全固态锂电池的研究和应用

2015年6月3日，由国家能源局指导，中关村储能产业技术联盟（CNESA）与杜塞尔多夫展览（上海）有限公司共同主办的“储能国际峰会2015”在北京召开。在储能技术分论坛上，中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员许晓雄发表主题演讲，以下为演讲内容。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员许晓雄：

我们研究所主要做锂电池细分行业中的全固态锂电池。

所有的化学能源都会涉及到安全问题，对于锂离子电池来说，安全问题也至关重要。全固态锂电池的材料比较安全，另外本质性的反应比较少，因此使用寿命有望做到比普通锂离子电池长很多。

我们研究所在解决锂电池安全方面做了很多工作，比如对锂离子电池进行电解液添加和隔膜表面涂层研究，但这些都是在从局部解决安全问题。在化学储能领域从根本上解决安全问题，全固态器件是比较好的研究方向。美国已经做出相关规划，要在全固态聚合物上进行大量研发投入；日本根据2014年修订的计划，对固态电池进行了重新阐述，同时也进行了更大力度的投入，其原因是现阶段一些日本企业的研究成果得到了进一步推进。

固态电池就是用固态电解液材料替换液态电解液，实现二次电池化学储能。从世界范围来看，现在固态电池领域发展比较快也比较好的是日本，尤其是丰田汽车。根据2012年的数据，他们的电池单体容量实现了比较好的循环次数；2014年，他们对外报道是数据实现了固态电池大容量80万次的放点水平；预计2020年，他们会将这种技术应用在SUV汽车上。美国在固态电池领域也处于快速研发阶段，尤其是超高提及能量密度电池，目前这种电池主要应用于高端的3C产品，包括可穿戴产品市场中，未来这一市场容量还会逐渐增加。

我国在“八五”、“九五”期间已经开始了固态电池的相关研究，“十二五”期间科技部“863项目组”启动了对这项研究的支持。

固态电池随着温度升高，电导率也会提升。三星基于日本技术，利用手机大屏幕的发热效应提升固态电池的性能，温度越高性能就越好。在技术层面，欧洲做的相对成熟，截止到2014年，已经有超过3000辆聚合物能源车在路上跑，他们的电池正极用磷酸铁锂。现阶段来说，这些都是基于固态电池规模化应用比较成功的案例。

目前，真正具有应用价值的固体电池材料有硫化物体系、无机材料、基于离子液体的有机材料、PUG材料。2011年后，我们研究所开发出一种超过现有锂离子电池的电解质材料应用在固态电池中后，发现正极材料的性能很难发挥出来，主要是电阻非常高，需要进行界面优化。负极方面，我们希望把金属作为基础材料来提高电池能量密度，同时提高加工性能。

我们通过研究发现，结合循环和电导率因素，离子电导率对电子能量密度的影响比较显著。

宁波材料技术与工程研究所从2011年开始，基于固态电池做了几方面研究：第一是电解质材料研究，先是做了氧化类的电解质材料，其优点是在空气中比较稳定，然后基于高体积密度材料发展了氧化物类材料体系，提高电导率；第二，发展了硫化物材料，做出了适合应用重量、能量密度比较高的固态电池。第三，基于氧化物研发空气电池，我们已经制备出了密度比较高、非常薄的电池，而且可以做成不同的尺寸和形状。

我们研发的大容量全固态锂电池，在60℃下可以循环200次，保持96%的循环深度，稳定性比较优越。我们在90℃进行充放电，电池温度升高的同时能量也在增加，验证了全固态锂电池的特性——温度升高会导致电解质材料导电性提高。

目前我们已经为这项技术申请了20项专利。基于氧化物的全固态电池优势是密度很高，而且可以做成不同的尺寸。目前，国内已经有几家大型企业开始投入相关研发。感谢大家聆听。