中國粉體網訊 固態電池是目前公認最具前景的新一代動力電池， 目前固態電池技術處于什么階段？商用市場已達到怎樣的規模？產業鏈又涉及到哪些領域？這些問題受到業內人士普遍關注。 2023年2月21-22日，由中國粉體網主辦的第四屆高比能固態電池關鍵材料技術大會在江蘇常州隆重召開，會議期間，我們邀請到了業內專家、學者，優秀企業家代表做客對話欄目，進行訪談交流。本期為您分享的是中國粉體網對中科院上海硅酸鹽研究所張濤研究員/博士生導師的專訪。
中國粉體網：請問國內固態電池的技術路線是否已經確定了？硫化物還是氧化物？各自的優勢和缺點是什么？
張濤研究員：國內固態電池最終的路線目前還沒有確定，但是一些固態電解質材料的合成路線相對來說是比較明確的。比如氧化物的固態電解質，從材料的層面講，固相法的合成比較適合工業化的大批量的生產，它目前的成本和硫化物固態電解質相比是比較低的，另外它的優點還表現在，具有比較好的和鋰金屬的穩定性，同時鋰離子導電率也比較適中。
另一方面，和氧化物相比，硫化物材料的優勢在于離子導電率高，可以做到10-2S/cm，這甚至與目前的液態電解液的導電率是相當的。但是它也有迫切需要解決的一些問題，比如：從合成的成本來說，目前硫化物的成本可能是氧化物的10倍，另外硫化物材料對鋰金屬不是很穩定，同時也面臨空氣穩定性的問題。隨著全固態電池被廣泛關注，大量的研究也在致力于解決這方面的問題。
氧化物材料的空氣穩定性相對還是比較好的，比如說石榴石結構的LLZO、NASICON 型結構的LATP，特別是LATP本身的空氣穩定性比較好，石榴石結構的LLZO雖然在空氣中和水發生反應形成碳酸鋰，但是目前已有很多研究表明這個問題能夠在很大程度上得到有效的解決。
總體而言，使用氧化物固態電解質的固態電池相對而言可能更快實現產業化，而基于硫化物的全固態電池的產業化可能要靠后一些。目前氧化物固態電解質已經實現噸級的宏量制備與生產，成本上可以有比較好的控制，應用于固態電池上，考慮到它與負極的兼容性，也是比較有利于走向產業化。
中國粉體網：目前限制全固態電池商業化的因素主要有哪些？
張濤研究員：首先，我們需要對全固態電池進行一個定義，它應該不含有任何液態成分。從這個角度來說，全固態電池面臨的困難還是比較多的，我想從兩個層面來講，第一個是從材料的層面，第二個是從電池的層面。
從材料的層面講，因為氧化物材料的剛性比較強，盡管可以做宏量的制備和產業化的合成，但是當材料應用于電池時，鋰離子從固態電解質到固態活性材料之間怎么實現有效的傳輸，這是需要解決的問題；硫化物材料的楊氏模量相對是比較低的，它更容易加工成型，使用冷壓的方法就可以加工成型，但是硫化物從材料的角度來說，成本比較高，宏量制備工藝要求高，應用于電池時，它和鋰金屬的穩定性問題也是特別需要關注的。
從電池的層面講，無論是氧化物還是硫化物，目前大家關注的、迫切需要解決的主要是固態界面的問題，比如說當氧化物材料和正極材料混合時，涉及到“小界面”的問題，還有氧化物固態電解質和鋰金屬負極或者硅基負極以及正極的“大界面”問題。硫化物也面臨著相似的問題。從電池層面要想實現全固態電池就需要解決這個固-固界面問題。
中國粉體網：請您簡單介紹一下固態電解質粉體的主要生產流程及其工藝設備。
張濤研究員：簡單地說，我們目前所關注的氧化物和硫化物固態電解質材料，都可以用固相法來合成，也可以使用液相法來合成，從目前的實踐來看，固相法合成更容易實現大規模的產業化生產，例如氧化物固態電解質使用固相反應法合成，從工藝流程來說，首先就是把各種氧化物原料進行混合、球磨，球磨之后再進行高溫燒結，在燒結的過程中，這些氧化物原料就發生反應生成所需要的晶相，比如LLZO控制它生成為立方相，因為立方相是鋰離子導電率最高的相。隨后對產物進行后續的粉碎、球磨等等，根據你的需要獲得能夠跟正極或固態電池適配的相應粒徑的材料。這就是固相反應法。液相反應法包括很多方法，例如：溶膠凝膠法、化學沉淀法等等，但是目前總體還是以固相反應法為主。
