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(dòng)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(huì)在江蘇常州隆重召開,，會(huì)議期間,，我們邀請(qǐng)到了業(yè)內(nèi)專家、學(xué)者,，優(yōu)秀企業(yè)家代表做客對(duì)話欄目,，進(jìn)行訪談交流。本期為您分享的是中國粉體網(wǎng)對(duì)中科院上海硅酸鹽研究所張濤研究員/博士生導(dǎo)師的專訪,。
中國粉體網(wǎng)：請(qǐng)問國內(nèi)固態(tài)電池的技術(shù)路線是否已經(jīng)確定了,？硫化物還是氧化物？各自的優(yōu)勢和缺點(diǎn)是什么,？
張濤研究員：國內(nèi)固態(tài)電池最終的路線目前還沒有確定,，但是一些固態(tài)電解質(zhì)材料的合成路線相對(duì)來說是比較明確的。比如氧化物的固態(tài)電解質(zhì),，從材料的層面講,，固相法的合成比較適合工業(yè)化的大批量的生產(chǎn),，它目前的成本和硫化物固態(tài)電解質(zhì)相比是比較低的，另外它的優(yōu)點(diǎn)還表現(xiàn)在,，具有比較好的和鋰金屬的穩(wěn)定性,，同時(shí)鋰離子導(dǎo)電率也比較適中。
另一方面,，和氧化物相比,，硫化物材料的優(yōu)勢在于離子導(dǎo)電率高，可以做到10-2S/cm,，這甚至與目前的液態(tài)電解液的導(dǎo)電率是相當(dāng)?shù)�,。但是它也有迫切需要解決的一些問題，比如：從合成的成本來說,，目前硫化物的成本可能是氧化物的10倍，另外硫化物材料對(duì)鋰金屬不是很穩(wěn)定,，同時(shí)也面臨空氣穩(wěn)定性的問題,。隨著全固態(tài)電池被廣泛關(guān)注，大量的研究也在致力于解決這方面的問題,。
氧化物材料的空氣穩(wěn)定性相對(duì)還是比較好的,，比如說石榴石結(jié)構(gòu)的LLZO、NASICON 型結(jié)構(gòu)的LATP,，特別是LATP本身的空氣穩(wěn)定性比較好,，石榴石結(jié)構(gòu)的LLZO雖然在空氣中和水發(fā)生反應(yīng)形成碳酸鋰，但是目前已有很多研究表明這個(gè)問題能夠在很大程度上得到有效的解決,。
總體而言,，使用氧化物固態(tài)電解質(zhì)的固態(tài)電池相對(duì)而言可能更快實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，而基于硫化物的全固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化可能要靠后一些,。目前氧化物固態(tài)電解質(zhì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)噸級(jí)的宏量制備與生產(chǎn),，成本上可以有比較好的控制，應(yīng)用于固態(tài)電池上,，考慮到它與負(fù)極的兼容性,，也是比較有利于走向產(chǎn)業(yè)化。
中國粉體網(wǎng)：目前限制全固態(tài)電池商業(yè)化的因素主要有哪些,？
張濤研究員：首先,，我們需要對(duì)全固態(tài)電池進(jìn)行一個(gè)定義，它應(yīng)該不含有任何液態(tài)成分,。從這個(gè)角度來說,，全固態(tài)電池面臨的困難還是比較多的，我想從兩個(gè)層面來講,，第一個(gè)是從材料的層面,，第二個(gè)是從電池的層面,。
從材料的層面講，因?yàn)檠趸锊牧系膭傂员容^強(qiáng),，盡管可以做宏量的制備和產(chǎn)業(yè)化的合成,，但是當(dāng)材料應(yīng)用于電池時(shí)，鋰離子從固態(tài)電解質(zhì)到固態(tài)活性材料之間怎么實(shí)現(xiàn)有效的傳輸,，這是需要解決的問題,；硫化物材料的楊氏模量相對(duì)是比較低的，它更容易加工成型,，使用冷壓的方法就可以加工成型,，但是硫化物從材料的角度來說，成本比較高,，宏量制備工藝要求高,，應(yīng)用于電池時(shí)，它和鋰金屬的穩(wěn)定性問題也是特別需要關(guān)注的,。
