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中科院物理研究所黄学杰 :全固态电池掀桌子前,必须做好固液混合电池

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2026 年是固液混合电池量产元年。

作者 | 马诗晴

编辑 | 李雨晨

【编者按】黄学杰是中国锂电池行业领军科学家之一。现任中科院物理研究所储能材料与器件方向召集人、《节能与新能源汽车》路线图动力电池路线图专家组长,曾发起及推动星恒电源等多家锂电企业落地。

近日,以「临界与突破」为主题的“半固态电池价值论坛”在深圳举行,会上,黄学杰发表了题为《固液混合路线市场机遇期正来临》的演讲,分享了固液混合技术在三元锂和磷酸铁锂电池上的应用,及其在汽车动力和储能场景的产业化价值。

黄学杰认为,2026 年是固液混合电池量产元年。2035年之前,全固态电池还不能“掀桌子”,所以必须重视固液混合电池。

黄学杰指出,固液混合技术应用上,三元锂电池通过在正极材料“以镍代钴”,平衡高能量密度与成本的问题;负极材料通过硅基合金跟锡基合金结合,实现高比能量以及快速充放电;最后使用固体电解质修饰界面,使整体能量密度达到1050Wh。

磷酸铁锂电池则通过在电极表面加凝胶、内部富锂化,在储能场景实现放置20年不出问题;在新能源汽车频繁高温快充场景,电池寿命直指一万次以上。

(注:将于今年7月实施的新国标将锂电池分为液态电池、固液混合电池、固态电池,其中,固液混合电池亦称半固态电池,固态电池亦称全固态电池。)

以下为黄学杰现场演讲实录,雷峰网《新智驾》作了不改变原意的编辑及整理:

非常荣幸能向大家汇报我们团队今年在固态电池领域的重点工作,特别是关于固液混合电池迎来的一系列重大产业机遇与技术突破。

去年10月,中国汽车工程学会正式发布了 《节能与新能源汽车技术路线图 3.0》。过去,我们每五年修订一次规划,前两次发布的目标,90%以上的指标都兑现了,且实际成本表现比预期还要好。当前,固液混合电池与全固态电池已经有了清晰的时间线:

2026 年是固液混合电池量产元年;2030年全固态电池会小批量应用;2035年,一部分汽车能用得起新一代的固态电池。

从“液态”到“固液混合态”,再到“全固态”,分类实际由电解质决定。目前,固液混合电池包括两种技术路径:

一种是完全无机的固体电解质,包含氧化物、磷酸盐等,其工艺逻辑类似于“往水里掺沙子”;另一种是往里面掺聚合物,形成胶体电池。 当然,也有将二者结合的,但无论哪种路径,都能归结为固液混合电池。


固液混合电池的优点很明确。一方面,今天的液态电池生产线基本不用动,能实现90%以上兼容。目前,我国锂电行业的固定资产投入已高达上万亿元,当颠覆性技术出现时再全部更换。

另一方面,固液混合电池的电解质无论是无机物还是聚合物,它能够让电池在能量密度提高的情况下,安全性能会得到保障,热失控的概率降低。

所以,在全固态电池“掀桌子”之前,我们必须重视固液混合电池。

要想真正做到能量密度与安全性的兼顾,绝不仅仅是“往电池里加一点固体电解质”那么简单。我们必须引入更高能量的正负极材料,并且,分别在正极、电解质界面上加入固体成分,而且成本要求基本不增加。

在正极材料方面,什么样的材料能量密度更高却便宜呢?今天来看还是三元材料,能量密度高。但是它不便宜,因为它里面“钴”的含量太高了。

我们要把钴含量降下来,如果不能降到0,也要把它控制到 3%以内,甚至到1%。所以,我们要把镍加上去,以镍代钴,把成本大幅度降下来。


但以镍代钴的问题是什么?电池会非常危险,安全性不能保障。这时正极材料改进,以及固体电解质引入,将是关键问题。

针对这一痛点,在过去八年里,物理所依托在东莞松山湖建立的实验室,开展了成果转化工作。我们研发了一种高密度的正极材料:钴含量很少,只有1%,镍的含量很高,超过95%,剩下的还有点锰。

新的材料和三元材料相比,非常致密,一次颗粒是纳米。致密的好处在于能往里面装很多材料。光材料本身致密还不够,还要把电极做得致密,就要加很大的压力。以前的材料,施加很大的压力会破掉,新的材料拥有三倍的承受力。


无论是在固液混合电池还是全固态电池里,该电极被施加更大的压力,能做得更致密,导电性能更好、粘结度更高,1C容量达220mAh/g,能长寿命循环。

在负极材料方面,硅基材料的理论容量比传统石墨高出10倍,所以大家都想把石墨负极换掉。我们这支队伍自 2016年我主持工作以来,一直在主攻该方向。如果从1998年团队发表第一篇相关领域论文算起,我们已经在这个方向上奋斗了近30 年。

今天,在负极,我们能够把硅基合金与锡基合金结合起来。这解决了两大问题,一是高比能量;另一个是快速的充放电。因为锡能让电池里的离子跑动速度提高 100 倍以上。

结合起来的材料是什么样呢?硅的纳米片跟锡的纳米线。锡的量很少,大概5%左右,以纳米线的形式存在,在电池里面起到导电的作用。不是导电子,是导离子,因为电池里,最难的是怎么能够快速导离子。


