化，導(dǎo)致界面接觸失效和性能快速衰減，這是全固態(tài)金屬鋰電池面臨的主要挑戰(zhàn)之一，即固 - 固界面難題仍是“攔路虎”。

之前行業(yè)認(rèn)為固態(tài)電解質(zhì)更安全，因其不含可燃有機(jī)溶劑，全固態(tài)電池成為理想終極解決方案。但中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心首席科學(xué)家王芳指出，固態(tài)電池安全邊界雖比液態(tài)電池寬，但突破邊界后果可能更嚴(yán)重。目前全行業(yè)難題除成本高外，“固 - 固界面”問(wèn)題短期內(nèi)無(wú)法解決。太藍(lán)新能源董事長(zhǎng)兼CTO高翔博士稱(chēng)，固 - 固界面阻抗問(wèn)題是固態(tài)電池三大問(wèn)題之首，也是最難解決的問(wèn)題。

鋰金屬負(fù)極與固態(tài)電解質(zhì)接觸面微觀下無(wú)法“嚴(yán)絲合縫”，產(chǎn)生空隙，會(huì)造成電學(xué)和機(jī)械兩類(lèi)災(zāi)害。電學(xué)災(zāi)害是離子通道阻斷，電芯內(nèi)阻上升，極化增大，引發(fā)非均勻電流與局部熱點(diǎn)；機(jī)械災(zāi)害是鋰金屬負(fù)極在充放電過(guò)程中體積收縮與膨脹，造成鋰枝晶生長(zhǎng)，刺穿電解質(zhì)誘發(fā)電池短路失效。

此次論文提出的解決辦法，特別是DAI將“靜態(tài)膜”變成“動(dòng)態(tài)體”，在電解質(zhì)中引入碘離子，在電場(chǎng)作用下移動(dòng)至電極界面，形成富碘界面，主動(dòng)吸引鋰離子，填充縫隙和孔洞，原位生成柔順且具功能性的碘化鋰富集層。

此前行業(yè)通行做法，如豐田的“外部加壓”模式，雖能降低阻抗和枝晶生長(zhǎng)速率，但會(huì)增加電池體積和重量，難以商業(yè)化，豐田后來(lái)與出光興產(chǎn)合作才宣布找到解決之道。美國(guó)馬里蘭大學(xué)提出的“還原性親電體(REs)策略”，利用二氟磷酰氟原位生成超薄SREI界面層，但界面層穩(wěn)定性需長(zhǎng)期循環(huán)驗(yàn)證，規(guī)模化制備工藝復(fù)雜。而黃學(xué)杰團(tuán)隊(duì)辦法另辟蹊徑，制造簡(jiǎn)單、用料省、電池更耐用，美國(guó)固態(tài)電池專(zhuān)家王春生評(píng)價(jià)其解決了制約全固態(tài)電池商業(yè)化的關(guān)鍵瓶頸問(wèn)題。

動(dòng)態(tài)自適應(yīng)界面DAI實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的電化學(xué)循環(huán)性能

換一種電解質(zhì)，再“烤一下”

除解決固 - 固界面問(wèn)題，中國(guó)研發(fā)團(tuán)隊(duì)還從固態(tài)電解質(zhì)材料下手。9月28日消息，清華大學(xué)化工系張強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出新型含氟聚醚基聚合物電解質(zhì)（PTF - PE - SPE）。

采用該新型材料的無(wú)負(fù)極軟包電池，配合高負(fù)載的LRMO正極、貧電解液設(shè)計(jì)以及無(wú)負(fù)極結(jié)構(gòu)，能使固態(tài)電池實(shí)現(xiàn)高達(dá)604Wh/kg的重量能量密度和1027Wh/L的體積能量密度，幾乎是當(dāng)今最強(qiáng)液態(tài)電解質(zhì)鋰電池能量密度的兩倍。LRMO是高理論比容量正極材料，但晶格氧氧化不可逆，清華大學(xué)研究通過(guò)穩(wěn)定陰離子氧化還原過(guò)程打破其衰減鏈條，阻止氧氣生成。

