演讲题目：高性能硫化物基全固态电池进展——固-固面调控强化固态电池快充性能

演讲人：崔光磊研究员中国科学院青岛生物能源与过程研究所

演讲时间：2025年5月16日

报告共分为四个部分：一、团队介绍：青岛储能产业技术研究院；二、研究背景：快充高能量密度锂电池的挑战；三、研究进展：快充全固态锂电池的挑战和解决策略；四、总结与展望。

一、团队介绍：青岛储能产业技术研究院

团队致力于聚合物电解质及其与无机材料复合领域的研究与开发，已有二十余年研究经验。我们的工作地点位于青岛，许多研究项目与海洋紧密相关。在深海电源领域已研究十年，从最初的不足一度电的水平起步，至今已在菲律宾海域成功建立了一个2000度电的能源基站。2000度电相当于一个标准集装箱的电量，而目前一个标准集装箱的电量已显著提升，大约可达4至5兆瓦时。

近年来，我们持续致力于开发基于聚合物基固态电解质的高能量密度深海电池。去年在菲律宾海进行的项目主要针对水下装备智能化的紧迫需求，成功构建了一个能够提供2000度电能的系统，确保其在水下连续运行六个月以上。此外，为了促进技术的转化应用，我们成立了中科深南会泽公司。如果感兴趣欢迎前往14号馆进行参观指导。

二、研究背景：快充高能量密度锂电池的挑战

今天主要汇报硫化物与聚合物电解质的工作，因为大家都知道能量密度提升是改善电池性能、装备智能化一个必要的条件，所以我们一直在围绕高能量密度这个方向做一些新概念的探索，一直在孵化新技术。另外我们做高功率快充电池，解决目前电池充电焦虑的问题。目前固态电池技术百花齐放，有氧化物、聚合物、硫化物，我们的工作集中在硫化物复合电解质技术路线。

为什么选硫化物？一方面大家有自己的产品定位，另一方面是紧跟日本丰田技术。日本主要在做一个比较简单的体系，做石墨或硬碳配中镍的体系，解决快充问题。固态电池快充的挑战非常大，一方面有传统快充带来的安全问题，另一方面由于体积变化带来的接触失效问题。我们在硫化物快充方面的思路是研制一款具有可缓冲体积膨胀的聚合物与硫化物复合电解质、正极和负极开发均质化的体系。什么叫均质化？让正极材料和负极材料有很好的离子和电子传输，这样避免加电子导电剂和离子导电剂引发的异相反应的问题，围绕这个思路我们做了很多工作。

三、研究进展：快充全固态锂电池的挑战和解决策略

无论哪一个体系都很难满足大容量电池对固态电解质苛刻的要求，所以我们采用复合体系。如把氧化物、硫化物、聚合物，当然我这里还没有包括卤化物，所有的材料复合在一起，基本能满足大容量电池对电解质的苛刻要求。在这样的思路指导下，电解质方面目前主要做硫化物与聚合物复合的体系，界面主要用氧化物，像磷酸锆锂这种磷酸系的离子传输材料安全性很高。我们2015年开始做复合体系，从第一篇文章发表到目前已经有10年，最新开发出一款耐高电压硫化物聚合物电解质，可耐5V电压，这个工作还没有发表。

对于快充来讲，核心的问题是要解决跨离子、跨界面的输电问题，这个涉及到材料体系，通过单晶化或掺杂提高扩散系数。尽量把单晶颗粒做2μm左右的颗粒储存控制，缩小扩散路径，提高电池的混合传导能力。对电解质来讲要提高离子电导，对于界面来讲开发兼容的固-固界面，让固-固界面在多尺度电化力的影响下不容易性能衰减和破坏。

在这个思路下，锂磷硫氯体系通过加入少量的三价锂离子形成异质纳米畴结构，像玻璃相的体系，可以把离子电导率提升到10-3数量级，高熵的引入实现离子导电率的提升。

对于正极材料来讲，需要颗粒的单晶化、有序化界面处理，把富锂锰基的材料体系从70mAh/g的容量提高到200mAh/g，这是一个很有挑战性的工作，我们的材料体系得到比较好的性能。

