“高能量密度纳米固态金属锂电池研究”项目介绍

郭 玉 国



“高能量密度纳米固态金属锂电池研究”项目介绍

郭 玉 国

（中国科学院化学研究所，北京 100190；“高能量密度纳米固态金属锂电池研究”项目组）

以金属锂作为负极的可充放锂二次电池从理论上分析具有很高的能量密度。但是在使用液态电解质的金属锂电池内部，充放电过程中金属锂表面会形成孔洞和枝晶，导致锂电极粉化。锂枝晶可能会刺穿多孔聚合物隔膜造成电池内短路，粉化后的锂电极与液态电解质间的界面副反应会更为严重，导致界面电阻增加并带来易燃烧。2016年科技部立项的国家重点研发计划纳米科技重点专项“高能量密度纳米固态金属锂电池研究”将研究开发能量密度大于400 W·h/kg的纳米固态金属锂电池，解决金属锂电池面临的循环性和安全性难题。通过该项目的实施，有望实现纳米科技由基础研究到产业应用的飞跃，推动纳米科技产业发展，为下一代高能量密度锂二次电池关键材料与技术发展奠定坚实的科学基础，为高端消费电子、电动汽车、国家安全、航空航天、规模储能等相关产业的发展提供关键支撑。

固态锂电池；金属锂负极；固态电解质；纳米结构材料

2016年2月，科技部发布了国家重点研发计划“纳米科技”等重点专项2016年度项目申报指南。2016年6月，“纳米科技”重点专项在7个技术方向（新型纳米制备与加工技术、纳米表征与标准、纳米生物医药、纳米信息材料与器件、能源纳米材料与技术、环境纳米材料与技术和纳米科技重大问题）启动了43个项目，其中，“能源纳米材料与技术”领域包括“5.2纳米能量存储材料及器件”方向。指南中明确该方向的考核指标为：研制综合性能优异的纳米正负极材料、固体电解质材料、具有纳米尺度界面修饰功能的添加剂材料以及纳米复合隔膜材料。新型纳米电极材料的锂电池储能密度大于400 W·h/kg。针对指南方向“5.2”，中国科学院化学研究所作为项目牵头单位，联合清华大学、南开大学、中国科学院物理研究所等研究单位，申请了“高能量密度纳米固态金属锂电池研究”项目，并获得了支持。现对本项目的主要研究思路进行说明。

1 项目目的和意义

近年来随着先进通讯终端、电动汽车、规模储能等领域的快速发展，对高能量密度二次电池需求十分迫切。以金属锂作为负极的可充放锂二次电池从理论上分析具有很高的能量密度。但是在使用液态电解质的金属锂电池内部，充放电过程中金属锂表面会形成孔洞和枝晶，导致锂电极粉化。锂枝晶可能会刺穿多孔聚合物隔膜造成电池内短路，粉化后的锂电极与液态电解质间的界面副反应会更为严重，导致界面电阻增加并更容易燃烧。虽然研发金属锂电池非常有挑战性，历时已经五十余年，然而一旦开发成功兼具高安全性、长寿命和高能量密度的新型金属锂电池技术，将具有革命性的意义。

国家重点研发计划纳米科技重点专项“高能量密度纳米固态金属锂电池研究”项目将研究开发新型纳米固态金属锂电池，解决金属锂电池面临的循环性和安全性难题，开发新型固态金属锂电池。通过该项目的实施，将显著丰富纳米固体离子学、纳米储能材料、固态电化学等相关基础科学方面的知识，获得兼具高能量密度、高功率密度、长寿命、高安全、低成本的下一代新型固态锂电池，实现纳米材料在高性能储能器件方面的应用。

2 项目总体目标

针对采用金属锂负极、固体电解质、嵌入化合物正极的固态锂电池中的热力学、动力学、界面、稳定性问题获得高空间分辨、时间分辨、能量分辨的系统科学认识；全面掌握纳米结构材料在固态锂电池中的应用技术。在此基础上，开发关键电极与电解质材料，研制出10 A·h级以上，质量能量密度³400 W·h/kg，体积能量密度³800 W·h/L，综合技术指标优异的固态锂电池并实现示范应用。

3 项目主要研究内容和主要技术指标

本项目将系统研究金属锂负极的电化学沉积/析出过程，表界面化学组成与结构演化规律，金属锂/固体电解质界面电极过程动力学等关键科学问题；研制新型高比能纳米正极，纳米结构金属锂负极，纳米导电添加剂，纳米复合固体电解质膜材料；开发抑制金属锂枝晶生长及提高电池功率密度等关键技术。

主要技术指标包括：开发出10 A·h级以上、兼具高质量能量密度和高体积能量密度、综合技术指标优异的固态锂电池并实现示范应用；质量能量密度³400 W·h/kg ，体积能量密度³800W·h/L，循环³1000 次，功率密度³2000 W/kg，能量效率³90%，每月自放电率£2%。

4 项目团队及研究基础介绍

本项目将依托中国科学院化学研究所、中国科学院物理研究所、清华大学和南开大学等单位，集中国内纳米固态锂电池相关领域的研究团队。团队成员陈立泉院士曾开创了我国固态锂电池研究先河。前期研究中，团队成员在金属锂表面修饰、固体电解质膜材料、纳米电极材料、固态电池等方面积累了丰富的知识；提出了多种抑制锂枝晶的方法，包括利用三维纳米铜集流体来引导金属锂在三维电极内部均匀沉积与溶解；发展了人工磷酸锂固体电解质界面膜、纳米锂硼纤维、三维石墨烯、二氧化硅固体电解质、聚合物氧化物复合固体电解质等；开展了原子/分子/纳米尺度上固态电池的电子结构、晶体结构、界面结构、界面反应的研究。这些前期研究为本项目的实施奠定了坚实的科学基础。

5 技术挑战与风险

下一代固态锂电池的技术路线存在着多种选择，如何选择合理的技术路线，确定突破关键技术的方法是研发成功的关键。为此需要通过系统的热力学及工程化的计算，并结合实际的研究结果，制定相应的技术路线。目前，基于前期的研究成果，我们的技术路线已经基本可以实现能量密度技术指标要求。此外，项目研究队伍由富有经验的一线科研人员组成。研究团队成员同时还与国内外领先的多个研究小组以及相关企业保持密切的合作关系，这为本项目的开展奠定了较好的实验基础。项目启动后，将根据项目研究成果和进展，通过项目管理委员会、学术委员会对技术路线的选择做进一步的优化。在研究过程中及时调整不合适的研究路线，强化优势方向，应该说完成本项目核心目标的技术风险基本完全可控。

6 项目预期效益

固态电池在规模储能、电动汽车、地质勘探、石油钻井、航空航天、国防安全中具有不可替代的应用前景。固态锂电池的发展可以说是电池领域的技术革命。而采用多种纳米技术的固态锂电池，将有可能尽快将这一期望变成现实。当前，锂离子电池的全球市场已经非常巨大，固态锂电池的出现和开发成功并逐步替代液态锂离子电池，将具有十分重要的经济价值，显著增强我国在先进电池方面的核心竞争力，推动纳米技术走向实际应用。

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。

国家重点研发计划项目（2016YFA0202500）。

郭玉国（1978—），男，研究员，研究方向为纳米能源材料与新能源器件、纳米体系离子、电子存储与输运、功能纳米材料与二次电池，E-mail：ygguo@iccas.ac.cn。