研究人員采用“原位聚合”技術(shù)，將液態(tài)單體前驅(qū)液注入電池內(nèi)部，加熱引發(fā)聚合反應(yīng)，在電極表面直接形成固態(tài)電解質(zhì)，消除傳統(tǒng)固態(tài)電解質(zhì)孔隙和高界面阻抗問(wèn)題。

這款電池壽命和安全性表現(xiàn)良好。采用FPE - PE - SPE的電池在0.5C倍率下循環(huán)500次后，容量保持率仍有72.1%，而使用傳統(tǒng)PE - SPE電解質(zhì)的電池循環(huán)50次后容量就衰減至80%。針刺測(cè)試中，滿(mǎn)電的FPE - SPE軟包電池對(duì)內(nèi)部短路耐受性超強(qiáng)。

中科院金屬研究所團(tuán)隊(duì)也采用類(lèi)似“原位聚合”做法，從“分子尺度”設(shè)計(jì)“全能型”聚合物材料，解決固態(tài)電池界面阻抗和離子傳輸效率問(wèn)題。具體是在聚合物電解質(zhì)主鏈安裝“乙氧鏈”和“短硫鏈”，電池組裝前注入低黏度前驅(qū)體溶液，80℃加熱幾小時(shí)，使界面貼合度從“點(diǎn)接觸”升級(jí)成“面接觸”，實(shí)現(xiàn)電極和電解質(zhì)“分子級(jí)融合”。用其做的一體化柔性電池反復(fù)彎折20000次后性能幾乎沒(méi)下降，復(fù)合正極能量密度提升86%。這項(xiàng)研究為固態(tài)電池界面設(shè)計(jì)提供“分子級(jí)界面一體化”新概念和新思路。

面對(duì)中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)和各大電池企業(yè)壓力，豐田不斷宣布量產(chǎn)時(shí)間，將配備全固態(tài)電池的電動(dòng)汽車(chē)推向市場(chǎng)目標(biāo)時(shí)間定在2027 - 2028年。2024年11月，豐田官網(wǎng)宣布高性能電池和固態(tài)電池獲日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省認(rèn)定，計(jì)劃2026年開(kāi)始量產(chǎn)。今年4月15日，豐田與出光興產(chǎn)合作突破全固態(tài)電池量產(chǎn)技術(shù)瓶頸，搭載車(chē)型最快2027年上市。4月20日，豐田與松下控股深化固態(tài)電池研發(fā)合作，投資5000億日元建設(shè)10GWh產(chǎn)能電池工廠，預(yù)計(jì)2026年試生產(chǎn)，2027年正式量產(chǎn)。

雖然豐田不斷確認(rèn)2027年量產(chǎn)時(shí)間，但能否實(shí)現(xiàn)存疑。從設(shè)備和材料端看，硫化物全固態(tài)電池需要全新設(shè)備，小規(guī)模量產(chǎn)時(shí)硫化物成本比氧化物高很多。目前硫化物材料市場(chǎng)價(jià)格是5000萬(wàn)元/噸左右（國(guó)產(chǎn)已降至1200萬(wàn)元/噸），氧化物已降至50萬(wàn)/噸以?xún)?nèi)，僅為硫化物的1%。

作者一直認(rèn)為，全固態(tài)電池大概率在行業(yè)半固態(tài)電池達(dá)到技術(shù)和成本平衡后止步，至少在汽車(chē)領(lǐng)域，全固態(tài)電池只會(huì)用于高端應(yīng)用，不會(huì)成為主流。伍德麥肯茲分析師馬克斯·里德也認(rèn)為半固態(tài)電池將取代全固態(tài)電池。

固態(tài)電池雖不斷有新技術(shù)突破，但界面問(wèn)題、成本問(wèn)題、制造問(wèn)題的解決遠(yuǎn)未達(dá)到工程化成熟地步，全球范圍內(nèi)的全固態(tài)電池技術(shù)競(jìng)賽才剛剛開(kāi)場(chǎng)。

本文來(lái)自微信公眾號(hào)“C次元”，作者：王小西，責(zé)編：北岸，編輯：王越，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

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