獲諾獎(jiǎng)得主點(diǎn)贊的“卡脖子”技術(shù)，打破國外技術(shù)壟斷！
中科院青島能源所崔光磊團(tuán)隊(duì)提出的“剛?cè)岵?jì)”聚合物復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)設(shè)計(jì)理念，引起了國際同行廣泛關(guān)注，得到了聚合物電解質(zhì)創(chuàng)始人Armand教授以及2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主Goodenough教授的高度評(píng)價(jià)。
該團(tuán)隊(duì)研制出的固態(tài)鋰離子電池產(chǎn)品相關(guān)技術(shù)入選了2020“全球新能源汽車前沿及創(chuàng)新技術(shù)”和中國工程院發(fā)布的“全球工程前沿2020”。
為滿足國家重大海洋戰(zhàn)略需求，解決國家“卡脖子”問題，該研究組不斷升級(jí)固態(tài)鋰電池技術(shù)和品質(zhì)，滿足深海特種電池 “高耐壓”“高安全”“高能量密度”的“三高”苛刻要求，打破國外技術(shù)壟斷，為國產(chǎn)深海裝備提供可靠能源動(dòng)力。
能源是推動(dòng)全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主引擎。作為高效清潔能源技術(shù)的代表，鋰離子電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的諸多領(lǐng)域，并逐步向長續(xù)航無人機(jī)、深海、深空、深地、極地等特種領(lǐng)域進(jìn)軍。
然而目前液態(tài)鋰離子電池的能量密度已接近其能量密度上限，且安全性能亟待提升。
固態(tài)鋰電池兼具高能量密度和高安全特性，是下一代二次動(dòng)力電池主流技術(shù)，現(xiàn)已成為未來二次電池發(fā)展的必經(jīng)之路。
我國急需推進(jìn)固態(tài)電池發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化
近年來，中國工程院院士、鋰電池產(chǎn)業(yè)主要開拓者陳立泉多次在固態(tài)電池會(huì)議上呼吁和強(qiáng)調(diào)，中國的固態(tài)電池從跟跑、并跑再到領(lǐng)跑，要實(shí)現(xiàn)彎道超車，就要有自己的核心材料和關(guān)鍵技術(shù)。我國固態(tài)電池的發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)工作時(shí)不我待。
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年）》，進(jìn)一步從國家層面肯定了“加快發(fā)展固態(tài)動(dòng)力電池技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”的緊迫性和必要性。日本、韓國以及歐美等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)對(duì)固態(tài)二次電池技術(shù)進(jìn)行了針對(duì)性研發(fā)布局等，在硫化物等電解質(zhì)技術(shù)路線和知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面已經(jīng)進(jìn)行壟斷性布局。
在全球范圍內(nèi)，一場爭奪固態(tài)電池關(guān)鍵材料與核心技術(shù)制高點(diǎn)的暗戰(zhàn)已然打響。
面對(duì)這一嚴(yán)峻形勢，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所（以下簡稱中科院青島能源所）固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心主任、研究員崔光磊，從2009年團(tuán)隊(duì)成立之初，就繼承和弘揚(yáng)老一輩科學(xué)家甘坐“冷板凳”和“十年磨一劍”的奮斗精神，靜心篤志攻克固態(tài)聚合物電池科學(xué)難題。
崔光磊團(tuán)隊(duì)骨干人員在中試車間工作合影
面對(duì)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的國際大環(huán)境，以及國家對(duì)高安全、高比能和長壽命鋰電池在軌道交通、深海深空深地特種電源等領(lǐng)域能源動(dòng)力的重大戰(zhàn)略需求，秉承“不忘初心、牢記使命”時(shí)代號(hào)召，充分發(fā)揮新時(shí)代黨員先鋒模范作用，超前部署下一代高安全和高比能固態(tài)鋰電池技術(shù)。