從電池的層面講,，無論是氧化物還是硫化物，目前大家關(guān)注的,、迫切需要解決的主要是固態(tài)界面的問題,，比如說當(dāng)氧化物材料和正極材料混合時(shí)，涉及到“小界面”的問題,，還有氧化物固態(tài)電解質(zhì)和鋰金屬負(fù)極或者硅基負(fù)極以及正極的“大界面”問題,。硫化物也面臨著相似的問題。從電池層面要想實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池就需要解決這個(gè)固-固界面問題,。
中國粉體網(wǎng)：請(qǐng)您簡單介紹一下固態(tài)電解質(zhì)粉體的主要生產(chǎn)流程及其工藝設(shè)備,。
張濤研究員：簡單地說，我們目前所關(guān)注的氧化物和硫化物固態(tài)電解質(zhì)材料,，都可以用固相法來合成,，也可以使用液相法來合成，從目前的實(shí)踐來看,，固相法合成更容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn),，例如氧化物固態(tài)電解質(zhì)使用固相反應(yīng)法合成，從工藝流程來說,，首先就是把各種氧化物原料進(jìn)行混合,、球磨，球磨之后再進(jìn)行高溫?zé)Y(jié),，在燒結(jié)的過程中,，這些氧化物原料就發(fā)生反應(yīng)生成所需要的晶相，比如LLZO控制它生成為立方相，因?yàn)榱⒎较嗍卿囯x子導(dǎo)電率最高的相,。隨后對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行后續(xù)的粉碎,、球磨等等，根據(jù)你的需要獲得能夠跟正極或固態(tài)電池適配的相應(yīng)粒徑的材料,。這就是固相反應(yīng)法,。液相反應(yīng)法包括很多方法，例如：溶膠凝膠法,、化學(xué)沉淀法等等,，但是目前總體還是以固相反應(yīng)法為主。
中國粉體網(wǎng)：氧化物固態(tài)電解質(zhì)的陶瓷片界面處理的新方法大致有哪些,？
張濤研究員：像剛才提到的小界面,、大界面問題，目前是學(xué)術(shù)界和相關(guān)的產(chǎn)業(yè)界非常關(guān)注的也是迫切需要解決的問題,。關(guān)于新方法,，我可以給大家匯報(bào)一些我們團(tuán)隊(duì)在這方面的研究成果，比如說針對(duì)氧化物固態(tài)電解質(zhì)和正極活性材料混合時(shí)的正極內(nèi)部小界面問題,，提出了鋰供體反應(yīng)的新技術(shù),，所謂鋰供體反應(yīng)，以LLZO為例,，它的表面很容易和空氣中的水發(fā)生反應(yīng)生成碳酸鋰這個(gè)惰性層，這樣會(huì)制約鋰離子的傳輸,，我們利用它表面生成的這個(gè)惰性層碳酸鋰,，加入四氧化三鈷進(jìn)行固相反應(yīng)，在這個(gè)固相反應(yīng)的過程中,，表面的惰性碳酸鋰就與四氧化三鈷反應(yīng)生成鈷酸鋰,，而鈷酸鋰正是鋰離子電池使用的一種活性物質(zhì)，當(dāng)使用這種表面活化的固態(tài)電解質(zhì)和鈷酸鋰這種活性物質(zhì)混合時(shí),，就實(shí)現(xiàn)了表面同質(zhì)化,，圍繞固態(tài)電解質(zhì)顆粒形成高效離子傳輸通道，加快鋰離子在正極內(nèi)部的縱向傳輸,；同時(shí),，得益于正極顆粒間界面的適配，可以實(shí)現(xiàn)鋰離子在整個(gè)正極的快速均勻擴(kuò)散,。這是我們針對(duì)小界面的一個(gè)新技術(shù),。
