在2025ABES-8大會開幕式“機遇與挑戰(zhàn)：固態(tài)電池及關鍵材料的技術現(xiàn)狀”，來自廣汽埃安新能源汽車股份有限公司 史劉嶸博士做了“全固態(tài)電池關鍵問題及技術探索”主題演講。

廣汽埃安新能源汽車股份有限公司 史劉嶸博士

非常高興組委會的邀請，也很榮幸有這樣一個機會，在這里跟大家做一個交流。全固態(tài)電池技術，大家都知道，確實攻關的難度比較大。今天我們希望把廣汽在這方面做的探索和遇到的問題拿出來跟大家一塊兒探討一下，希望能有更多更開放的技術交流共同推動這個技術難題的攻關。

首先講一下廣汽在全固態(tài)電池技術開發(fā)方面的概況。從2016年開始廣汽陸陸續(xù)續(xù)在做固態(tài)電池的研發(fā)，最開始選擇的是聚合物體系。聚合物體系，大家知道它的問題是比較明顯的，首先，它的離子電導率比較低。其次，耐高壓性不是很好。所以最初是應用在磷酸鐵鋰對石墨體系，電池能量密度也是比較低的，相比液態(tài)電池來說，它的優(yōu)勢就沒有那么明顯。

后來我們開始做氧化物體系，氧化物體系最大特點是量產(chǎn)難度比較低，很早就可以在市面上拿到公斤級的，像LATP以及其他氧化物固態(tài)電解質粉體，但是它的應用有一個很大的難點，就是顆粒和顆粒之間的接觸很難解決，必須要引入第二項比如說聚合物或者液體來改善離子傳導。

現(xiàn)在主要精力是放在硫化物電解質這個體系上，它最大優(yōu)點是離子電導率比較高，在電池性能實現(xiàn)上還是比較有優(yōu)勢的，現(xiàn)在基本上做到400Wh/kg難度不太大。

但現(xiàn)在來看，單一硫化物體系還是遇到非常多的問題，后面我們推測一個比較理想的全固態(tài)電池體系肯定是多組分的狀態(tài)，比如說正極需要采用安全性更高、耐高壓性能更好的鹵化物，負極可以選用帶有柔性的，形變能力比較強的，比如說聚合物電解質，電解質膜有可能是離子電導率比較高的硫化物電解質，這樣的形態(tài)才可以解決全固態(tài)電池目前遇到的一些難點。

當前我們的技術路線有兩條，第一個是以硫化物為主的復合路線。第二個是以聚合物為主的復合路線。這兩個路線有一些共同面對的技術難點需要來解決，比如說在負極上需要開發(fā)高容量、長循環(huán)的負極技術，包括硅基負極、鋰金屬負極以及最近比較火的無鋰負極。

在電解質上，不僅在材料層面上要解決固態(tài)電解質材料的制備，比如說硫鹵化物的制備，聚合物電解質制備，更重要的方面是在成膜上需要去做一些突破，比如說超薄固態(tài)電解質膜的制備技術。在正極上，針對400Wh/kg電池需求，高容量的正極材料以及高面容量的正極極片的制備，它的難度都是非常大的。

另外一個共通的難點，對于固態(tài)電池來說是固固界面，不僅顆粒和顆粒之間小界面需要解決離子傳導、界面穩(wěn)定性的問題，極片和電解質膜中間的大界面也需要解決相應的穩(wěn)定性以及離子傳輸?shù)膯栴}。

下面講一下我們在硫化物體系上的進展。對于硫化物全固態(tài)電池體系來說遇到兩個方面比較大的難題，一個是材料層面上，一個是制造層面上。材料層面上，目前遇到兩個比較大的難點：第一個難點是硫化物電解質的穩(wěn)定性。目前硫化物電解質的離子電導基本上不是什么大的難題，但比較困擾我們的是它的空氣穩(wěn)定性和溶劑穩(wěn)定性，這就使得生產(chǎn)制造遇到非常大的挑戰(zhàn)。第二個難點是固固接觸，因為硫化物雖然楊氏模量會比氧化物要低一些，更軟一些，但相比液態(tài)和聚合物，它還是需要比較高的壓力才能夠實現(xiàn)界面的穩(wěn)定接觸。這個尤其在車端應用的時候會遇到成組的問題。

在制造層面上，剛才提到硫化物電解質穩(wěn)定性比較差，一方面對生產(chǎn)一致性造成比較大的挑戰(zhàn)。另一方面硫化氫的釋放對于生產(chǎn)制造過程中的設備防護、人員防護也是提出了新的要求。除此之外，全固態(tài)電池的生產(chǎn)跟目前液態(tài)電池來說，工藝以及設備上都是需要新的開發(fā)。

