4月27日下午，在第五届新能源汽车及动力电池(CIBF2024重庆)国际交流会上，大会主席/中汽中心首席科学家王芳，作题为“测评视角下的固态电池：探索与挑战”的主旨发言。

图为大会主席/中汽中心首席科学家王芳作主旨发言

　　以下为速记内容：

　　尊敬的成院士，各位领导、各位嘉宾，大家下午好!

　　实际上这个题目是张雨老师给我的命题作文，我也很忐忑，我说讲固态实际上我还没有积累太多，但是前一段时间相关的一些领导和专家也在要求我梳理固态电池的测试评价和标准化的工作。我结合前面几年测试的所有固液混合的电池经验，今天来浅谈一下我在梳理过程中对固态电池的发展、它所面临的一些挑战和我们需要做的一些工作，简单地跟大家交流一下我粗浅的一些观点。

　　总共分为三个部分，首先来谈一谈多路线协同发展的固态电池。

　　我用这一页作为开始，实际上伴随着新能源汽车这十多年的快速发展，我们能够看到动力电池技术的快速提升。我在2014年，在国际全球法规的制定过程中，中国在国际上率先提出来要求重视动力电池的热失控以及扩散防护技术的提升。这过程当中我们国内电池在不断地进步，尤其是在前几年中，结构的创新我们能够明显看到。当然结构创新里面实际上包含材料的一些改性的提升。这是从2020年到2024年典型的电池系统，之前在一些会上我也跟大家分享过，每一个电池系统它里面的一些关键技术，当时给大家分享过，做了一个详细的表格和鱼骨图。各家企业从材料的改性，到电芯的设计，以及集成，还有技术的管理，全方位地去提升电池的技术水平。感觉2024年动力电池的热点词是材料的革新，也就是说大家现在把焦点放在了体系的创新，也就是电池的固态化技术。实际上电池的固态技术里，我们可能看到的实际上除了引进了新材料以外，随着新材料的引进，新体系、新结构、新工艺都会在里面体现。

　　大家关注固态电池，一是希望利用固态电解质代替传统的液态体系，这样能够通过减少或者取消易燃的组分，实现更高的安全性。二是希望通过匹配高能的电极，能够在良好的控制策略下实现电池综合性能的提升。这些是大家的愿景，希望在安全和性能上能够得到更好的提升，就像今天上午院士们和老师们跟大家分享的，希望能够六维度都能有更多性能上的提升。但实际上我们在这过程中可以看到，它仍面临着非常多的挑战，不妨从技术、测试角度看一看需要在未来这个产业想要技术快速提升和产业化方面面临的挑战是什么。现在固态电池的路线，实际上有很多种。上午大家也看到了，包括硫化物、氧化物以及复合基这样一些固态电介质。每一个固态电解质跟传统的液态电解质可能有相同的特点，它的热稳定性，也就是说以热特征的这种安全边界是明显地拉大了，但是又会面临着一些液态电解质所不具有的一些挑战。所以我们可能在未来的过程中需要去攻克这样一些问题。

　　第二个想跟大家聊一聊，无论是固态电池还是其他的动力电池，我们需要它满足什么样的性能，必须要考虑它的应用场景。对于车用动力电池来说，我们要考虑车，对于汽车来说实际上无论是消费者还是我们从业人员，关心的点其实都是这几个方面，性能、安全和寿命。大家希望有更高的续航里程，有快速的补能，也能够满足较高的安全需求。所以对于车来说，它的综合性能反馈到电池上就是我们对于电力电池的要求。动力电池的要求包含能量密度、安全性和热力寿命等。我们之前可能也会跟大家提，我们提出电力电池指标时，不谈寿命，只提能量密度的指标说明，肯定是不合理的，无稽之谈。

