2020年11月，國務(wù)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(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化是“新能源汽車核心技術(shù)攻關(guān)工程”，這充分表明：固態(tài)動力電池技術(shù)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(zhì)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(chǔ)研究到工程化應(yīng)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(shù)中心深耕“剛?cè)岵本酆衔镫娊赓|(zhì)關(guān)鍵材料10余載，已經(jīng)形成了特色電解質(zhì)材料體系和規(guī)?；圃旒夹g(shù)。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(shù)，構(gòu)筑電極/電解質(zhì)一體化緊密結(jié)構(gòu)，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(shù)中心從2010年開始布局固態(tài)電池原位固態(tài)化技術(shù)。2016年，該技術(shù)中心借鑒固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）思路，將碳酸亞乙烯酯原位固態(tài)化構(gòu)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(zhì)的電化學穩(wěn)定性，該技術(shù)中心又利用原位固態(tài)化技術(shù)開發(fā)出可用于5 V鋰電池的電解質(zhì)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(gòu)建固態(tài)聚合物電解質(zhì)（PDES-CPE）的新方案。由于前驅(qū)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(yīng)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(gòu)建的固態(tài)聚合物電解質(zhì)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(zhì)等問題，固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)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(zhì)（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(jié)構(gòu)的新型室溫固態(tài)聚合物電解質(zhì)，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(shù)解決固態(tài)電池固/固界面問題
利器添翼、良工謀事?；谏鲜鲅芯炕A(chǔ)和技術(shù)積累，固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)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(shù)入選了2020“全球新能源汽車前沿技術(shù)”；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(shù)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(shù)中心在固態(tài)鋰電池相關(guān)成果與技術(shù)方面已申請PCT專利6項，申請國家專利97項，授權(quán)68項，形成了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的原位固態(tài)化界面融合核心技術(shù)的技術(shù)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(guān)鍵材料和核心技術(shù)領(lǐng)域的國際話語權(quán)和國際影響力。
原位固態(tài)化界面融合技術(shù)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(shù)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(shù)。未來固態(tài)能源技術(shù)中心將不斷優(yōu)化和升級該技術(shù)，進一步開發(fā)和拓展在更廣泛領(lǐng)域應(yīng)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。
（上述研究工作得到了國家杰出青年科學基金、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）