我們在硫化物電解質層面上主要做的工作是提高它的空氣穩(wěn)定性。這里列舉了我們能夠拿到的市面上基本可以實現(xiàn)公斤級制備的硫化物電解質的產(chǎn)品。大家可以看到，它的離子電導率相對來說已經(jīng)比較高了，在常溫25℃的條件下基本上可以做到2個毫希以上，滿足電池的使用需求，但是它的空氣穩(wěn)定性都是比較差的。我們把這些材料放在-40℃的露點環(huán)境中，放置4個小時，可以看到離子電導率保持率還是相當?shù)偷?，最高也就?0%。

這個有兩方面的影響，一方面是在電池制造過程中電池一致性很難保證。另一方面離子電導率的下降有一個副作用就是會產(chǎn)生硫化氫。從下面硫化氫釋放的曲線來看，不管是粉體，還是漿料、極片，在-40℃露點下硫化氫的釋放量還是相當高的。目前的解決方案只能是通過生產(chǎn)環(huán)境的露點去控制，需要設置在-50℃以下，這個對于生產(chǎn)能耗來說其實是非常高的。

為了解決這個問題，我們做了一些仿真工作，通過摻雜、改性等方法是可以有效提高它的空氣穩(wěn)定性。這里我們用實驗驗證了一些仿真方案，單元素摻雜和雙元素摻雜都可以在保持硫化物電解質離子電導率和電子電導率不受大的影響情況下，空氣穩(wěn)定性有了很大的提升。

基于這個材料的開發(fā)，我們還完成了超薄固態(tài)電解質膜的制備。目前有兩種工藝（濕法工藝和干法工藝），干法工藝最大的難點是很難做薄，濕法工藝在做薄這點上具有很大的優(yōu)勢，但是它的難點在于溶劑的選擇?，F(xiàn)在傳統(tǒng)液態(tài)鋰電用的容劑，比如NMP以及水系，對于硫化物電解質來說都是非常不適用的，它會跟硫化物電解質發(fā)生劇烈的反應。目前很多企業(yè)可能在用二甲苯，但它的毒性又非常強。

所以我們這里是開發(fā)了一種新型的烷烴類溶劑，這種溶劑相比傳統(tǒng)的NMP或者二甲苯，一方面離子電導率保持會比較好，跟硫化物比較穩(wěn)定。另一方面，對環(huán)境還是比較友好的，人員在操作的時候不需要很強的防護。借助濕法的涂布工藝，目前膜可以做到最薄20微米左右，可以實現(xiàn)卷對卷寬幅的制作，離子電導率最高可以做到1.8個毫希。

剛才提到在材料層面上我們需要開發(fā)一個高克容量的正極，主要選擇就是在高鎳正極，比如說9系。對于正極材料來說，鎳含量以及單晶、多晶的選擇，粒徑以及表面包覆層都會對材料在固態(tài)體系的容量發(fā)揮有很大的影響。經(jīng)過我們這么長一段時間的探索也是有一些結論階段性的結論，發(fā)現(xiàn)小的多晶因為耐壓能力比較好，整體材料離子傳導比多晶更優(yōu)秀一些，所以單晶容量發(fā)揮是要優(yōu)于多晶的，表面做一些固態(tài)電解質的包覆，對于材料整體容量發(fā)揮有很大的改善效果。

從包覆工藝來說，目前來看，濕法包覆是要遠遠優(yōu)于干法工藝的。目前我們的材料，最新數(shù)據(jù)是容量發(fā)揮可以接近230mAh/g，借助于干法厚級片的制作工藝，極片面容量可以做到7.7mAh/平方厘米，可以匹配400Wh/kg的設計。

對于硫化物體系，現(xiàn)在最大的難點是負極，因為負極在充放電過程中會不斷發(fā)生大的體積膨脹和收縮。原本一個比較好的固固接觸，隨著充放電，界面就會不斷的發(fā)生破壞，導致電池循環(huán)性能非常差。

解決這個問題要從兩個角度考慮，第一個方面是開發(fā)低膨脹率的主材，另外一個方面是在極片層開發(fā)剛柔并濟的粘結劑，提高極片的循環(huán)穩(wěn)定性。在材料層級上，我們對納米硅、純硅、硅氧以及CVD硅碳都做過評測，現(xiàn)在看來，CVD硅碳在膨脹率的表現(xiàn)在還是比較突出的，極片層級的膨脹率目前可以做到30%左右，但是這款材料目前的倍率性還是比較差的，后續(xù)可能通過固態(tài)電解質的包覆以及碳管包覆來改善性能。