只有專注，才能突破。該團(tuán)隊(duì)深耕聚合物電解質(zhì)關(guān)鍵材料十余載，提出并發(fā)展大陰離子硼系鋰鹽，首創(chuàng)“剛?cè)岵?jì)”聚合物復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)和高離子電導(dǎo)自由基捕捉型粘結(jié)劑體系，極大推進(jìn)和豐富了固態(tài)鋰電池關(guān)鍵材料體系，提出并發(fā)展了原位固態(tài)化界面融合等核心關(guān)鍵技術(shù)，解決了困擾固態(tài)鋰電池發(fā)展的“關(guān)鍵材料”和“固/固界面”兩大瓶頸問題。
基于此，該團(tuán)隊(duì)先后研制出單體容量可調(diào)且安全性能優(yōu)異的系列化固態(tài)鋰離子電池產(chǎn)品，成功攻克全海深長續(xù)航動(dòng)力電源系統(tǒng)核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了全海深示范應(yīng)用，引領(lǐng)推動(dòng)了深海特種固態(tài)電源系統(tǒng)更新?lián)Q代，打破了國外對(duì)這一保障國家安全關(guān)鍵技術(shù)的限制和封鎖。
破解固態(tài)鋰電池關(guān)鍵材料基因密碼
產(chǎn)業(yè)升級(jí)，材料先行。
2009年至今，崔光磊組建了一支100余人的固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心研發(fā)團(tuán)隊(duì)，這是一支固態(tài)鋰電池科學(xué)問題研究和工程開發(fā)并重的高水平科研團(tuán)隊(duì)。
針對(duì)單一聚合物電解質(zhì)性能不足、無法滿足高性能二次電池的問題，該團(tuán)隊(duì)立足科學(xué)問題本身，在國際上提出“剛?cè)岵?jì)”聚合物復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)設(shè)計(jì)理念，以尺寸熱穩(wěn)定性好的“剛”性骨架材料為支撐，解決傳統(tǒng)聚合物電解質(zhì)尺寸熱穩(wěn)定性差和機(jī)械強(qiáng)度弱的瓶頸問題，輔以電化學(xué)窗口寬和室溫離子傳輸性能優(yōu)異的“柔”性聚合物材料和高離子遷移數(shù)鋰鹽，創(chuàng)建高通量離子傳輸滲流通道，進(jìn)而構(gòu)筑多元協(xié)同體系，開發(fā)出綜合性能優(yōu)異的“剛?cè)岵?jì)”聚合物固態(tài)電解質(zhì)，有效兼顧了機(jī)械強(qiáng)度、離子傳輸?shù)群诵囊亍?/p>
該理念一經(jīng)提出，便引起國際同行廣泛關(guān)注，得到了聚合物電解質(zhì)創(chuàng)始人Armand教授以及2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主Goodenough教授的高度評(píng)價(jià)。
歷經(jīng)十二載潛心研究和攻堅(jiān)克難，目前，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)形成了聚合物離子傳輸材料、高離子遷移數(shù)鋰鹽、功能性粘結(jié)劑等特色電解質(zhì)關(guān)鍵材料體系和規(guī)模化制造技術(shù)，為全球高性能聚合物電解質(zhì)發(fā)展提供了中國的解決方案。
眾所周知，傳統(tǒng)聚環(huán)氧乙烷固態(tài)聚合物電解質(zhì)室溫離子導(dǎo)電率低（需要60℃以上的溫度運(yùn)行），且電化學(xué)窗口窄（難以匹配高電壓正極材料，導(dǎo)致電池能量密度偏低）。該團(tuán)隊(duì)通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和調(diào)控，開發(fā)出寬電化學(xué)窗口（≥4.6 V）和室溫高離子電導(dǎo)率（≥10-4 S/cm）的新型聚碳酸酯基固態(tài)聚合物電解質(zhì)新體系，為“剛?cè)岵?jì)”聚合物固態(tài)電解質(zhì)提供了理想的“柔性”離子傳輸材料。
