问题描述

全固态锂金属电池使用高电导率的全固态电解质膜来代替传统锂离子电池中的聚合物隔膜及电解液，并使用锂金属负极来代替低能量密度的石墨负极，拥有当前锂离子电池体系无法比拟的能量密度及安全性优势，非常有潜力成为下一代高性能电化学储能设备，推动交通电气化及低碳经济的发展。目前，全固态锂金属电池在原材料开发、电芯设计、生产工艺、智能制造、系统测试等环节还面临着诸多突出难题，还没有任何一种固态电解质能够满足全固态锂金属电池的所有要求，也没有任何一家机构宣称已成功制造出商用规模的全固态锂金属电池，全固态锂金属电池的工程化还处在萌芽阶段。通过国家的战略统筹，加速解决如何实现全固态锂金属电池的工程化应用问题，不仅是我国科学技术进步的象征，推动低碳经济发展的必然需求，也是稳固我国在储能领域国际领先地位的坚实保障。

问题背景

随着社会的发展，锂离子电池逐渐从手机电池拓展到其他消费电子、医疗电子、电动工具、无人机、电动汽车、通讯基站、航空航天、国家安全等领域，对锂离子电池能量密度的要求越来越高，传统锂离子电池的理论能量密度极限正在被一步一步地逼近，开发下一代高性能电化学储能技术刻不容缓。在诸多新型电化学储能体系中，能同时兼具高能量密度及高安全性的体系并不多见，而全固态锂金属电池则是其中非常有商业化潜力的候选体系。全固态锂金属电池使用能量密度高、标准电势低的锂金属负极，其能量密度能达到500 Wh/kg（1000 Wh/L）以上。同时由于不使用聚合物隔膜及电解液，全固态锂金属电池也有望比传统锂离子电池更安全、耐高温。这两项优势让全固态锂金属电池在交通电气化领域有着无可比拟的吸引力，因此也成为国内外许多企业、高校、科研院所等竞相追逐的研究热点。然而，由于全固态电池的固固界面和传统液态电池的固液界面存在根本上的区别，锂金属性质又跟传统石墨负极性质迥然各异，因此无论是从技术上的突破还是产业链的可塑造性上均存在诸多难题。

最新进展（截止问题发布年度）

通过几十年的研究，在材料开发方面，不同类型的固态电解质（聚合物、氧化物、硫化物、卤化物、错体水素化合物等）已经能够被成功地合成制备出来。通过材料复合、界面保护等策略的使用，现有固态电解质材料已经能够初步满足实验室原型电池的制作及测试。同时，学术界和产业界在此过程中也积累了一批拥有固态电解质开发及测试表征能力的团队。在未来固态锂金属电池的开发中，固态电解质的开发主要需解决如下几个问题：（1）高离子电导率；（2）正极兼容性；（3）锂金属适配性；（4）空气稳定性；（5）易批量生产。不同体系的固态电解质开发过程中需要解决不同的问题，最终具有上述所有性能的新型固态电解质将成为理想的选择。

当然全固态锂金属电池材料的工程化不仅受限于固态电解质的产业化开发，锂金属负极、正极材料，甚至粘结剂、导电剂等辅助材料的工程化及产业化也至关重要。锂金属枝晶的生长机理、抑制策略、界面的机械化学稳定性等都需要更深刻的科学理解；正极材料自身的稳定性、包覆材料、缺陷和微结构、体积变化等对电化学性能的影响也需要逐一掌握；如何构筑高效的电子离子通道、如何使高面容量复合正极保持优良的电化学性能、如何降低循环过程中的外压，这些问题无一不是固态锂金属电池材料工程化路上需要解决的重大技术挑战。

虽然在材料工程化开发方面有一定的进展，学术界和产业界在全固态锂金属电池电芯设计、生产工艺、智能制造设备及系统测试上的工程化经验非常有限。大部分学术团队还停留在小尺寸模型电池的阶段，小部分学术团队和产业界研发团队也刚刚开始小容量软包电池的开发，全固态锂金属电池的智能制造设备开发尚未成熟，系统测试数据较少，因此，现阶段加大电芯设计、生产工艺、智能制造设备和系统测试上的投入对实现全固态锂金属电池的工程化至关重要且恰逢其时。在生产工艺上，虽然目前已经开发出了干法和湿法两大类工艺，但是高质量、大产量的生产线还没有成型，全固态锂金属电池的产业化道路任重而道远。近期，国外（主要是日、韩、美）几家公司（如丰田、三星、Quantumscape，Solid Power等）发布了全固态锂金属电池的产业化进展和未来计划，让国内研发团队在看到希望的同时也感受到了一定的压力，国内的全固态锂金属电池工程化及产业化推进迫在眉睫。未来在全固态锂金属电池电芯设计上需解决如下问题：（1）电芯体积变化；（2）降低或消除循环外压；（3）电芯安全性；（4）电芯循环寿命等。在生产工艺上，着重要解决的如下问题：（1）电解质膜电导率；（2）电解质膜机械强度；（3）正极活性物质含量；（4）正极面容量；（5）薄锂金属负极；（6）电芯内部界面；（7）放大工艺；（8）环境友好工艺。在智能制造上需解决如下问题：（1）低固含浆料的涂布设备；(2)电解质膜的量产设备；（3）半成品的智能转运；(4)组装及测试设备。在系统测试上需解决如下问题：（1）系统的电化学数据；（2）热失控和热扩散；（3）全生命周期的安全性行为等。

很显然，材料开发、电芯设计、生产工艺、智能制造、系统测试是实现全固态锂金属电池产业化五个相互联系、不可分割的环节，因此亟需从国家层面促进、加强各个环节的合作交流，完善全固态锂金属电池的产业链，以此追赶在此领域走在前面的日、韩、美等国家。

重要意义

如何实现全固态锂金属电池工程化应用属于世界性难题，解决此问题意义重大。它不仅能够体现我国科研、制造及人才储备等方面实力，也能够极大地满足人们对高能量密度、高安全性电化学储能系统的需求，有效地推进我国低碳环保经济发展模式，更能够稳固我国在电化学储能领域的领先地位，防止未来外国企业对中国市场的控制。全固态锂金属电池必将成为未来的大国重器，攻克此工程技术难题势在必行。