青島“開啟”深海電源想象力

15年的時間，固態(tài)鋰電池從“被限制”發(fā)展到行業(yè)領(lǐng)先水平，崔光磊及其團(tuán)隊夜以繼日的研究成果為我國深海事業(yè)和藍(lán)海戰(zhàn)略發(fā)展提供了安全、可靠的特種電源保障和技術(shù)支撐。

“我認(rèn)為中國再一次站在了聚合物電解質(zhì)研究的最前沿。”世界著名鋰電池學(xué)者、鋰電池產(chǎn)業(yè)的奠基人之一、聚合物電解質(zhì)創(chuàng)始人Michel Armand教授這樣評價聚合物復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)關(guān)鍵材料制備技術(shù)。

“三相滲流”復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)關(guān)鍵材料制備技術(shù)是中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所（以下簡稱中國科學(xué)院青島能源所）牽頭完成的《高性能固態(tài)鋰電池材料、技術(shù)及系統(tǒng)應(yīng)用》項目中三個創(chuàng)新點之一。在不久前公布的山東省科技獎上，該項目榮獲技術(shù)發(fā)明一等獎。針對我國深海電源長期發(fā)展滯后問題，中國科學(xué)院青島能源所的研究人員開發(fā)出具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的高比能、高安全、高耐深海壓、長使役壽命固態(tài)鋰電池及系統(tǒng)。不僅解決了我國深海電源被國外技術(shù)“卡脖子”的難題，還為海洋裝備、規(guī)模儲能、新能源汽車等多個領(lǐng)域創(chuàng)造了更多的研發(fā)空間，并帶來更多的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

為深海探索提供動力源泉

馬里亞納海溝，是目前所知地球上最深的海溝，被稱為“世界第四極”。

如果把世界最高的珠穆朗瑪峰放在溝底，峰頂將不能露出水面。不少的登山家成功地征服了珠穆朗瑪峰，但探測深海卻極其困難。

2020年11月，“奮斗者”號在馬里亞納海溝成功坐底，坐底深度刷新中國載人深潛的新紀(jì)錄。

正是中國科學(xué)院青島能源所在聚合物復(fù)合路線全固態(tài)鋰離子電池研究方面取得重要進(jìn)展，為我國多型號深海裝備和機(jī)器人提供了“高能量密度”“高安全”“高深水耐壓”的“三高”深海能源保障。

“常規(guī)的基于液態(tài)有機(jī)電解液的鋰離子電池中，正負(fù)極之間采用聚烯烴類隔膜材料。”項目主要完成人之一、青島能源所固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心固態(tài)能源器件工程技術(shù)研究組組長韓鵬獻(xiàn)對記者介紹，這種電解液在鋰電池正、?負(fù)極之間起到傳導(dǎo)離子的作用。?然而，液態(tài)有機(jī)?電解液的這種組成也帶來了安全隱患。?由于多數(shù)液態(tài)有機(jī)電解液的閃點較低，?它們在較低溫度下即會閃燃，?一旦漏液或熱失控，?極易著火或爆炸，?給電池安全帶來威脅。同時，?聚烯烴類隔膜材料尺寸熱穩(wěn)定性差，高溫情況下電池容易發(fā)生熱失控等危險。

在當(dāng)前背景下，業(yè)內(nèi)廣泛認(rèn)為下一代電池技術(shù)的最佳路線是固態(tài)鋰電池。

固態(tài)鋰電池則是一種由正極、負(fù)極和固態(tài)電解質(zhì)組成的新型電池。其中，正極材料以鎳鈷錳酸鋰、鎳鈷鋁酸鋰、鎳錳酸鋰、復(fù)合錳酸鋰等為主，負(fù)極材料以金屬鋰、硅碳復(fù)合材料、石墨類材料為主，電池中的固體電解質(zhì)則取代了傳統(tǒng)鋰離子電池中的隔膜和電解液。在充電過程中，鋰離子從正極材料中脫離，通過固態(tài)電解質(zhì)遷移到負(fù)極，并發(fā)生反應(yīng)；在放電過程中，鋰離子從負(fù)極材料中釋放出來，通過固態(tài)電解質(zhì)返回到正極材料，同時電子通過外部電路流動，產(chǎn)生電流。