对于正极界面问题，大家知道正极跟电解质界面有很复杂的空间电荷层问题，固-固界面的一些问题，尝试引入像碳酸钡、磷酸锆锂、磷酸胍等新体系功能性的界面。关于均质化正极的工作，锂钛磷硫体系进行多元素掺杂，来提高混合电导能力，正极材料对高镍三元来讲在1C下，提高21mAh/g的比容量，0.1C下，提高14mAh/g的比容量。均质化正极通过硒的掺杂提高电子电导，通过锗的掺杂提高离子电导，这样在整个充放电过程中，电子电导和离子电导都能满足全固态电池对正极材料的需求，减少了离子添加剂、电子添加剂的使用，提高倍率的同时提高能量密度。虽然这个体系的电化学窗口较低，但是与硫化物电解质有完美的能级匹配，具有非常好的长循环性能。

关于高电压硫化物电解质方面，传统的锂磷硫四面体结构存在的最大问题是在充电过程中脱锂不均匀，二价的硫离子氧化度不均一，这样很容易聚合成高阻向，造成材料的性能衰减，这种高电压尤其像过渡金属氧化物，形成副反应，而且这个反应极度不可逆。锂磷硫氯的热失控初始温度在170℃左右，虽然热稳定性比液态好，但并未达到预期期望。采用以锗为中心的材料体系，有较好的耐高电压的能力，这是非常好的材料体系。该材料体系可匹配5V的锂镍锰氧的材料体系，通常锂磷硫氯和锂镍锰氧性能削减较快、很不稳定，但我们的材料体系与5V材料体系很好地匹配，初始放热温度可提高到223℃，安全性有很大提升。

在这样思路下开发负极材料体系，传统负极加入电子导电剂、离子导电剂、负极材料，我们希望把三项改成两项，或以均相的体系使整个负极材料可离子导电、电子导电、具有较高容量，按照这个思路我们进行开发工作，可以消除多尺度界面带来的载流体传输困难，避免材料体积膨胀造成体积衰减的问题。

锂金属电池最大的问题是极限电流面阻为1mA/cm2，难以做快充，功率过高易产生枝晶，如锂银合金，电流变大会产生枝晶，合金负极经过多元处理，把电子和离子导电性与力学强度很好地融合在一起，这样就可以做成一个像集流体一样的负极，有很好的机械性和加工性，与钴酸锂匹配的电池达到4C倍率，600圈寿命。通过调控211晶面达到离子迁移势能低，晶界上有无序项，提供好的力学性，并可以消解晶面传输。

四、总结和展望

在制备硫化物电解质的过程中，主要面临的挑战是所有与硫化氢相关的材料均被归类为甲类物质，如硫化锂，尽管锂磷硫氯这个新物质尚未被正式认定为甲类，但其处理过程极为繁琐。此外，该材料体系的维护需要极为严格的操作条件。鉴于对干燥间条件的严苛要求，我们在制备过程中尽可能采用干法和准干法技术，以减少溶剂的使用，避免水分干扰。我们致力于将锂磷硫氯前驱体与三嵌段高分子材料相结合，制备出厚度较大、长度较长、面积较大的膜材料。三嵌段高分子材料不仅能够增加粘稠度，形成高固含量的稳定体系，还因其特定的相互作用，实现强成膜粘结力。

我们做了干法锂硫电池正极和一款锂硫电池，锂硫电池的能量密度达到480Wh/kg，有几百圈的循环性能。此外，该材料体系高电压性能较好，可做成双电极结构，有希望解决锂硫电池的体积能量密度低的问题，如果这个体系能实现，在充电宝方面有一定应用前景。

我们目前制备出的几十安时的电池能量密度可达360Wh/kg，甚至达到400 Wh/kg，但相应的循环性能会差一些。控制在360Wh/kg会有一个好的综合性能。特殊的高分子材料可防止热失控，在高温下聚合来切断离子传输。此外，通过万米苛刻压力舱测试，在加压泄压过程中，可耐200多次充放电循环，综合性能非常优异。

接下来，硫化物电池领域需着力解决硫化物电解质的装备问题，这要求与材料间的协同。我们期待各方共同努力，突破硫化物电池及其材料体系的局限，解决行业的关键瓶颈问题。