針對(duì)傳統(tǒng)六氟磷酸鋰高溫不穩(wěn)定、離子遷移數(shù)低和雙三氟甲基磺酰亞胺鋰腐蝕集流體等問題，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一類具有高離子遷移數(shù)、對(duì)集流體穩(wěn)定、熱穩(wěn)定性能優(yōu)異的聚合物型硼酸酯鋰鹽，有利于降低濃差極化、抑制鋰枝晶和改善電池倍率性能。
新型鋰鹽的制備為“剛?cè)岵?jì)”聚合物固態(tài)電解質(zhì)性能的進(jìn)一步提升提供了關(guān)鍵材料保證。
同時(shí)，為進(jìn)一步強(qiáng)化固態(tài)鋰電池正極的離子傳輸?shù)葐栴}，該研究組又開發(fā)了高離子傳導(dǎo)、粘附性能強(qiáng)、捕捉自由基型的功能化新型粘結(jié)劑，綜合性能顯著優(yōu)于商品化粘結(jié)劑。
聚合物柔性離子傳輸材料、高離子遷移數(shù)鋰鹽、高離子電導(dǎo)功能性粘結(jié)劑等關(guān)鍵材料體系的突破為高比能固態(tài)聚合物鋰電池的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
突破固態(tài)鋰電池固/固界面壁壘問題
材料儲(chǔ)備先行，技術(shù)突破緊隨。
聚合物固態(tài)鋰電池的發(fā)展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/固界面接觸失效等諸多問題。
針對(duì)上述瓶頸，該團(tuán)隊(duì)從2010年開始布局，提出并發(fā)展了原位固態(tài)化界面融合技術(shù)，進(jìn)而構(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。
經(jīng)過多年探索開發(fā)，2016年，該團(tuán)隊(duì)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，強(qiáng)化了多尺度界面的離子傳輸，顯著提升了界面相容性和循環(huán)穩(wěn)定性。
2017年，為進(jìn)一步提升電解質(zhì)的電化學(xué)穩(wěn)定性，該團(tuán)隊(duì)又利用原位固態(tài)化技術(shù)開發(fā)出可用于5V鋰電池的實(shí)用化電解質(zhì)體系。
為解決自由基原位固態(tài)化中殘留液態(tài)小分子帶來的副反應(yīng)和潛在安全問題，2020年，該團(tuán)隊(duì)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)的新方案，構(gòu)建了離子多尺度界面?zhèn)鬏數(shù)摹案咚俟贰保瑫r(shí)固態(tài)化效率高，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(duì)鋰電池產(chǎn)生的不利影響。
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(huì)引入偶氮二異丁腈等引發(fā)劑，其與負(fù)極兼容性差（尤其是鋰金屬），會(huì)影響電池性能。該團(tuán)隊(duì)將鋰鹽作為固態(tài)化前聚體聚合的引發(fā)劑，開展了系列深入工作。
通過自我開發(fā)的大陰離子硼系鋰鹽（既做主鹽又做引發(fā)劑），引發(fā)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)，解決了副反應(yīng)和枝晶抑制問題，同時(shí)強(qiáng)化了離子傳輸，實(shí)現(xiàn)了高電壓鈷酸鋰/鋰金屬電池的室溫長壽命穩(wěn)定運(yùn)行。
該團(tuán)隊(duì)提出的原位固態(tài)化界面融合技術(shù)順利打通了固態(tài)聚合物鋰電池從實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究到工程化應(yīng)用之間難以逾越的最后一道屏障，該技術(shù)契合現(xiàn)有商品液態(tài)鋰離子電池生產(chǎn)工藝，為高比能固態(tài)聚合物鋰電池的規(guī)模化制備鋪平了道路。
因此，該技術(shù)一經(jīng)推出立即得到行業(yè)的高度認(rèn)可，現(xiàn)已成為下一代動(dòng)力電池主流技術(shù)。
實(shí)現(xiàn)固態(tài)鋰電池批量化可控制備
利器添翼，良工謀事。
2011年起，崔光磊帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)骨干先后建立了兩條固態(tài)鋰電池中試生產(chǎn)線，目前正在高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)一條智能化裝備規(guī)模生產(chǎn)線。
