中国粉体网讯 为研判工程科技前沿发展趋势，敏锐抓住科技革命新方向，中国工程院作为国家工程科技界最高荣誉性、咨询性学术机构，自2017年起开展全球工程前沿研究项目，每年研判并发布全球近百项工程研究前沿和工程开发前沿，以期发挥学术引领作用，积极引导工程科技和产业创新发展。
《全球工程前沿2024》报告于2024年12月发布。这份被誉为“工程科技前沿风向标”的年度报告，是由中国工程院联合全球权威数据机构科睿唯安与高等教育出版社，依托中国工程院Engineering系列期刊，组织9个学部院士专家团队，历经8年构建起成熟的研究体系，覆盖工程科技全领域，既关注理论突破（如工程研究前沿），更聚焦产业转化（如工程开发前沿）。
在2024能源与矿业工程研究前沿领域，“高离子传导固态电解质”入选。
据该报告显示，相较于有机电解液，固态电解质具有更宽的电化学窗口以及更高的安全性，因此被视为未来动力电池和储能电池的重要发展方向。现阶段，全固态电池的主要应用瓶颈之一在于充放电速度较慢。固态电解质中离子间相互作用力强，且电解质-电极界面阻抗高，导致锂离子迁移能垒是液体的10倍以上，从而成为限制电池充放电速度的决定步骤。
高离子传导固态电解质通常由无机离子化合物组成，其中硫基固态电解质基于其稳定的离子传输通道以及良好的界面力学适配性，室温下锂离子电导率超过10 mS/cm，可与商用电解液媲美。通过电解质成分设计与界面稳定性研究可降低限速步骤的反应能垒，从而进一步提升固态电解质锂离子传导能力。
电解质成分设计的发展方向是优化化学成分和调控晶体结构，致力于增加离子传导通道和降低离子-离子相互作用，为锂离子的自由移动提供有利条件。界面稳定性研究主要从界面钝化层、涂层包覆、缓解界面应力等方向发展。
值得注意的是，固态电解质体相与表界面的离子输运、界面电化学等物理化学过程具有鲜明的化学场、电场、力场耦合特征。全面考量多场耦合效应，构建真实工况下固态电解质的实验环境与理论模型，可有效揭示其实际应用下的失效、失控机制，是未来高离子传导固态电解质发展的重要方向。
在2024能源与矿业工程开发前沿领域，“高比能长寿命低成本固态电池技术”入选。
该报告显示，固态电池采用固态电解质替代传统电池中的电解液和隔膜，具有更大的能量密度、更长的使用寿命和更高的安全性。进一步提升固态电池能量密度可增加电动汽车的续航里程，并进一步支撑电动重卡和电动飞机的开发。
具体而言，能量密度为400Wh/kg、2000圈稳定循环的固态电池可将电动汽车续航里程提升至1000 km，是纯电动车普及的重要支撑技术。此外，固态电池可大幅降低飞机质量，提升飞机推重比。上述固态电池亦可驱动双座轻型飞机几千次飞行，是开拓低空经济领域、实现现代交通电动化革命的关键技术。
然而，固态电池能量密度与循环寿命受到界面不稳定、锂枝晶生长与电解质衰退的影响。并且，固态电解质合成工艺复杂、产率低，一般在每千克190美元以上，远高于每千克50美元的商业化门槛。
通过本征材料改性与制造工艺优化可进一步提升固态电池能量密度，增长循环寿命，降低合成成本。
本征材料改性主要从正负极材料改性、电解质结构设计、固态电解质钝化层方向发展。电极表面包覆导电材料，掺杂Si、C等元素，以及减小材料颗粒粒径，有利于缓解界面副反应，提升锂离子扩散速率，提高固态电池能量密度。优化固态电解质中离子传输的定向和连续界面通道，构建多层异质电解质结构，掺杂Zn、F等元素以提升电解质电化学稳定性，有助于减少锂枝晶生长，减缓电解质衰退，延长电池循环寿命。通过设计富氟化锂、氮化锂的原位界面钝化层，可降低电池内阻、缓解电解质衰退与减缓枝晶生长，提升电池循环性能与安全性能。
然而，由于固态电池内部与界面电化学等过程具有鲜明的化学场、电场、力场耦合特征，单一设计难以兼顾多参数的全面优化。综合考量多场耦合效应，构建真实工况下固态电解质的实验环境与理论模型，可有效揭示其实际应用下的失效、失控机制，为设计固态电池能量密度、优化循环寿命提供有力支持。
电解质的开发和制造工艺优化主要发展方向是成膜工艺改进、大规模量产技术与超快精准合成技术。
成膜工艺分为湿法工艺和干法工艺，其中湿法工艺成膜操作简单、工艺成熟、易于规模化生产，是目前最有希望实现固体电解质膜量产的工艺之一，但其工艺还需进一步研发。电解质大规模生产技术目前尚在探索中，高原料成本与均匀化合成是亟须突破的难关，业内预计将在2025年实现小批量生产，大规模商业化则需等到2030年左右。
超快精准合成技术可以在短短几秒内实现多组分甚至高熵固态电解质的精准合成，不仅能高效筛选探索具有特定目标组分的电解质材料，而且可实现多元素准确、均匀地合成单一纯相材料，是未来固态电池材料开发和工业化合成的重要趋势。
资料来源：《engineering》
（中国粉体网编辑整理/平安）
注：图片非商业用途，存在侵权告知删除！