　　所以我们可以看到，对于车用动力电池来说，必须要考虑车的场景。对于动力电池的评价来说，首先，一定是面向实车场景的综合评估，包括实际路面的振动，机械冲击以及最近非常关注热点的底部冲击、底部磕碰。同时，另一个会场安全的讨论，我们同事也跟大家分享，动力电池标准目前正在修订，修订里关注的焦点包括热扩散，包括底部磕碰，包括快速补能的安全。这里面我们团队也关注并分析了大概1000多例底部磕碰的案例，去看到底它会面临什么样的挑战，动力电池应该满足什么样的要求。

　　另外一个是在热的方面，也要满足全场景的要求。包括外部的火烧，包括电池内部的单个电芯热失控带来的挑战，除了热以外，电的安全是也要考虑的。第二个电池的这种要求，它是全生命周期内，动力电池实际上是个活的生物，它是个动态变化的能源载体，所以我们必须在全生命周期内考虑它在健康使用的可用的这种评估，以及如果发生失控的可能性，必须评估当它能够控制在安全可控的范围内应用的状态。另外，一旦失控以后如何把安全的风险降到最低，而且对周围的危害降到最低。

　　第三个特点，对于动力电池来说，车用动力电池是全层级的，从材料到整车全层级的性能要求，也就是说无论是材料层级还是产品层级，还是系统层级，还是整车层级，各自都分担着各自的安全和性能的要求。这是我们必须要考虑的。从这些角度来说，我们必须得考虑固态电池在车上应用同样也必须满足这样一些要求。

　　从测试来看固态电池面临着哪些挑战。

　　首先，固态电池和液态电池的这些差异，也做了一个表格，看看固态电池里引用固态的电解质，所以它的离子传输机制发生了一些变化，在固态电解质的环境下，它的传输路径会变得蜿蜒，它的传导会变慢，同时特性会发生变化。昨天在北京开了一个锂金属电池的应用研讨会，大家在这里面讨论得最多的可能就是有效地接触界面的问题，这在固态电解质的应用下界面的接触特性和副反应也是发生一些变化。

　　另外一个当我们从实验室走向产品，走向生产线，走向最终的成品时候，不能忽略的是电池对于环境的敏感性。固态电池对于力和温度的敏感性带来了对于未来在电芯制造和系统的集成方面关键要考虑的点。

　　我们再来看看固态电池作为动力电池所要满足性能的综合评价是什么呢，里面关注的比如说固态电解质，它的电子电导率的特征，使得在做成电池以后必须要关心弱电流的特性以及它的变化。它的敏感性导致在电池电芯的层面必须关心在不同的温度下，不同的压力状态下，它的性能表现。另外还要关心在这种力的安全边界，安全的范围变大的情况下，它对于力的敏感性，带来在车上使用的机械振动等破坏下，它面临的安全力学安全的可靠性，又会发生什么样的变化。

　　对于固态电池的生产设计和制造来说，它一定是一个多平台去共同支撑、推进的工作。比如说需要在原材料的层面综合地评估材料的整体参数和它制成电池以后材料的内部特性和电池的外部特性关系。同时考虑做成电池的过程中，它的界面特性以及比如说硫化物的固态电解质，它在制造过程中需要的等级压的要求，以及到了系统层面电池层面综合的热力学的管理，以及借助AI以及机器学习的算法等，综合提升我们对于固态电池的研发设计和制造的能力。

　　具体地来看一看材料层面。实际上，材料层面因为固态电池有新的材料引路，刚才提到新材料、新体系、新结构、新工艺，实际上面临着很多未知和需要解答的一些东西，对于材料来说，我们必须要关注材料，比如说硫化物等这样的固态电解质，本身这种特性以及与正极材料、负极材料进行匹配的过程中，电池的外特性表现出来的最终综合的性能和它的内部材料选择以及匹配工艺适配性的关系，这是我们在未来固态电池设计和制造过程中必须要建立的一个庞大数据和综合的设计能力。

