加拿大国家工程院院士张久俊：全固态电池十年内商业化能成功_能见度
作为未来动力电池最难的技术路线之一，宝马、大众、丰田等车企一直在关注全固态电池何时能成功商业化量产。
5月13日在江西新余举行的2023中国(新余)锂电池新能源材料科技大会上，加拿大国家工程院院士、加拿大皇家科学院院士张九军对该报表示，“未来五年内全球全固态电池商业化可能有些困难，但十年内商业化量产没有问题。”
张九军院士在大会上发表了演讲，论文由本报记者森宁拍摄。
张九军在本次大会上所作的《高能固态锂电池及复合电解质的发现、现状、挑战与展望》报告中指出，发展固态电池是提高电池能量密度和安全性的有效策略。
一般认为，固态锂电池是一种具有固体电极和固体电解质的锂离子电池，不使用有机电解质和塑料聚合物隔膜。在未来，锂金属可以取代石墨和硅作为电池负极的原料。
在张九军看来，目前，传统主流液态锂离子电池正面临十大挑战，包括能量密度、功率密度、安全特性、循环寿命、日历寿命、自放电、快充性能、温度范围、资源环境、成本。“其中，能量密度和安全性是研发中最受关注的指标，被认为是技术升级的标志。”张九军说。
固态电池的优点除了安全性能高、能量密度高(以金属锂为负极时能量密度可达500Wh/Kg)外，还包括热稳定性好(温度范围较宽)、结构紧凑、易于组装等。
事实上，近年来，许多国际主流车企和电池企业都不遗余力地支持固态电池的研发。今年早些时候，日本汽车制造商日产宣布，日产开发的全固态电池将使成本降低50%，能量密度增加一倍，充电速度比目前的液态电解质锂离子电池快三倍。日产计划2025年建立并运营全固态电池的中试生产工厂，2028年首次应用于汽车，逐步实现量产。
大众集团投资了固态电池初创公司QuantumScape，并于2021年表示，预计固态电池将于2025年投入使用。宝马集团与初创公司Solid Power合作。首款采用全固态电池的宝马原型车计划于2025年前上市，2030年前实现全固态电池的量产。
在上个月的上海国际车展上，全球动力电池领军企业当代安培科技有限公司发布了新一代浓缩电池，并宣布将于今年内量产，用于载人飞行空和新能源汽车。电池采用高性能仿生凝聚电解质、高比能量正极、新型负极和电池隔膜，能量密度达到500WH/kg。在业内，当代安培科技有限公司的浓缩电池被认为是介于液体电解质和全固体电解质电池之间的路线。
国内电池企业中，除当代安普科技有限公司外，赣锋锂业锂金属负极固态电池样品能量密度可达400Wh/Kg，通过了针刺等严格的安全测试。公司正在建设重庆最大的20GWh固态电池基地，生产半固态电池产品，并与多家车企达成合作，将在各种车型上实现装车运营。
此外，国内固态电池的积极参与者还有蔚来汽车、福能科技、陶青能源、郭萱高科、天齐锂业、汇能科技等。目前大部分产品都是含有部分液体电解质的半固态电池，大部分还在量产和装车过程中。
复合固体电解质材料可以成为一个新的方向。
在张九军看来，固态电池的发展趋势仍然是液态电解质含量的逐渐下降，最终将实现全固态电解质。
但是，可以看出，由于技术和成本的限制，固态电池的大规模生产仍然存在挑战。张九军指出，固态电池的挑战一般是离子电导率低、电极/电解质界面接触以及一些材料的成本相对较高。
它的大规模发展要求电解质材料具有高的离子电导率、高的离子迁移率、宽的电化学窗口、高的机械强度、良好的热稳定性以及与电极的良好接触。
据介绍，目前国际上固体电解质材料主要有三条路线。例如，固体动力和SEE选择聚合物固体电解质路线，而松下、本田、丰田、三星、宝马和当代Amperex技术有限公司选择硫化物固体电解质路线，QuantumScape、赣锋锂业、陶青能源、大众和LG新能源选择氧化物电解质路线。
但张九军认为，目前单组份固体电解质的性能参数似乎各有利弊，难以满足电池的性能要求。比如“聚合物固体电解质的缺点是离子电导率低，氧化电压低；氧化物固体电解质的主要缺点是界面接触不良；硫化物固体电解质的主要缺点是易氧化，对水蒸气敏感。”张九军说。
基于此，张九军提出使用复合固态电解质将是解决固态电池缺点的有效方案。具体来说，四种主要类型的复合固态电解质包括无机填充复合固态电解质、二维层状复合固态电解质、三位连续复合固态电解质和开放骨架机制复合固态电解质。
以填充零维无机粒子的复合固体电解质为例。该复合固体电解质可以通过在聚合物中填充零维粒子非极性材料来形成。与单相固体电解质材料相比，复合固体电解质的室温离子电导率提高了几十到几百倍。
张九军院士在大会上发表了演讲，论文由本报记者森宁拍摄。
张九军告诉本报记者，“无机粒子填充的复合固体电解质可能是目前发展最快、成本最低的。”
尽管固态电池的商业化前景在业内仍充满争议，但张九军表达了他对固态电池前景的乐观态度。“进一步发展固态锂电池是实现电动汽车电池高安全性、长循环寿命和高能量密度目标的必要策略。提高能量密度、功率密度、寿命和安全性仍是固态电池发展的研究重点，探索低成本高性能电极和固体电解质材料是关键因素。”张九军说。
责任编辑：康逸梅校对：张亮亮