項目第一完成人、中國科學(xué)院青島能源所研究員崔光磊是固態(tài)鋰電池領(lǐng)域領(lǐng)軍人物。他告訴記者，傳統(tǒng)深海電源系統(tǒng)采用鎳鉻、銀鋅電池，能量密度低、造價昂貴，維護(hù)困難，這制約了深海裝備的復(fù)雜工況作業(yè)能力；美國和日本等發(fā)達(dá)國家的深海電源系統(tǒng)開始采用鋰離子電池方案，能量密度有所提升，但技術(shù)對我國封鎖；現(xiàn)有的商品化鋰離子電池，采用液態(tài)有機(jī)電解液傳導(dǎo)鋰離子，閃點低，存在安全隱患，且不耐深海高壓力；以固態(tài)電解質(zhì)替代液態(tài)電解液，發(fā)展的固態(tài)鋰電池，能量密度高，可提供本征安全，且可以承受深海高壓力。因此，固態(tài)鋰電池是深海電源的理想解決方案。然而，單一固態(tài)電解質(zhì)體系存在性能短板，無法滿足深海電源對高能量密度和長壽命的使用要求；電極與固態(tài)電解質(zhì)固固界面阻抗大，且在極端條件下長時間充放電循環(huán)后會發(fā)生固固界面的嚴(yán)重失效。因此亟需突破現(xiàn)有材料體系和電池制造技術(shù)瓶頸，開發(fā)滿足深海電源三高需求的固態(tài)鋰電池。

十年磨一劍的突破

早在2009年，中國科學(xué)院青島能源所固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心在崔光磊研究員的帶領(lǐng)下，就開始布局開展全固態(tài)電池的關(guān)鍵材料和技術(shù)研發(fā)。

研究之初，困擾崔光磊及其團(tuán)隊的難題就是材料問題。在深海極端條件下，壓強非常大，海底10000米的壓強達(dá)到100兆帕，相當(dāng)于將1噸重的汽車放在了1平方厘米大小的指甲上，對電池材料要求極高。

針對這一問題，崔光磊及其團(tuán)隊經(jīng)過十多年的努力，發(fā)現(xiàn)了無機(jī)硫化物快離子傳導(dǎo)新材料，發(fā)明了“剛?cè)岵?jì)+三相滲流”有機(jī)/無機(jī)復(fù)合電解質(zhì)制備技術(shù)、“內(nèi)外兼修”高比能正極材料制備技術(shù)、單體電池原位固態(tài)化技術(shù)等多項突破性技術(shù)。

從2017年至今，崔光磊及其團(tuán)隊研發(fā)的新技術(shù)，多次為各類深?？瓶佳b備提供電源保障。

2017年，中國科學(xué)院青島能源所開發(fā)的高比能固態(tài)鋰電池電源系統(tǒng)隨TS03航次科考船奔赴馬里亞納海溝為萬泉號深海著陸器供能。累計完成9次下潛，最大工作水深10918米，首次實現(xiàn)萬米全海深電源系統(tǒng)的示范應(yīng)用。2020年，全海深固態(tài)鋰電池系統(tǒng)為“滄海”號視頻著陸器提供充足的能量動力，成功保障了“滄海”與“奮斗者”的萬米深海聯(lián)合作業(yè)，實現(xiàn)了全球首次實現(xiàn)萬米洋底直播，為“奮斗者”號拍攝了清晰的視頻畫面，為深海環(huán)境探測、科學(xué)研究提供了有力的電化學(xué)能源技術(shù)支撐。

2023年，在山東省重點研發(fā)計劃（重大科技創(chuàng)新工程）項目支持下，中國科學(xué)院青島能源所研制的高比能固態(tài)鋰電池搭載“蛟龍”號載人潛水器，為我國“蛟龍”號載人潛水器的各類深?？瓶佳b備提供穩(wěn)定可靠的電源保障。

截至目前，高性能固態(tài)鋰電池已累計為各類深海科考裝備提供了100余批次能源支撐，全部實現(xiàn)零故障應(yīng)用，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方面也勢頭強勁。15年的時間，固態(tài)鋰電池從“被限制”發(fā)展到行業(yè)領(lǐng)先水平，崔光磊及其團(tuán)隊夜以繼日的研究成果為我國深海事業(yè)和藍(lán)海戰(zhàn)略發(fā)展提供了安全、可靠的特種電源保障和技術(shù)支撐。

