國家“十三五”規(guī)劃加大了對新能源汽車尤其是純電動汽車的布局與規(guī)劃，而新能源汽車健康發(fā)展的關鍵是動力電池，固態(tài)電池是新能源汽車動力電池有效提高能量密度同時確保安全性的必由之路，而綜合性能優(yōu)異的新型固態(tài)電解質(zhì)體系是發(fā)展固態(tài)電池的關鍵所在。當前固固界面的接觸阻抗大問題一直是困擾和阻礙固態(tài)電池發(fā)展的瓶頸問題之一。如何降低固固界面接觸阻抗已經(jīng)成為科學界和產(chǎn)業(yè)界研發(fā)的熱點和難點。
依托中國科學院青島生物能源與過程研究所建設的青島儲能產(chǎn)業(yè)技術研究院一直致力于高性能固態(tài)電池關鍵材料開發(fā)和固態(tài)電池固固界面的修復完善工作。該院研究團隊創(chuàng)造性地提出了“剛柔并濟”聚合物電解質(zhì)的設計理念，創(chuàng)新性地構建了復合電解質(zhì)材料體系，制備出一系列綜合性能優(yōu)異的固態(tài)聚合物電解質(zhì)體系(Energy Storage Materials，2016，5，139-；Journal of Materials Chemistry A，2016，4，10070)，有效解決了聚合物電解質(zhì)各項性能不能兼顧的難題，發(fā)展了新型的固態(tài)電解質(zhì)關鍵材料體系。
針對固態(tài)電池發(fā)展中固固界面阻抗過大的瓶頸問題，儲能院團隊研究成員從改善固固界面接觸問題入手，認真分析影響電池界面性能的諸多不利因素(Journal of Materials Chemistry A，2015，3，4092；Chemistry of Materials，2016，28，3578)，總結科學問題和規(guī)律，借鑒電池固態(tài)電解質(zhì)界面(SEI)的思路，創(chuàng)造性地提出“原位自形成固態(tài)電解質(zhì)”的解決方案，采取原位聚合形成固態(tài)聚合物電解質(zhì)技術路線，構筑一體化固態(tài)電池，有效降低界面阻抗和提升電池綜合性能。該方法能夠用于固態(tài)電池固固界面的修復，優(yōu)化固固界面性能。基于此設計理念，青島儲能院研究團隊將小分子量的VC(碳酸亞乙烯酯)通過原位自由基聚合形成高分子量的PVC(聚碳酸亞乙烯酯)固態(tài)聚合物電解質(zhì)。經(jīng)表征發(fā)現(xiàn)，該方法用于4.35V鈷酸鋰電池可極大降低界面阻抗并有效拓寬電化學窗口，大大提升了固態(tài)電池的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能(Advanced Sciences，2016，DOI：10.1002/advs.201600377)。此外，通過加熱產(chǎn)生引發(fā)劑原位引發(fā)聚合形成聚三乙二醇二乙烯基醚固態(tài)聚合物電解質(zhì)，構筑一體化離子電池，成功實現(xiàn)聚合物電解質(zhì)/電極界面之間的緊密接觸，降低界面阻抗，大大提升電池的循環(huán)穩(wěn)定性(Small，2016，DOI：10.1002/smll.201601530)。“原位自形成固態(tài)電解質(zhì)”的解決方案不僅可以有效降低固固接觸阻抗；還能簡化固態(tài)電池的制作步驟，與現(xiàn)有液態(tài)鋰離子電池成產(chǎn)設備和工藝相兼容，具有廣闊的產(chǎn)業(yè)化推廣前景。
鑒于電動汽車市場的快速發(fā)展以及國家“十三五”戰(zhàn)略規(guī)劃的宏觀布局，迫切需要開發(fā)新型超高能量密度鋰空二次電池。研發(fā)團隊著眼于鋰空電池，探索構筑了“三明治”鋰空聚合物電解質(zhì)，旨在提升鋰空電池的綜合性能(Advanced Science，2015，2，1500092；Advanced Energy Materials，2016，6，1600751)。
在固態(tài)單體電池的器件制備方面，青島儲能院采用“剛柔并濟”和“原位自形成機制”的聚合物電解質(zhì)設計理念，已開發(fā)出6Ah大容量三元固態(tài)鋰電池。能量密度超過250Wh/kg，循環(huán)壽命超過500圈，通過五次穿釘實驗，固態(tài)電池并未起火和爆炸，安全性能極佳，而且在拔除釘子后電壓有所恢復，這再一次彰顯出固態(tài)電解質(zhì)良好的自修復性能和安全性能。除此之外，固態(tài)鋰電池機械強度高，已通過11000米模擬深海壓力艙實驗，現(xiàn)在正準備深海搭載實驗。相關技術已申請中國發(fā)明專利29項，國際PCT專利3項。
NCM(622)/SPE/Li固態(tài)鋰電池安全測試——多次針刺電壓\溫度變化曲線(5次針刺)該項目得到中科院納米先導專項長續(xù)航能力動力電池項目、山東省前瞻技術基金、青島市儲能基金和青島能源所“135”項目大力支持。
