2020年11月，國務院辦公廳印發(fā)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035）》，提出加快固態(tài)動力電池技術研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化是“新能源汽車核心技術攻關工程”，這充分表明：固態(tài)動力電池技術研發(fā)已經(jīng)上升為國家戰(zhàn)略。因此，加快推進固態(tài)鋰電池研發(fā)已刻不容緩。鑒于固態(tài)聚合物電解質在柔韌性和可加工性等方面的優(yōu)勢，聚合物固態(tài)鋰電池是實現(xiàn)高安全、高比能固態(tài)鋰電池的可靠方案。然而，聚合物固態(tài)鋰電池依然存在高電壓界面相容性差、固/固多重界面載流子傳輸困難、長循環(huán)過程中固/固界面接觸失效等問題。因此如何進一步保證固態(tài)聚合物鋰電池中固/固多重界面相容性穩(wěn)定性以及提升動力學傳輸能力已經(jīng)成為橫亙在固態(tài)聚合物鋰電池從實驗室基礎研究到工程化應用之間不得不逾越的一條鴻溝。
青島能源所固態(tài)能源系統(tǒng)技術中心深耕“剛柔并濟”聚合物電解質關鍵材料10余載，已經(jīng)形成了特色電解質材料體系和規(guī)模化制造技術。針對上述瓶頸問題，提出并發(fā)展了原位固態(tài)化界面融合技術，構筑電極/電解質一體化緊密結構，有效提升了固態(tài)聚合物鋰電池界面相容性和循環(huán)穩(wěn)定性。
“羅馬不是一天建成的”。固態(tài)能源系統(tǒng)技術中心從2010年開始布局固態(tài)電池原位固態(tài)化技術。2016年，該技術中心借鑒固態(tài)電解質界面（SEI）思路，將碳酸亞乙烯酯原位固態(tài)化構筑了聚碳酸亞乙烯酯一體化固態(tài)聚合物鋰電池，顯著提升了界面相容性和循環(huán)穩(wěn)定性（Adv. Sci., 2017, 4, 1600377；ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10, 13588-13597；ZL201610208379.4；ZL201610208378.X）。2017年，為進一步提升電解質的電化學穩(wěn)定性，該技術中心又利用原位固態(tài)化技術開發(fā)出可用于5 V鋰電池的電解質體系（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9, 41462）。為解決自由基原位固態(tài)化中液態(tài)小分子帶來安全問題，該中心發(fā)展了基于低溫共熔體原位固態(tài)化構建固態(tài)聚合物電解質（PDES-CPE）的新方案。由于前驅體采用的是固體小分子，從很大程度上抑制了殘留液體單體可能發(fā)生的副反應對鋰電池的不利影響（Chem. Mater., 2020, 32, 9167-9175；Small, 2020, 1907163；CN201910479254.9）。
基于傳統(tǒng)自由基原位固態(tài)化構建的固態(tài)聚合物電解質普遍會引入偶氮二異丁腈（AIBN）等引發(fā)劑，其與負極兼容性差（尤其是鋰金屬），會惡化電池性能。為有效避免額外引發(fā)劑引入帶來雜質等問題，固態(tài)能源系統(tǒng)技術中心將鋰鹽作為前聚體聚合的引發(fā)劑，開展了系列化工作。首先將聚乙二醇二縮水甘油醚作為聚合前聚體，將LiTFSI作為主鹽，LiODFB作為聚乙二醇二縮水甘油醚陽離子開環(huán)聚合的引發(fā)劑，原位聚合得到了固態(tài)聚合物電解質（Adv. Sci., 2017, 4, 1700174）。該中心又通過LiODFB（既做主鹽又做引發(fā)劑），引發(fā)三聚甲醛/丁二腈低溫共熔體聚合制備出具有超分子結構的新型室溫固態(tài)聚合物電解質，實現(xiàn)了4.3 V LiCoO2/鋰金屬電池的室溫穩(wěn)定運行（Adv. Sci., 2020, 7, 2003370；J. Electrochem. Soc., 2020, 167, 070527；PCT/CN2020/074805；CN201911357076.9）。
圖1. 原位固態(tài)化界面融合技術解決固態(tài)電池固/固界面問題
利器添翼、良工謀事。基于上述研究基礎和技術積累，固態(tài)能源系統(tǒng)技術中心成功研制出高安全、高比能固態(tài)鋰離子電池；同時該技術入選了2020“全球新能源汽車前沿技術”；承擔的國家重點研發(fā)計劃新能源汽車專項---高比能固態(tài)鋰電池技術項目以優(yōu)秀的成績順利通過了項目中期考核。截至目前，固態(tài)能源系統(tǒng)技術中心在固態(tài)鋰電池相關成果與技術方面已申請PCT專利6項，申請國家專利97項，授權68項，形成了具有完全自主知識產(chǎn)權的原位固態(tài)化界面融合核心技術的技術包。另外，根據(jù)中國科學院文獻情報中心對“聚合物固態(tài)電池”這一主題的檢索和全面分析，自2016年1月1日至2020年2月14日，崔光磊研究員以59篇發(fā)文量排名全球榜首。這必將極大提升我國在聚合物固態(tài)電池關鍵材料和核心技術領域的國際話語權和國際影響力。
原位固態(tài)化界面融合技術與現(xiàn)有商品液態(tài)鋰離子電池生產(chǎn)工藝十分契合，所以該技術已經(jīng)得到行業(yè)的高度認可，現(xiàn)已成為下一代動力電池主流技術。未來固態(tài)能源技術中心將不斷優(yōu)化和升級該技術，進一步開發(fā)和拓展在更廣泛領域應用的高安全、高比能固態(tài)鋰電池，為全球動力電池發(fā)展貢獻中國的解決方案。
?。ㄉ鲜鲅芯抗ぷ鞯玫搅藝医艹銮嗄昕茖W基金、國家重點研發(fā)計劃新能源汽車專項、中國科學院戰(zhàn)略先導A、中國科學院重點部署項目等的支持與資助）