固態(tài)電池技術(shù)先后得到了國家自然科學(xué)杰出青年基金、國家自然科學(xué)基金重點項目、國家自然科學(xué)基金—山東省聯(lián)合基金重點項目、科技部國家重點研發(fā)計劃新能源汽車專項（牽頭單位）、科技部國家重點研發(fā)計劃深海和極地關(guān)鍵技術(shù)與裝備重點專項（牽頭單位）、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項、山東省重大科技創(chuàng)新工程項目等支持。

在核心技術(shù)的知識產(chǎn)權(quán)方面，該項目累計申請國家專利162項，其中授權(quán)中國發(fā)明92項、美國發(fā)明1項、歐洲發(fā)明1項，實用新型17項，發(fā)表論文260余篇，出版專著1部；獲山東省自然科學(xué)一等獎和技術(shù)發(fā)明一等獎，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)和核心產(chǎn)品。

該項目還培養(yǎng)、引進(jìn)了一批國家、省部級高端人才，形成了一支具有國際影響力的固態(tài)鋰電池創(chuàng)新團(tuán)隊。

有望續(xù)航能力翻倍

自古以來，人類文明每一次里程碑式的重大進(jìn)步，都是由能源利用方式革命所推動的。而儲能是新能源與可再生能源發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施，是帶動全球能源格局革命性、顛覆性調(diào)整的重要引擎。在中國，新能源產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為部分城市崛起的“財富密碼”，是推動區(qū)域經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型與可持續(xù)發(fā)展的重要機(jī)遇。

2024年伊始，兩則關(guān)于海外固態(tài)電池取得新進(jìn)展的消息，再度引發(fā)市場對于固態(tài)電池領(lǐng)域的關(guān)注。相比傳統(tǒng)鋰電池，固態(tài)電池的能量密度可從300Wh/kg提升至500Wh/kg，大幅增強續(xù)航能力。安全性方面，由于固態(tài)電池中的固態(tài)電解質(zhì)彈性模量較高，可以有效抑制鋰枝晶的生長，提高電池安全性能。此外，固態(tài)電池通過采用超離子導(dǎo)體、固液結(jié)合、熱管理等方式實現(xiàn)寬溫區(qū)工作。

而中國科學(xué)院青島能源所的“高性能固態(tài)鋰電池材料、技術(shù)及系統(tǒng)應(yīng)用”項目的成果，在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用推廣和經(jīng)濟(jì)社會效益方面，同樣讓人期待。在國家重點研發(fā)計劃新能源汽車專項等重大項目的支持下，該項目固態(tài)鋰電池搭載新能源汽車，完成11089km示范運行。

2020年，在由中國科協(xié)、科技部、工信部等聯(lián)合組織的世界新能源汽車大會上，該項目聚合物復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)成功入選“全球新能源汽車前沿及創(chuàng)新技術(shù)”。同年中國工程院發(fā)布《全球工程前沿2020》，開發(fā)的《基于固態(tài)鋰電池與鋰電容器技術(shù)的全天候“功”“能”兼?zhèn)涞碾娀瘜W(xué)儲能系統(tǒng)》成功入選。

在推進(jìn)成果轉(zhuǎn)化方面，崔光磊及其團(tuán)隊也走在前列。早在2016年就在研究所建立了年產(chǎn)百兆瓦時固態(tài)鋰電池中試線，2020年，在嶗山區(qū)石老人科技創(chuàng)新園建設(shè)了年產(chǎn)200MWh固態(tài)鋰電池生產(chǎn)線，前后為科技部重點研發(fā)計劃、山東省重大科技創(chuàng)新工程項目及青島市未來產(chǎn)業(yè)培育計劃項目等提供逾8000kWh固態(tài)電池產(chǎn)品，強有力支撐了國家新質(zhì)生產(chǎn)力發(fā)展。2022年，成立中科深藍(lán)匯澤新能源（青島）有限責(zé)任公司，致力于固態(tài)鋰電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，助力青島市新能源新材料產(chǎn)業(yè)和山東省“十強”優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展。

在采訪中，團(tuán)隊的負(fù)責(zé)人告訴記者，未來，他們將繼續(xù)立足固態(tài)鋰電池發(fā)展實際，錨定中國電池未來產(chǎn)業(yè)需求，不斷攻克固態(tài)鋰電池發(fā)展中的難題，持續(xù)提質(zhì)賦能，助力固態(tài)能源系統(tǒng)綠色高質(zhì)量發(fā)展。