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乐鱼kb体育张希教授团队在全固态电池固-固界面研究方面取得重要进展

近日,乐鱼kb体育机械与动力工程学院智能汽车研究所张希教授团队在国际期刊Electrochemical Energy Reviews(IF 31.30)上发表题为“Li–solid electrolyte interfaces/interphases in all-solid-state Li batteries”的封面文章,详细报告了国际全固态电池固-固界面研究现状与核心问题,以及团队在该方向上取得的重要进展。智能汽车研究所贾理男博士和化学化工学院朱金辉博士为论文共同第一作者,张希教授为通讯作者。

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现有的新能源汽车动力电池(磷酸铁锂电池和三元锂电池)采用有机电解液,能量密度已达到理论上限,无法满足里程提升需求,且存在起火爆炸等重大安全隐患。全固态电池以固态电解质取代现有锂电池中的有机电解液和隔膜,可从根本上解决锂电池安全问题,同时采用超薄固态电解质,并匹配高比容量电极材料,可使搭载该电池的电动汽车续航里程超过1200公里。日本、韩国、美国和欧盟等相继提出2030年前突破全固态电池量产技术,实现对我国动力电池技术和产业优势的换道超车。因此,加快推进我国对全固态电池的核心技术突破及规模应用,抢占全球新能源产业先机,建立我国全固态电池技术和产业“护城河”,已经刻不容缓。 

然而,全固态电池中负极/固态电解质的固-固界面存在物理接触不良(阻抗偏大)、副反应和锂枝晶形成等技术难题,极大制约了全固态电池产品研发和产业化进程。张希教授团队针对以上问题,提出了一系列适用于包括硫化物、氧化物、聚合物和卤化物四种全固态电池体系负极界面稳定性改善策略,具体包括三个方面。一是多层固态电解质:提出设计合理的多层固态电解质结构,以同时承受负极界面的还原反应和正极界面的氧化反应。这种垂直异质结构设计为全固态电池界面工程研究提供了可靠的参考。二是嵌入SEI中间层:在锂负极与固态电解质之间嵌入SEI中间层被证明是一种改善负极界面性能的有效策略。为应对高电流密度下电池实际容量问题,团队提出采用具有优异离子和电子输运性能的三维多孔支架材料。三是高容量锂合金负极:相比于金属锂负极,锂合金负极在固态电解质中的稳定性更高,体积变化效应也更容易解决,团队提出将Li-Si合金作为全固态电池负极的有效候选者。

通过长期的技术积累与实践创新,团队在硫化物全固态电池研究领域取得了显著进展,通过锂金属负极的改性工程、固态电解质体系的优化设计以及正极活性物质的包覆工艺探索,取得了达到国际领先水平的成果:硫化物固态电解质的离子电导率超过17mS·cm-1;全固态电池的充放电循环寿命超过5000次,容量保持率超过80%,面容量达25 mAh·cm-2;全固态电池能量密度已超过400Wh/kg,为磷酸铁锂电池的两倍多。

此外,为推动科技成果转化,张希教授团队在前期全固态电池基础研究形成重要突破的基础上,成立了上海屹锂新能源科技有限公司,并成功入选专精特新企业,致力于高安全、高能量密度全固态电池及核心材料的产品研发与规模生产。企业获得世界自然基金会“气候创行者”荣誉称号,研发的高安全硫化物全固态软包电芯产品,入选“上海十大绿色低碳创新技术产品”,已与数家知名整车企业形成了全方位战略合作。目前已申请知识产权超百项,其中发明专利80余项,PCT国际专利4项,并通过了我国首个硫化物全固态电池ISO9001产品质量体系认证,同时由中国电子学会支持牵头起草发布了我国首个硫化物全固态电池团体标准。

张希教授团队的研究成果为全固态电池的固-固界面优化提供了新的思路,并已在全固态电池的实际产品开发中发挥了关键作用。当前,业界已公认全固态电池的规模化应用将极大助力我国双碳目标的实现,带来经济和社会效益,同时可加速我国能源结构转型,推动新质生产力发展,为能源安全和可持续发展提供科技支撑,进一步增强我国在全球新能源领域的竞争力。

论文链接:https://link.springer.com/article/10.1007/s41918-024-00212-1

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