“高能量密度納米固態(tài)金屬鋰電池研究”項目介紹

郭 玉 國

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“高能量密度納米固態(tài)金屬鋰電池研究”項目介紹

郭 玉 國

（中國科學院化學研究所，北京 100190；“高能量密度納米固態(tài)金屬鋰電池研究”項目組）

以金屬鋰作為負極的可充放鋰二次電池從理論上分析具有很高的能量密度。但是在使用液態(tài)電解質的金屬鋰電池內(nèi)部，充放電過程中金屬鋰表面會形成孔洞和枝晶，導致鋰電極粉化。鋰枝晶可能會刺穿多孔聚合物隔膜造成電池內(nèi)短路，粉化后的鋰電極與液態(tài)電解質間的界面副反應會更為嚴重，導致界面電阻增加并帶來易燃燒。2016年科技部立項的國家重點研發(fā)計劃納米科技重點專項“高能量密度納米固態(tài)金屬鋰電池研究”將研究開發(fā)能量密度大于400 W·h/kg的納米固態(tài)金屬鋰電池，解決金屬鋰電池面臨的循環(huán)性和安全性難題。通過該項目的實施，有望實現(xiàn)納米科技由基礎研究到產(chǎn)業(yè)應用的飛躍，推動納米科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展，為下一代高能量密度鋰二次電池關鍵材料與技術發(fā)展奠定堅實的科學基礎，為高端消費電子、電動汽車、國家安全、航空航天、規(guī)模儲能等相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供關鍵支撐。

固態(tài)鋰電池；金屬鋰負極；固態(tài)電解質；納米結構材料

2016年2月，科技部發(fā)布了國家重點研發(fā)計劃“納米科技”等重點專項2016年度項目申報指南。2016年6月，“納米科技”重點專項在7個技術方向（新型納米制備與加工技術、納米表征與標準、納米生物醫(yī)藥、納米信息材料與器件、能源納米材料與技術、環(huán)境納米材料與技術和納米科技重大問題）啟動了43個項目，其中，“能源納米材料與技術”領域包括“5.2納米能量存儲材料及器件”方向。指南中明確該方向的考核指標為：研制綜合性能優(yōu)異的納米正負極材料、固體電解質材料、具有納米尺度界面修飾功能的添加劑材料以及納米復合隔膜材料。新型納米電極材料的鋰電池儲能密度大于400 W·h/kg。針對指南方向“5.2”，中國科學院化學研究所作為項目牽頭單位，聯(lián)合清華大學、南開大學、中國科學院物理研究所等研究單位，申請了“高能量密度納米固態(tài)金屬鋰電池研究”項目，并獲得了支持?，F(xiàn)對本項目的主要研究思路進行說明。

1 項目目的和意義

近年來隨著先進通訊終端、電動汽車、規(guī)模儲能等領域的快速發(fā)展，對高能量密度二次電池需求十分迫切。以金屬鋰作為負極的可充放鋰二次電池從理論上分析具有很高的能量密度。但是在使用液態(tài)電解質的金屬鋰電池內(nèi)部，充放電過程中金屬鋰表面會形成孔洞和枝晶，導致鋰電極粉化。鋰枝晶可能會刺穿多孔聚合物隔膜造成電池內(nèi)短路，粉化后的鋰電極與液態(tài)電解質間的界面副反應會更為嚴重，導致界面電阻增加并更容易燃燒。雖然研發(fā)金屬鋰電池非常有挑戰(zhàn)性，歷時已經(jīng)五十余年，然而一旦開發(fā)成功兼具高安全性、長壽命和高能量密度的新型金屬鋰電池技術，將具有革命性的意義。

國家重點研發(fā)計劃納米科技重點專項“高能量密度納米固態(tài)金屬鋰電池研究”項目將研究開發(fā)新型納米固態(tài)金屬鋰電池，解決金屬鋰電池面臨的循環(huán)性和安全性難題，開發(fā)新型固態(tài)金屬鋰電池。通過該項目的實施，將顯著豐富納米固體離子學、納米儲能材料、固態(tài)電化學等相關基礎科學方面的知識，獲得兼具高能量密度、高功率密度、長壽命、高安全、低成本的下一代新型固態(tài)鋰電池，實現(xiàn)納米材料在高性能儲能器件方面的應用。

2 項目總體目標

針對采用金屬鋰負極、固體電解質、嵌入化合物正極的固態(tài)鋰電池中的熱力學、動力學、界面、穩(wěn)定性問題獲得高空間分辨、時間分辨、能量分辨的系統(tǒng)科學認識；全面掌握納米結構材料在固態(tài)鋰電池中的應用技術。在此基礎上，開發(fā)關鍵電極與電解質材料，研制出10 A·h級以上，質量能量密度3400 W·h/kg，體積能量密度3800 W·h/L，綜合技術指標優(yōu)異的固態(tài)鋰電池并實現(xiàn)示范應用。

