四十年固態(tài)鋰電池——回顧與展望

　　5 復合離子導體

　　1973年LIANG發(fā)現在離子導體LiI中加入一定量絕緣體Al2O3后，室溫離子電導率增加2個(gè)數量級，這一發(fā)現成為探索新的快離子導體的重要途徑之一。我們對含笫二相(DSPP)的離子導電材料作了大量的研究，通過(guò)NMR、DTA、Mossbouer譜、XRD、電化學(xué)等技術(shù)較系統研究了LiCl(DSPP)、LiSO4(γ-Al2O3)、PEO-NaSCN(γ-Al2O3)、(LiNO3-KNO3-CsNO3)共晶(γ-Al2O3)、LiIO3(γ-Al2O3)和AgI(DSPP)等復合離子導體，得出如下結論：

　　(1)LiCl(DSPP)復合離子導體室溫離子電導率隨DSPP含量的增加而增高，達最高值后(25%～35%)，進(jìn)一步增加DSPP含量，導致離子電導率下降;

　　(2)復合離子導體電導激活能降低，高溫區尤其明顯;

　　(3)復合離子導體的7Li NMR譜由寬峰和窄峰迭加而成。小峰越明顯，離子電導率增量越大。窄峰是運動(dòng)快的離子引起的，這一部分離子位于母相與第二相粒子的界面層。因此離子電導率的提高與界面層的結構和第二相粒子的粒徑等因素有直接關(guān)系。

　　固態(tài)鋰電池對固體電解質(zhì)有很多要求，在當時(shí)的短短幾年中，只能是側重于離子電導率這一方面。其它要求，如穩定性、機械強度、可加工性、對環(huán)境影響和成本等都來(lái)不及考慮。雖然如此，我們還是開(kāi)始了電池制造技術(shù)的研究和制造設備的調研?！?63”計劃中期檢查時(shí)，物理所就演示了用固態(tài)鋰電池驅動(dòng)的收錄兩用機，受到專(zhuān)家組的贊揚?？萍疾俊?63”計劃結題成果展覽中展示了用手工制作的軟包裝固態(tài)鋰電池。

　　中國科學(xué)院“六五”和“七五”的快離子導體和固態(tài)電池重點(diǎn)課題以及科技部第一個(gè)“863”計劃的固態(tài)電池重大專(zhuān)題為我國鋰離子電池研究和生產(chǎn)奠定了知識、技術(shù)、設備和人材儲備各方面的基礎。我國鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化初期正是得益于20世紀90年代的經(jīng)驗積累和由于大量采用自動(dòng)化設備生產(chǎn)電池，才使鋰離子電池的價(jià)格很快大幅降低，也才能使我國的鋰電池產(chǎn)業(yè)快速進(jìn)入世界前三名。

　　電動(dòng)汽車(chē)是國家重點(diǎn)支持的發(fā)展方向。電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵是動(dòng)力電池。自電動(dòng)汽車(chē)推廣以來(lái)，鋰離子電池燃燒爆炸的新聞一直未曾間斷，鋰離子電池的安全性已引起廣泛關(guān)注，鋰電池行業(yè)各個(gè)環(huán)節方都在不遺余力地解決電池安全問(wèn)題。導致燃燒爆炸的主要原因是鋰離子電池電解質(zhì)是可燃的有機溶液，因此，固態(tài)鋰電池有望是解決動(dòng)力鋰電池安全問(wèn)題的終極方案。

　　用納米硅負極和富鋰正極材料，鋰離子動(dòng)力電池的能量密度預計可達到300 W˙h/kg，但是為了使能量密度提高到300 W˙h/kg以上，必須考慮金屬鋰作為負極的電池，鋰金屬的容量約為3860 mA˙h/g，是石墨的10倍，由于它本身是鋰源，正極可以是不含鋰的鹽，正極材料的選擇性就更多了。從長(cháng)遠考慮，動(dòng)力電池的能量密度希望提升到500 W˙h/kg以上，這就需要新的變革性蓄電技術(shù)：鋰/硫電池和鋰空氣電池。它們的負極都是金屬鋰，正極活性物質(zhì)分別是硫或空氣?？沙浞配?硫電池和鋰/空氣電池的研究都已經(jīng)經(jīng)歷了數十年，由于采用液體電解質(zhì)，金屬鋰負極的穩定性難以解決。這兩種高能量密度鋰電池都可以采用固體電解質(zhì)，因此，提前布局固態(tài)電池不僅是中期考慮，也是為更長(cháng)期的發(fā)展戰略考慮。

　　2014年我就提出爭取5年實(shí)現固態(tài)鋰電池產(chǎn)業(yè)化，這是我們實(shí)現領(lǐng)跑的難得機遇。這一目標能否實(shí)現，在很大程度上依賴(lài)于政府主管部門(mén)的大力支持，僅僅列一兩個(gè)項目是遠遠不夠的，一定要加大資助強度。也依賴(lài)于廣大科技工作者和工程技術(shù)人員通力合作，去解決一系列基礎科學(xué)問(wèn)題和工程技術(shù)問(wèn)題。特別是希望資本運營(yíng)企業(yè)能夠把固態(tài)電池這一類(lèi)國家急需的技術(shù)作為新的投資方向，使研究成果更快產(chǎn)業(yè)化。

　　我們的目標一定要達到，我們的目標一定能夠達到!