中科院物理研究所禹習謙：我國當前第三代納米硅碳負極達到國際領先水平

2023年5月起，“學習強國”學習平臺與中國科學報社聯合發起“科學家回信”活動，邀請廣大讀者向自己心中向往尊敬的科學家、科技工作者提問、留言。活動啟動后，“學習強國”“科學網App”收到了讀者的踴躍留言。我們精選了讀者彭家彪的提問，請中國科學院物理研究所研究員、博士生導師禹習謙發出第五十七期回信。

讀者彭家彪：新能源電池技術材料有什么突破嗎？

禹習謙：新能源汽車動力電池的關鍵材料是正負極活性材料和電解質材料。關鍵材料的技術創新是實現固液混合電池直至全固態電池的基礎。

正極材料方面，正極材料采用高鎳三元材料和磷酸鐵鋰材料，近年來通過不斷提高三元材料中的鎳含量來提升能量密度。此外，高電壓正極材料、富鋰錳基、超高鎳三元等正極材料也均實現性能上的突破并逐步開始產業化應用。

目前，超薄固態電解質包覆高容量正極材料并結合多級結構設計技術已成功應用于固態電池，實現了降低界面電阻、阻止氧氣釋放以及穩定體相結構等效果。

負極材料方面，高容量納米硅碳負極材料通過結構設計和表面包覆，例如形成“元宵”結構、“魚皮花生”結構、“核桃”結構，實現硅碳負極各向同性超低膨脹、超長壽命、高倍率的突破效果，能夠滿足實際應用需求。當前市場上第三代納米硅碳負極達到2000毫安時每克，該材料由我國自主研發，達到國際領先水平。

正負極材料作為電池中存儲能量的材料，其容量的提升可以使得電池能量密度得到顯著提升。比如，采用磷酸鐵鋰正極和石墨負極的電池能量密度可以達到170瓦時每公斤，作為動力電池能支持新能源汽車續航超過400公里，而采用更高容量的高鎳正極和硅碳負極的鋰離子電池能量密度可以超過300瓦時每公斤，支持續航超過700公里。

能量密度提升帶來的顯著問題是電池安全問題，使用化學性質更穩定的固態電解質代替鋰離子電池中易燃的液態電解液，是解決高能量密度電池安全性問題的關鍵。目前正在研發的固態電解質材料有聚合物、氧化物、硫化物和聚合物/氧化物復合等類型。其中復合型固態電解質已經取得突破。如中國科學院物理研究所團隊開發的“原位固態化”技術，可以將電池中的液態電解液原位轉化成復合型固態電解質。該技術目前已經應用到了量產的產品中，使能量密度達到360瓦時每公斤的單體電池可以通過嚴苛的安全性測試，其優點在于不發生起火情況，高能量密度也支持新能源汽車續航首次超過1000公里。同時，該技術也已批量用于無人機電池，使得續航能力提升20%，壽命延長1倍。

總體來看，固態電池的關鍵材料需要不斷發展以滿足性能需求，正極材料會由目前的三元材料向高鎳三元材料、富鋰材料過渡，直至滿足固態電池需求的高比容量新型正極材料；負極材料會從石墨負極，過渡到硅碳負極，最后到金屬鋰負極；固態電解質由固液混合電解質、準固態電解質最后到全固態電解質逐步發展。

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