3 項目主要研究內(nèi)容和主要技術指標

本項目將系統(tǒng)研究金屬鋰負極的電化學沉積/析出過程，表界面化學組成與結構演化規(guī)律，金屬鋰/固體電解質界面電極過程動力學等關鍵科學問題；研制新型高比能納米正極，納米結構金屬鋰負極，納米導電添加劑，納米復合固體電解質膜材料；開發(fā)抑制金屬鋰枝晶生長及提高電池功率密度等關鍵技術。

主要技術指標包括：開發(fā)出10 A·h級以上、兼具高質量能量密度和高體積能量密度、綜合技術指標優(yōu)異的固態(tài)鋰電池并實現(xiàn)示范應用；質量能量密度3400 W·h/kg ，體積能量密度3800W·h/L，循環(huán)31000 次，功率密度32000 W/kg，能量效率390%，每月自放電率￡2%。

4 項目團隊及研究基礎介紹

本項目將依托中國科學院化學研究所、中國科學院物理研究所、清華大學和南開大學等單位，集中國內(nèi)納米固態(tài)鋰電池相關領域的研究團隊。團隊成員陳立泉院士曾開創(chuàng)了我國固態(tài)鋰電池研究先河。前期研究中，團隊成員在金屬鋰表面修飾、固體電解質膜材料、納米電極材料、固態(tài)電池等方面積累了豐富的知識；提出了多種抑制鋰枝晶的方法，包括利用三維納米銅集流體來引導金屬鋰在三維電極內(nèi)部均勻沉積與溶解；發(fā)展了人工磷酸鋰固體電解質界面膜、納米鋰硼纖維、三維石墨烯、二氧化硅固體電解質、聚合物氧化物復合固體電解質等；開展了原子/分子/納米尺度上固態(tài)電池的電子結構、晶體結構、界面結構、界面反應的研究。這些前期研究為本項目的實施奠定了堅實的科學基礎。

5 技術挑戰(zhàn)與風險

下一代固態(tài)鋰電池的技術路線存在著多種選擇，如何選擇合理的技術路線，確定突破關鍵技術的方法是研發(fā)成功的關鍵。為此需要通過系統(tǒng)的熱力學及工程化的計算，并結合實際的研究結果，制定相應的技術路線。目前，基于前期的研究成果，我們的技術路線已經(jīng)基本可以實現(xiàn)能量密度技術指標要求。此外，項目研究隊伍由富有經(jīng)驗的一線科研人員組成。研究團隊成員同時還與國內(nèi)外領先的多個研究小組以及相關企業(yè)保持密切的合作關系，這為本項目的開展奠定了較好的實驗基礎。項目啟動后，將根據(jù)項目研究成果和進展，通過項目管理委員會、學術委員會對技術路線的選擇做進一步的優(yōu)化。在研究過程中及時調整不合適的研究路線，強化優(yōu)勢方向，應該說完成本項目核心目標的技術風險基本完全可控。

6 項目預期效益

固態(tài)電池在規(guī)模儲能、電動汽車、地質勘探、石油鉆井、航空航天、國防安全中具有不可替代的應用前景。固態(tài)鋰電池的發(fā)展可以說是電池領域的技術革命。而采用多種納米技術的固態(tài)鋰電池，將有可能盡快將這一期望變成現(xiàn)實。當前，鋰離子電池的全球市場已經(jīng)非常巨大，固態(tài)鋰電池的出現(xiàn)和開發(fā)成功并逐步替代液態(tài)鋰離子電池，將具有十分重要的經(jīng)濟價值，顯著增強我國在先進電池方面的核心競爭力，推動納米技術走向實際應用。

Project “High-energy solid-state lithium metal batteries based on nanostructured materials”

GUO Yuguo

(Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

Ministry of Science and Technology of the People’s Republic of China (MOST) initiates nanotechnology project in Feb. 2016 for next 5 years. Totally 43 projects concerning seven research fields are announced in Jun. 2016. Among the field of “energy storage materials based on nanostructure and nanotechnology”, “energy storage materials and devices based on nanomaterials” is aimed at advanced high-energy rechargeable lithium batteries. A research team led by Prof. GUO Yuguo from Institute of Chemistry of the Chinese Academy of Sciences, has been granted with the project titled “high-energy solid-state lithium metal batteries based on nanostructured materials”. In this project, advanced solid-state lithium metal batteries with high energy density (3400 W·h/kg,3800 W·h/L) and long cycle lifespan (31000 cycles) will be developed.

solid-state lithium batteries; lithium metal anode; solid-state electrolytes; nanostructured materials

10.12028/2095-4239.2016.0066

TM 911

A

2095-4239（2016）06-919-03

2016-09-01；修改稿日期：2016-09-04。

國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFA0202500）。

郭玉國（1978—），男，研究員，研究方向為納米能源材料與新能源器件、納米體系離子、電子存儲與輸運、功能納米材料與二次電池，E-mail：ygguo@iccas.ac.cn。