材料问题解决完之后就做电极。针对硅基负极充电膨胀、放电收缩的物理难题,我们通过特殊的电极空间设计,为其预留了体积变化窗口。目前,该负极材料已在半导体领域应用,它可以让全电池循环寿命接近 1500 次,1C倍率下仍具有80%的容量保持率,体积变化跟今天的石墨电池一样。

固体电解质也有特别好的加持作用。我们在正极表面构建了磷酸钛铝锂固体电解质,在电极内部引入磷酸铁锂的电解质,并在负极侧辅以聚合物增强。

这一套组合拳带来的结果是: 这套新设计的电池能量密度能达到 1050 Wh,循环寿命能达到1000次以上。


这是其中一个设计,我们也感谢相关机构的支持,让我们能够把大电池做出来,我们也能够和合作伙伴一起证明,高密度的电池在固液混合技术加持下,具备非常好的安全性。

刚刚讲完三元锂电池,现在我们讲讲磷酸铁锂电池。在高能量密度的三元电池上用固液混合技术理所当然,磷酸铁锂电池上就不需要了吧?答案是也要。

时至今日,我国几乎全部储能锂电池和80%以上的动力电池,都采用磷酸铁锂,比亚迪的全系车型也都在使用磷酸铁锂。

我们要感谢两位老先生,领头的约翰·古迪纳夫获得了2019 年诺贝尔化学奖,另一位米歇尔·阿曼德提出了碳包覆技术,他们团队创办了世界上第一家磷酸铁锂公司Phostech。但为什么后面没有发展起来,因为中国发展得太快了,我们坚持在做磷酸铁锂胶态化。


为什么要坚持磷酸铁锂胶态化,首先不是为汽车电池,而是为储能电池。

储能电池放在集装箱中可能 10 年、20 年静置不动,电解液就会出现问题,导致在重力作用下发生分层——上层浓度极低,底层浓度极高。就像腌咸鸭蛋的罐子,三个月不动,底部的鸭蛋太咸,上部的鸭蛋太淡。

为解决这一行业顽疾,我们提出了一个方案,要让电极表面如同金伯利海滩的珊瑚一样,能够不断透出胶状物,让它的表面保持一层厚实的胶体电解质,形成胶体电池,最终实现放20年不出问题。

胶体电池在锂电池领域很新鲜,在铅酸电池领域一点都不新鲜。当年为了改造汽车电池技术,使其适用于通信基站的备用电源UPS ,就必须做成胶体,否则因为酸的浓度变化,电池在基站里面一年不动就坏掉了。

最早的时候,大家想得很简单,往电解质里加一种固体物质就行了。但整个电解液变成胶的话,阻碍了正负极之间气体与离子运动。堵死了的话,电池就不工作了。

所以只能在电极表面形成很厚胶层,电池内部仍保留液体流动。这形成了另一种形式的“固液混合态”。


除此之外,我们还要进一步延长其寿命。因为今天,大家都要快充,室温下是没办法快充的,电池需加热至 60℃∼70℃。只有加热到很高的温度,锂离子才能跑得快,从而做到6分钟充好,5分钟充饱。但是,高温会蚕食电池寿命,我们需要在电池里引入更多锂离子。

如何引入?我们做氧化物固体电解质的时候,发现电解质硅酸锂,锂的含量特别高。大家看到的磷酸铁锂,一个铁对应一个锂,但一个硅的话要对应四个锂。


这么多锂,我们能不能把它释放出来?平常它是固体电解质,锂是不动的,但我们如果把锂加进去,做一个电化学反应,把锂释放出来。锂释放出来之后电池的寿命就大幅度延长了。寿命真的做到1万次以上,而不是宣传的1万次。

通过表面加凝胶以及内部富锂化,我们生产的的320Ah的磷酸铁锂电池,放在55℃ 的烤箱里90 天,总碳不会有太大变化。尤其界面稳定之后,安全性得到提升,经验证,T1温度下,即使一个电池热失控了,也不会把边上的电池引起着火。


去年有一个重要案例,新加坡一个数据中心发生火灾。数据中心的电池要求比汽车动力电池高。过去对电池的检测是挑一只进行检测,热失控不起火就行了。但新的标准要求,需要36个电池全部热失控了都不能起火。

最后发现,需要把无机的固体电解质与有机的固体电解质胶体两招都用上,36只大电池被逐一触发热失控后,整个机箱最终仅仅冒了一点青烟,没有任何明火与剧烈动静。即使在6C到10C这样超高功率情况下,在数据中心这样的电池仍非常安全。


目前,在松山湖,我们不仅建了一个实验室,还联合了一批企业,组建了一个创新联合体。这里拥有开放的各类中试试验条件,并且在实验室墙外,我们还建设了一个创新社区,它是公共的,不仅仅做研究。欢迎各位专家、企业家有空到松山湖实验室进行视察和指导,谢谢!

本文作者长期追踪新能源产业链(宁德/国轩/亿纬/特斯拉等),重点关注动力电池、储能,欢迎添加微信dmzb287交流讨论。

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