中國粉體網：氧化物固態電解質的陶瓷片界面處理的新方法大致有哪些？
張濤研究員：像剛才提到的小界面、大界面問題，目前是學術界和相關的產業界非常關注的也是迫切需要解決的問題。關于新方法，我可以給大家匯報一些我們團隊在這方面的研究成果，比如說針對氧化物固態電解質和正極活性材料混合時的正極內部小界面問題，提出了鋰供體反應的新技術，所謂鋰供體反應，以LLZO為例，它的表面很容易和空氣中的水發生反應生成碳酸鋰這個惰性層，這樣會制約鋰離子的傳輸，我們利用它表面生成的這個惰性層碳酸鋰，加入四氧化三鈷進行固相反應，在這個固相反應的過程中，表面的惰性碳酸鋰就與四氧化三鈷反應生成鈷酸鋰，而鈷酸鋰正是鋰離子電池使用的一種活性物質，當使用這種表面活化的固態電解質和鈷酸鋰這種活性物質混合時，就實現了表面同質化，圍繞固態電解質顆粒形成高效離子傳輸通道，加快鋰離子在正極內部的縱向傳輸；同時，得益于正極顆粒間界面的適配，可以實現鋰離子在整個正極的快速均勻擴散。這是我們針對小界面的一個新技術。
大界面方面，包括固態電解質與正極、固態電解質與負極之間的界面，我們最近提出了一個在固態電解質和正極之間建立一個表面配位界面的新方法，在固態電解質與負極界面方面提出了鋰熱還原的新方法，就是利用熔融鋰與固態電解質之間反應從而生成氧化鋰納米顆粒，同時在固態電解質表面產生氧空位，目的也是加快鋰離子在界面處的均勻擴散。
以上是我們課題組的一些情況。國內學術界和產業界現在也有很多優秀的研究和開發。總的來說，界面的改性和調控方法是多樣的，創新性的研究和技術正在不斷涌現。
中國粉體網：請您介紹一下您在固態鋰金屬電池領域的研究成果及產業化進展。
張濤研究員：剛才介紹的是我們課題組在固態電池界面方面的一些進展。補充一下，在材料方面，非常關注材料的穩定性，因為涉及到產業化生產，生產出來的材料，第一，我們希望是能夠精簡工藝的流程，第二，是生產出來的材料能夠在空氣中保持它的穩定性，這也是降低成本很重要的一個方面。
比如說現在石榴石結構的固態電解質，聚焦于它在空氣中的穩定性，就像剛才講的鋰供體反應，不僅解決它和正極材料之間的小界面問題，同時也會提高它的空氣穩定性，目前這個粉體在空氣中穩定地放置6個月，它的表面沒有新的惰性層生成。最近進一步的研究表明，可以把這個時間提高到9個月，表面沒有生成惰性層，比較有效地解決了石榴石型固態電解質在空氣中的穩定性問題。
關于產業化進展方面，基于固態電解質材料方面的研究成果，我們和上海洗霸科技股份有限公司在去年7月份簽署了聯合共建實驗室的協議，在去年9月份和上海洗霸合作實現了成果的轉化，簽署了技術轉化的合同。去年11月份成立了上海科源固能新能源科技有限公司這樣一個合資公司，目前已經建立了一個噸級至拾噸級的氧化物固態電解質生產標準線。今年1月份第一釜的產品已經做出來了，從理化性能到電化學性能測試方面也是符合預期的設計標準的。
接下來，我們要進行噸級到拾噸級的標準線的優化，同時很重要的一點是，結合目前一些客戶的送樣情況和反饋情況，把氧化物固態電解質粉體做產品的定型，這個過程可能是反復的一個過程，需要根據客戶的要求，比如粒徑、晶型、穩定性等方面配合客戶電池開發的需求，我們目前正在推進這個過程。
（中國粉體網采訪/初末、文字整理/平安，經張濤研究員審閱）
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