2023年5月起，“學(xué)習(xí)強國”學(xué)習(xí)平臺與中國科學(xué)報社聯(lián)合發(fā)起“科學(xué)家回信”活動，邀請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、留言。活動啟動后，“學(xué)習(xí)強國”“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，請中國科學(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：新能源汽車動力電池的關(guān)鍵材料是正負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，近年來通過不斷提高三元材料中的鎳含量來提升能量密度。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現(xiàn)性能上的突破并逐步開始產(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)合多級結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)已成功應(yīng)用于固態(tài)電池，實現(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。

負極材料方面，高容量納米硅碳負極材料通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和表面包覆，例如形成“元宵”結(jié)構(gòu)、“魚皮花生”結(jié)構(gòu)、“核桃”結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)硅碳負極各向同性超低膨脹、超長壽命、高倍率的突破效果，能夠滿足實際應(yīng)用需求。當(dāng)前市場上第三代納米硅碳負極達到2000毫安時每克，該材料由我國自主研發(fā)，達到國際領(lǐng)先水平。

正負極材料作為電池中存儲能量的材料，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極的電池能量密度可以達到170瓦時每公斤，作為動力電池能支持新能源汽車?yán)m(xù)航超過400公里，而采用更高容量的高鎳正極和硅碳負極的鋰離子電池能量密度可以超過300瓦時每公斤，支持續(xù)航超過700公里。

能量密度提升帶來的顯著問題是電池安全問題，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。如中國科學(xué)院物理研究所團隊開發(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，使能量密度達到360瓦時每公斤的單體電池可以通過嚴(yán)苛的安全性測試，其優(yōu)點在于不發(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1000公里。同時，該技術(shù)也已批量用于無人機電池，使得續(xù)航能力提升20%，壽命延長1倍。

總體來看，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，正極材料會由目前的三元材料向高鎳三元材料、富鋰材料過渡，直至滿足固態(tài)電池需求的高比容量新型正極材料；負極材料會從石墨負極，過渡到硅碳負極，最后到金屬鋰負極；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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