半島全媒體記者 王春燕
7月26日，2023年度山東省科技進步獎揭曉，由中國科學院青島生物能源與過程研究所崔光磊研究員牽頭完成的【高效能固態鋰電池材料、技術及系統套用】計畫，獲得山東省科技術發明一等獎。
崔光磊研究員在電池研制現場照片
據了解該計畫研制的高效能固態鋰電池在全海深電源系統、規模儲能、新能源汽車及無人機等領域實作了套用，取得了顯著的經濟社會效益。同時該計畫還培養、引進了一批國家、省部級高端人才，形成了一支具有國際影響力的固態鋰電池創新團隊。
深海電源是深海裝備的能源保障
深海裝備是貫徹深海戰略的核心，而深海電源系統又是深海裝備的能源保障，需要滿足高耐壓、高安全、高能量密度的「三高」苛刻要求。然而，中國深海電源系統的發展長期滯後。傳統深海電源系統采用鎳鉻、銀鋅電池，能量密度低、造價昂貴，維護困難，這制約了深海裝備的復雜工況作業能力。美國和日本等已開發國家的深海電源系統開始采用鋰離子電池方案，能量密度有所提升，但技術對中國封鎖。現有的商品化鋰離子電池，采用液態有機電解液傳導鋰離子，閃點低，存在安全隱患，且不耐深海高壓力；以固態電解質替代液態電解液，發展的固態鋰電池，能量密度高，可提供本征安全，且可以承受深海高壓力。固態鋰電池成為深海電源的理想解決方案。
百萬瓦時級固態鋰電池能源基站支撐深海智慧探測
然而，單一固態電解質體系存在效能短板，無法滿足深海電源對高能量密度和長壽命的使用要求；電極與固態電解質固固界面阻抗大，且在極端條件下長時間充放電迴圈後會發生固固界面的嚴重失效。要改變這種狀況，急需突破現有材料體系和電池制造技術瓶頸，開發滿足深海電源三高需求的固態鋰電池。
三大突破點，實作國際領先
計畫創新了固態電解質材料體系，突破了固態鋰電池關鍵制造技術，並行展了雙源動力系統整合技術，最終開發出國際領先的深海電源系統。
其關鍵突破點之一是，采用了「三相滲流」復合固態電解質關鍵材料制備技術。針對單一固態電解質體系無法兼顧離子傳輸和機械效能的瓶頸問題，而該計畫提出「三相滲流」復合固態電解質設計理念，在快離子導體中填充聚合物，改善電解質機械效能的同時，建立界面離子傳輸通道，構建出無機相、聚合物相、界面相的三相快速傳鋰的復合固態電解質，顯著提升其綜合效能。
「三相滲流」復合電解質的設計理念改善了界面相容性，大幅提高了固態電池的綜合效能。針對全海深百兆帕高壓力環境下界面失效的瓶頸問題，該計畫透過彈性聚合物多級包覆及差異化界面設計，顯著提升了電極的離子、電子電導、附著力和界面相容性。同時發明了原位聚合固態化界面融合技術，利用聚合物單體、鋰鹽及塑性晶體分子間強交互作用形成低溫共熔前驅體，浸潤正負極多尺度界面，透過引發聚合實作電極片與電解質膜界面的一體化融合，實作了固態鋰電池的批次化制備。與國際同類在研技術相比，能量密度及充放電迴圈壽命等各項指標均得到顯著提升。
而針對在超高功率復雜工況下，固態鋰電池動力效能不足的瓶頸問題，創新整合高比能固態鋰電池與高功率電池電容器，開發出「功」、「能」兼備的電池電容雙源動力系統。與國際知名公司開發的電源系統相比，該計畫開發的雙源動力系統動力效能得到顯著提升，且同等重量下續航能力翻倍。
提供百余批次深海固態能源系統，實作零故障執行
固態電解質和固態鋰電池從本征上解決了商品液態鋰電池安全問題，具有極高的可靠性，該計畫先後提供共110批次深海固態能源系統，全部實作安全、可靠、零故障執行。
計畫高比能固態鋰電池技術的歷經十余年的創新發展，至今已經發展到最新的第四代，能量密度超過500Wh/kg，突破商品鋰離子電池能量密度天花板。該計畫固態鋰電池技術創新性強，在全海深極端條件下，實作了能源系統的成功套用，達到了國際領先水平。
記者了解到，此計畫產生了巨大的社會和經濟效益。
青能-I為萬泉號深海著陸器提供電源系統，累計完成9次下潛，最大工作水深10918公尺，首次實作萬米全海深電源系統的示範套用。
青能-II電源系統隨「探索一號」科考船在馬利安納海溝單次續航長達26天，圓滿完成全海深套用，扭轉中國萬米全深海科考依賴電纜供電的尷尬局面。
2020年，計畫深海電源系統成功保障了「滄海」與「奮鬥者」的萬米深海聯合作業，實作了全球首次萬米洋底直播。
青能所研發的固態鋰電池深海電源先後服務於萬泉、天涯、海鬥、深海勇士等深海裝備，在中國科學院深戰略性先導科技專項支持下，搭建了百萬瓦時級深海能源基站，彰顯了中國在深海裝備領域的跨越式發展，產生了巨大的社會效益。
百萬瓦時級固態鋰電池能源基站支撐深海智慧探測
記者了解到計畫聚焦青島，推進成果轉化，與數家上市企業開展廣泛合作；在嶗山區建設了固態鋰電池生產線；在青島城陽區落地固態電池系統整合計畫，助力青島綠色低碳新能源產業高品質發展。
