四十年固態(tài)鋰電池——回顧與展望

　　5 復(fù)合離子導(dǎo)體

　　1973年LIANG發(fā)現(xiàn)在離子導(dǎo)體LiI中加入一定量絕緣體Al2O3后，室溫離子電導(dǎo)率增加2個(gè)數(shù)量級(jí)，這一發(fā)現(xiàn)成為探索新的快離子導(dǎo)體的重要途徑之一。我們對(duì)含笫二相(DSPP)的離子導(dǎo)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(tǒng)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(fù)合離子導(dǎo)體，得出如下結(jié)論：

　　(1)LiCl(DSPP)復(fù)合離子導(dǎo)體室溫離子電導(dǎo)率隨DSPP含量的增加而增高，達(dá)最高值后(25%～35%)，進(jìn)一步增加DSPP含量，導(dǎo)致離子電導(dǎo)率下降;

　　(2)復(fù)合離子導(dǎo)體電導(dǎo)激活能降低，高溫區(qū)尤其明顯;

　　(3)復(fù)合離子導(dǎo)體的7Li NMR譜由寬峰和窄峰迭加而成。小峰越明顯，離子電導(dǎo)率增量越大。窄峰是運(yùn)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(dǎo)率的提高與界面層的結(jié)構(gòu)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(duì)固體電解質(zhì)有很多要求，在當(dāng)時(shí)的短短幾年中，只能是側(cè)重于離子電導(dǎo)率這一方面。其它要求，如穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度、可加工性、對(duì)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(shè)備的調(diào)研?！?63”計(jì)劃中期檢查時(shí)，物理所就演示了用固態(tài)鋰電池驅(qū)動(dòng)的收錄兩用機(jī)，受到專家組的贊揚(yáng)?？萍疾俊?63”計(jì)劃結(jié)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(guó)科學(xué)院“六五”和“七五”的快離子導(dǎo)體和固態(tài)電池重點(diǎn)課題以及科技部第一個(gè)“863”計(jì)劃的固態(tài)電池重大專題為我國(guó)鋰離子電池研究和生產(chǎn)奠定了知識(shí)、技術(shù)、設(shè)備和人材儲(chǔ)備各方面的基礎(chǔ)。我國(guó)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化初期正是得益于20世紀(jì)90年代的經(jīng)驗(yàn)積累和由于大量采用自動(dòng)化設(shè)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(guó)的鋰電池產(chǎn)業(yè)快速進(jìn)入世界前三名。

　　電動(dòng)汽車是國(guó)家重點(diǎn)支持的發(fā)展方向。電動(dòng)汽車的關(guān)鍵是動(dòng)力電池。自電動(dòng)汽車推廣以來(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(jié)方都在不遺余力地解決電池安全問(wèn)題。導(dǎo)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(jī)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(fù)極和富鋰正極材料，鋰離子動(dòng)力電池的能量密度預(yù)計(jì)可達(dá)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(fù)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(zhǎng)遠(yuǎn)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(fù)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(shù)十年，由于采用液體電解質(zhì)，金屬鋰負(fù)極的穩(wěn)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(zhǎng)期的發(fā)展戰(zhàn)略考慮。

　　2014年我就提出爭(zhēng)取5年實(shí)現(xiàn)固態(tài)鋰電池產(chǎn)業(yè)化，這是我們實(shí)現(xiàn)領(lǐng)跑的難得機(jī)遇。這一目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)，在很大程度上依賴于政府主管部門的大力支持，僅僅列一兩個(gè)項(xiàng)目是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，一定要加大資助強(qiáng)度。也依賴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(chǔ)科學(xué)問(wèn)題和工程技術(shù)問(wèn)題。特別是希望資本運(yùn)營(yíng)企業(yè)能夠把固態(tài)電池這一類國(guó)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(biāo)一定要達(dá)到，我們的目標(biāo)一定能夠達(dá)到!