基于上述深厚研究基礎(chǔ)、技術(shù)積累以及裝備加成，該團(tuán)隊(duì)先后開發(fā)出單體能量密度200Wh/kg~300Wh/kg、單體容量可調(diào)且安全性能優(yōu)異的系列化固態(tài)鋰離子電池產(chǎn)品，且在多次針刺和擠壓等苛刻測試條件下保持良好的安全性能。
此外，在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃新能源汽車項(xiàng)目的支持下，該團(tuán)隊(duì)研制出能量密度達(dá)350Wh/kg、循環(huán)性能優(yōu)異的固態(tài)鋰離子電池產(chǎn)品，目前正在新能源汽車上進(jìn)行示范應(yīng)用；同時(shí)相關(guān)技術(shù)入選了2020“全球新能源汽車前沿及創(chuàng)新技術(shù)”和中國工程院發(fā)布的“全球工程前沿2020”。
2020年，該研究組又開發(fā)出能量密度達(dá)526Wh/kg的固態(tài)鋰金屬電池，且通過了安全性測試，在無人機(jī)領(lǐng)域成功實(shí)現(xiàn)了示范應(yīng)用，能量密度極限再一次被刷新，體現(xiàn)了“十年磨一劍”的毅力和決心。
根據(jù)中科院文獻(xiàn)情報(bào)中心對(duì)“聚合物固態(tài)電池”這一主題的檢索和全面分析，2016年1月1日至2020年2月14日，崔光磊以59篇發(fā)文量排名全球榜首。
在ZL方面，對(duì)聚合物固態(tài)電池領(lǐng)域的ZL發(fā)明人進(jìn)行分析，LG集團(tuán)的AHN KYOUNG HO和LEE CHUL HAENG以36項(xiàng)ZL位列第一，崔光磊以35項(xiàng)ZL位列第三。
因此從文章和ZL兩個(gè)維度衡量，中科院青島能源所都處于該領(lǐng)域國際并行水平，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。
截至目前，該研究組在固態(tài)鋰電池相關(guān)成果與技術(shù)方面已累計(jì)申請PCTZL6項(xiàng)，申請國家ZL97項(xiàng)，授權(quán)68項(xiàng)，形成了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的固態(tài)鋰電池關(guān)鍵材料和原位固態(tài)化界面融合核心技術(shù)的技術(shù)包。
鑒于在固態(tài)聚合物鋰電池離子多相界面滲流傳輸理論、聚合物固態(tài)電解質(zhì)關(guān)鍵材料和深海電源技術(shù)等多方面的杰出貢獻(xiàn)，以崔光磊為第一申請人的“新能源電池若干問題的應(yīng)用基礎(chǔ)研究”項(xiàng)目獲得2018年山東省自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，進(jìn)一步彰顯出該團(tuán)隊(duì)在固態(tài)鋰電池領(lǐng)域厚積薄發(fā)的潛能。
固態(tài)鋰電池為全海深電源系統(tǒng)保駕護(hù)航
為滿足國家重大海洋戰(zhàn)略需求，解決國家“卡脖子”問題，該研究組不斷升級(jí)固態(tài)鋰電池技術(shù)和品質(zhì)，滿足深海特種電池 “高耐壓”“高安全”“高能量密度”的“三高”苛刻要求，打破國外技術(shù)壟斷，為國產(chǎn)深海裝備提供可靠能源動(dòng)力。
該團(tuán)隊(duì)研制的高比能固態(tài)鋰電池系統(tǒng)，經(jīng)深海高壓環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)室壓力實(shí)驗(yàn)顯示，在121MPa極端壓力下完好無損，供電正常。
2017年3月，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)的固態(tài)鋰電池電源系統(tǒng)隨TS03航次科考船遠(yuǎn)赴馬里亞納海溝，為“萬泉”號(hào)著陸器控制系統(tǒng)及CCD傳感器提供能源，累計(jì)完成9次下潛，其中6次超過10000米，最大工作水深10901米，累計(jì)坐底工作時(shí)間98.5小時(shí)，順利完成萬米全深海示范應(yīng)用，這標(biāo)志著我國成功突破了全海深電源技術(shù)瓶頸，填補(bǔ)了全海深高能量密度深海電源系統(tǒng)技術(shù)空白。