目前做兩個體系的開發(fā)，針對300Wh/kg，負極的克容量要求是600以下。這個體系現(xiàn)在的循環(huán)還是比較穩(wěn)定的，可以做到1000周的循環(huán)。另外一個是針對400Wh/kg，克容量要求接近1200以上。這款負極目前的循環(huán)表現(xiàn)還不是很理想，80%的SOH只能循環(huán)到五六百周，遠遠不到車端的應用需求。

下面講一下聚合物技術路線上做的探索。這個方向相比硫化物體系最大的優(yōu)勢就是制作工藝基本上保持一致，90%以上的工序跟液態(tài)工序是一樣的，需要增加兩個新的工序，一個是高溫固化，一個是常溫浸潤。在今年年初做了小批量試制，生產(chǎn)了幾套包，從電芯的生產(chǎn)數(shù)據(jù)來看，電池性能的一致性還是非常高的。從電化學性能來看，原位固態(tài)的倍率特性跟液態(tài)比還是有一定的差距，但它有一個優(yōu)勢就是不需要加壓，不像硫化物需要很大的壓力，成組難度大大降低了，這個體系目前循環(huán)也相當不錯的，到90%的SOH可以循環(huán)幾百圈。

前段時間有一個行業(yè)標準說全固態(tài)電池的定義，失重率在1%以內?，F(xiàn)在開發(fā)的這款體系做到1%還是比較難的，目前只做到3%，殘余液體含量對安全性是有一定的影響，雖然在溫箱的表現(xiàn)上比較好，也可以通過200℃30分鐘的保溫測試，但是針刺是很難通過的，這也是后續(xù)需要持續(xù)改進的方向。

最后提一點展望，對于全固態(tài)電池來說，難點集中在材料開發(fā)、電芯設計和制造以及裝車應用，尤其對于裝車應用，硫化物體系現(xiàn)在最大的難點就是需要高壓運行，需要很大的很厚的端板形成高壓，這對于整包的能量利用效率是非常大的挑戰(zhàn)。聚合物體系怎么樣體現(xiàn)跟目前商用液態(tài)電池的優(yōu)勢？是這個體系需要解決的問題。

大家可能聽到，2026、2027年實現(xiàn)裝車應用，現(xiàn)在來看，這個挑戰(zhàn)還是非常大的。如果用傳統(tǒng)實驗試錯的方式進行技術攻關，時間上還是很難的。我們后續(xù)想做的工作是引入AI仿真手段，我們自己也在建一個AI電池設計全自動化平臺，希望實現(xiàn)從材料、設計到電池開發(fā)的全流程的自動化。如果行業(yè)內有相關積累的伙伴，歡迎合作和交流。

最后，感謝下面這些單位對我們工作起到非常大的支持。

以上就是我的報告，謝謝。

主持人：非常感謝史博士帶來的精彩報告，從固態(tài)的材料工藝方面帶來了最新的研究進展，看看大家有沒有什么問題要跟史博師來討論一下？

提問：你好，史博士，全固態(tài)正極是濕法，還是干法。

史劉嶸：如果是400Wh/kg，大概率是干法。

提問：我想請教一下，干法是很重要的選擇，它的分散一致性怎么樣？因為將來都要裝車，固態(tài)電池單體都能過，但是成組以后會有問題，這塊怎么來保障？

史劉嶸：確實干法工藝在厚度控制一致性以及漿料分散的一致性上都有很大的挑戰(zhàn)，它不光是工藝上實現(xiàn)比較難，表征也比較難。我們只能通過電池性能去反推極片一致性。目前也是我們攻關的一個方向。

提問：史博士好，剛才的報告很精彩。剛才提到了在硫化物全固態(tài)應用場景下，試了單晶型的高鎳材料，也試了團聚型的。從數(shù)據(jù)看，團聚型發(fā)揮會高一些，效率也高一些，單晶稍差一點。

史劉嶸：單晶型會好一些。

提問：從應用場景來看，你最看好的還是單晶款嗎？

史劉嶸：我們是看好單晶的。

提問：和目前液態(tài)鋰離子電池相比，正極的壓實密度可以通過大團聚、小團聚方式來做。如果全部是用單晶，粒度不能做的太大，未來正極密度會不會極片比較厚？

史劉嶸：確實比較厚，雖然都是用的單晶，我們也會參考液態(tài)里大小顆粒匹配的設計，單晶里也是大單晶跟小單晶匹配的極片設計。