大界面方面，包括固態(tài)電解質(zhì)與正極,、固態(tài)電解質(zhì)與負(fù)極之間的界面，我們最近提出了一個(gè)在固態(tài)電解質(zhì)和正極之間建立一個(gè)表面配位界面的新方法，在固態(tài)電解質(zhì)與負(fù)極界面方面提出了鋰熱還原的新方法,，就是利用熔融鋰與固態(tài)電解質(zhì)之間反應(yīng)從而生成氧化鋰納米顆粒，同時(shí)在固態(tài)電解質(zhì)表面產(chǎn)生氧空位,，目的也是加快鋰離子在界面處的均勻擴(kuò)散。
以上是我們課題組的一些情況,。國內(nèi)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界現(xiàn)在也有很多優(yōu)秀的研究和開發(fā),。總的來說,，界面的改性和調(diào)控方法是多樣的,，創(chuàng)新性的研究和技術(shù)正在不斷涌現(xiàn)。
中國粉體網(wǎng)：請(qǐng)您介紹一下您在固態(tài)鋰金屬電池領(lǐng)域的研究成果及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展,。
張濤研究員：剛才介紹的是我們課題組在固態(tài)電池界面方面的一些進(jìn)展,。補(bǔ)充一下，在材料方面,，非常關(guān)注材料的穩(wěn)定性,，因?yàn)樯婕暗疆a(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，生產(chǎn)出來的材料,，第一,，我們希望是能夠精簡工藝的流程，第二,，是生產(chǎn)出來的材料能夠在空氣中保持它的穩(wěn)定性,，這也是降低成本很重要的一個(gè)方面。
比如說現(xiàn)在石榴石結(jié)構(gòu)的固態(tài)電解質(zhì),，聚焦于它在空氣中的穩(wěn)定性,，就像剛才講的鋰供體反應(yīng)，不僅解決它和正極材料之間的小界面問題,，同時(shí)也會(huì)提高它的空氣穩(wěn)定性,，目前這個(gè)粉體在空氣中穩(wěn)定地放置6個(gè)月，它的表面沒有新的惰性層生成,。最近進(jìn)一步的研究表明,，可以把這個(gè)時(shí)間提高到9個(gè)月，表面沒有生成惰性層,，比較有效地解決了石榴石型固態(tài)電解質(zhì)在空氣中的穩(wěn)定性問題,。
關(guān)于產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展方面，基于固態(tài)電解質(zhì)材料方面的研究成果,，我們和上海洗霸科技股份有限公司在去年7月份簽署了聯(lián)合共建實(shí)驗(yàn)室的協(xié)議,，在去年9月份和上海洗霸合作實(shí)現(xiàn)了成果的轉(zhuǎn)化，簽署了技術(shù)轉(zhuǎn)化的合同,。去年11月份成立了上�,？圃垂棠苄履茉纯萍加邢薰具@樣一個(gè)合資公司,，目前已經(jīng)建立了一個(gè)噸級(jí)至拾噸級(jí)的氧化物固態(tài)電解質(zhì)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)線。今年1月份第一釜的產(chǎn)品已經(jīng)做出來了,，從理化性能到電化學(xué)性能測試方面也是符合預(yù)期的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的,。
接下來，我們要進(jìn)行噸級(jí)到拾噸級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)線的優(yōu)化,，同時(shí)很重要的一點(diǎn)是,，結(jié)合目前一些客戶的送樣情況和反饋情況，把氧化物固態(tài)電解質(zhì)粉體做產(chǎn)品的定型,，這個(gè)過程可能是反復(fù)的一個(gè)過程,，需要根據(jù)客戶的要求，比如粒徑,、晶型,、穩(wěn)定性等方面配合客戶電池開發(fā)的需求，我們目前正在推進(jìn)這個(gè)過程,。
（中國粉體網(wǎng)采訪/初末,、文字整理/平安，經(jīng)張濤研究員審閱）
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