中科院物理研究所禹習(xí)謙：我國(guó)當(dāng)前第三代納米硅碳負(fù)極達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平

2023年5月起，“學(xué)習(xí)強(qiáng)國(guó)”學(xué)習(xí)平臺(tái)與中國(guó)科學(xué)報(bào)社聯(lián)合發(fā)起“科學(xué)家回信”活動(dòng)，邀請(qǐng)廣大讀者向自己心中向往尊敬的科學(xué)家、科技工作者提問(wèn)、留言?；顒?dòng)啟動(dòng)后，“學(xué)習(xí)強(qiáng)國(guó)”“科學(xué)網(wǎng)App”收到了讀者的踴躍留言。我們精選了讀者彭家彪的提問(wèn)，請(qǐng)中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員、博士生導(dǎo)師禹習(xí)謙發(fā)出第五十七期回信。

讀者彭家彪：新能源電池技術(shù)材料有什么突破嗎？

禹習(xí)謙：新能源汽車動(dòng)力電池的關(guān)鍵材料是正負(fù)極活性材料和電解質(zhì)材料。關(guān)鍵材料的技術(shù)創(chuàng)新是實(shí)現(xiàn)固液混合電池直至全固態(tài)電池的基礎(chǔ)。

正極材料方面，正極材料采用高鎳三元材料和磷酸鐵鋰材料，近年來(lái)通過(guò)不斷提高三元材料中的鎳含量來(lái)提升能量密度。此外，高電壓正極材料、富鋰錳基、超高鎳三元等正極材料也均實(shí)現(xiàn)性能上的突破并逐步開(kāi)始產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

目前，超薄固態(tài)電解質(zhì)包覆高容量正極材料并結(jié)合多級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)已成功應(yīng)用于固態(tài)電池，實(shí)現(xiàn)了降低界面電阻、阻止氧氣釋放以及穩(wěn)定體相結(jié)構(gòu)等效果。

負(fù)極材料方面，高容量納米硅碳負(fù)極材料通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和表面包覆，例如形成“元宵”結(jié)構(gòu)、“魚(yú)皮花生”結(jié)構(gòu)、“核桃”結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)硅碳負(fù)極各向同性超低膨脹、超長(zhǎng)壽命、高倍率的突破效果，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用需求。當(dāng)前市場(chǎng)上第三代納米硅碳負(fù)極達(dá)到2000毫安時(shí)每克，該材料由我國(guó)自主研發(fā)，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

正負(fù)極材料作為電池中存儲(chǔ)能量的材料，其容量的提升可以使得電池能量密度得到顯著提升。比如，采用磷酸鐵鋰正極和石墨負(fù)極的電池能量密度可以達(dá)到170瓦時(shí)每公斤，作為動(dòng)力電池能支持新能源汽車?yán)m(xù)航超過(guò)400公里，而采用更高容量的高鎳正極和硅碳負(fù)極的鋰離子電池能量密度可以超過(guò)300瓦時(shí)每公斤，支持續(xù)航超過(guò)700公里。

能量密度提升帶來(lái)的顯著問(wèn)題是電池安全問(wèn)題，使用化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)代替鋰離子電池中易燃的液態(tài)電解液，是解決高能量密度電池安全性問(wèn)題的關(guān)鍵。目前正在研發(fā)的固態(tài)電解質(zhì)材料有聚合物、氧化物、硫化物和聚合物/氧化物復(fù)合等類型。其中復(fù)合型固態(tài)電解質(zhì)已經(jīng)取得突破。如中國(guó)科學(xué)院物理研究所團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的“原位固態(tài)化”技術(shù)，可以將電池中的液態(tài)電解液原位轉(zhuǎn)化成復(fù)合型固態(tài)電解質(zhì)。該技術(shù)目前已經(jīng)應(yīng)用到了量產(chǎn)的產(chǎn)品中，使能量密度達(dá)到360瓦時(shí)每公斤的單體電池可以通過(guò)嚴(yán)苛的安全性測(cè)試，其優(yōu)點(diǎn)在于不發(fā)生起火情況，高能量密度也支持新能源汽車?yán)m(xù)航首次超過(guò)1000公里。同時(shí)，該技術(shù)也已批量用于無(wú)人機(jī)電池，使得續(xù)航能力提升20%，壽命延長(zhǎng)1倍。

總體來(lái)看，固態(tài)電池的關(guān)鍵材料需要不斷發(fā)展以滿足性能需求，正極材料會(huì)由目前的三元材料向高鎳三元材料、富鋰材料過(guò)渡，直至滿足固態(tài)電池需求的高比容量新型正極材料；負(fù)極材料會(huì)從石墨負(fù)極，過(guò)渡到硅碳負(fù)極，最后到金屬鋰負(fù)極；固態(tài)電解質(zhì)由固液混合電解質(zhì)、準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)最后到全固態(tài)電解質(zhì)逐步發(fā)展。

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