2018年8到10月，開發(fā)的模塊化固態(tài)電源系統(tǒng)隨TS09航次科考船再次遠(yuǎn)赴馬里亞納海溝，為“天涯”“海角”“萬泉”等全海深著陸器提供能源動(dòng)力，共計(jì)完成27個(gè)潛次的作業(yè)，15次下潛深度超過萬米，最大下潛深度10918米，單次下潛最長作業(yè)時(shí)間26天10小時(shí)43分鐘，創(chuàng)世界上單次連續(xù)作業(yè)紀(jì)錄，為我國獲取首批超萬米深度的全海深水文數(shù)據(jù)及海底復(fù)雜地形下實(shí)時(shí)勘測提供有效能源保障。
2018年12月到2019年6月，研制的高能量固態(tài)鋰電池系統(tǒng)完成了南海坐底作業(yè)，實(shí)現(xiàn)長達(dá)198天持續(xù)無故障運(yùn)行，為長潛伏“金雞”著陸器提供了可靠能源保障。
2020年11月，全海深固態(tài)鋰電池系統(tǒng)為“滄海”號(hào)視頻著陸器提供充足的能量動(dòng)力，成功保障了“滄海”與“奮斗者”的萬米深海聯(lián)合作業(yè)，視頻見證“奮斗者”成功標(biāo)注了中國載人深潛新坐標(biāo)。同一時(shí)間，高功率固態(tài)鋰電池系統(tǒng)為“鹿嶺”多位點(diǎn)著陸器提供了大功率、長航時(shí)的能源動(dòng)力，成功完成多位點(diǎn)、長距離的全海深復(fù)雜工況下浮游作業(yè)。
崔光磊團(tuán)隊(duì)開發(fā)的固態(tài)電源系統(tǒng)為“鹿嶺”號(hào)多位點(diǎn)著陸器提供能源動(dòng)力
自2015年開始至今，中科院青島能源所固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心累計(jì)為各類深海科考裝備用戶提供了68批次的固態(tài)鋰電池電源系統(tǒng)。
5年內(nèi)，研制的全海深電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)零故障應(yīng)用，表明我國深海裝備用全海深電源系統(tǒng)技術(shù)已趨于成熟，為我國深海事業(yè)發(fā)展提供了安全、可靠、零事故運(yùn)行的特種電源保障，產(chǎn)生了巨大的社會(huì)效益，并得到中央電視臺(tái)報(bào)道。
除此之外，“高性能聚合物固態(tài)鋰電池材料與技術(shù)”項(xiàng)目順利通過了中國石油和化工聯(lián)合會(huì)組織的鑒定委員會(huì)的鑒定。專家們一致認(rèn)為，“該項(xiàng)成果創(chuàng)新性強(qiáng)，在全海深極端條件下，率先實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池能源系統(tǒng)的成功應(yīng)用。”
瞄準(zhǔn)全球和未來
提升固態(tài)聚合物二次電池國際話語權(quán)
盡管目前固態(tài)聚合物鋰電池已經(jīng)展現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的生機(jī)，但仍存在不足。
一是受限于固態(tài)聚合物電解質(zhì)本身較低的室溫離子電導(dǎo)率，固態(tài)聚合物鋰電池的低溫溫度適應(yīng)性還有待進(jìn)一步提升；二是由于固態(tài)鋰電池仍處于小試和中試階段，制作成本較高。
該團(tuán)隊(duì)表示，將緊密結(jié)合國家和產(chǎn)業(yè)重大戰(zhàn)略需求，希望能開發(fā)出滿足產(chǎn)業(yè)需求“三高一低”的固態(tài)電池產(chǎn)品。
該團(tuán)隊(duì)將牢記科技工作者的使命和初心，自覺肩負(fù)起保障國家能源安全的重任，產(chǎn)出一批重大原創(chuàng)性成果，突破一批“卡脖子”的固態(tài)二次電池關(guān)鍵核心技術(shù)，建立完整固態(tài)二次電池產(chǎn)業(yè)鏈閉環(huán)，做到核心技術(shù)和產(chǎn)業(yè)安全不受制于人。
并以此助推國家能源強(qiáng)國戰(zhàn)略，在未來影響國家安全的深海、深空、深地、單兵作戰(zhàn)等特種能源供應(yīng)和使用場景中起到創(chuàng)新堡壘作用，進(jìn)而搶占全球固態(tài)二次電池發(fā)展制高點(diǎn)，進(jìn)一步提升中國的國際影響力和國際話語權(quán)，履行中科院作為國家戰(zhàn)略科技力量的職責(zé)和使命。
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焦點(diǎn)事件
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標(biāo)準(zhǔn)