　　界面层级，在固态电解质电池里，正极侧界面会存在着接触不良，界面反应力学失效，负极也会出现体积变化，界面层不稳定等问题。昨天我们讨论比较多，包括比如说初始的电池刚刚制造出来，初始有效接触面积，怎么能够不断地提高这种有效接触面积，去提升它的致密性。另外就是在实际使用过程中，我们怎么能保持这种有效的接触面积，这是在固态电解质里面可能要求必须要下大功夫去解决的问题。

　　到了电池设计层级，比如说硫化物体系，典型的几个体系，一个是硫化物体系。实际上，在电芯成型的过程中，就需要一个较高(几百兆帕)的环境去制造，同时使用过程中需要有一个外部压力的施加。将来真的能够产业化装到车上，必须要解决的问题包含了从电解质模本身的特性，比如说必须要关心它的模量，不断提高它的耐压和耐变形，耐机械冲击的能力，同时要关心材料的热膨胀特性，去保障在未来外部环境温度变化的情况下它能够不受影响或尽量少受影响。到了单体的层级，我们是在想要把它用在车上，我们希望是什么?尽可能地少施加外部压力，就需要提升电池的本身和模组的结构方面，通过内部设计去降低它对外部压力/压紧力的依赖，才有可能更好地用到电动汽车上。否则这种使用环境对大家来说也是一个非常大的挑战。

　　所以在现有的锂离子电池基础上，可能在管理层面除了BMS的电管理和热管理以外，要增加的是固态电池方面需要有个力学的管理系统。

　　在聚合物集的一些固态电解质里面，它怎么能够有这么大的外部压力要求，但它也需要外部的压力控制去提升界面的接触面积的力化过程，降低它的力化过程，提升它的状态。这过程需要关注整个温度控制的能力，而且要关心的是温度、倍率和力学这三者之间在使用充放电过程中耦合关系。所以如果想这个将来做更好的应用，对于温度的环境管控是非常重要的。

　　另外一个就是安全，实际上安全还是关注的焦点。大家以前可能说为了解决安全问题，所以我们要用固态电池。但实际上到了今天以后，大家现在应该已经很深度地理解到固态电池并不等于零风险电池。固态电池除了比如说热失控的温度梯点往后移，安全的热边界会扩大，但不代表它没有边界，这是我们之前做的一些，当然，澄清一下，这做的都是固液混合，不是全固态。做的过程中可以看到随着固态电解质的增加，在各方面优势能够明显地看到，但它还是会有一些薄弱点。再看一看，我们对固态电池除了安全期待以外，还有能量密度的提升，在这样的体系下我们可以想象的是，随着高能量释放效率的金属铝、高镍体系的加入，有可能发生什么样的状态呢?在做电池实验时，绝热的测试，可以看到电池的热失控温度，自产热的温度T1和热失控的温度T2的距离会怎么样?可能会缩短。也就意味着缩短的结果就是第二个视频，第二个视频也是固态电池做针刺时，冲过边界或当固态电池使用一段时间以后，到了中期或者末期以后，当发生失控的时候它从T1直接跳到T2，温度迅速升高发生爆燃，未来设计过程中可能也要考虑怎么样去避免或者尽量地降低这种可能性。

　　对于全固态电池来说，无论是安全性和性能要求，实际上也是全层级的，从材料到部件到整个系统，需要不断地去寻找最合适的材料和电池的设计工艺，然后不断地去提升电芯的制造和集成的能力，能够达到最终的产业化目标。

　　另外一个我们也必须要关心的，刚才说的作为电化学的系统，它还是会存在着失效或者失控的可能性。我们必须要考虑到。因为新材料的加入，这种失效会产生一些新的机制。这种情况下我们必须关心，我刚才提到的因为高的能量释放效率，这些材料的加入带来能量的骤然释放，包括爆燃，同时我们也要关心硫化物等等这样一些新材料的应用带来的有可能发生的一些新的形态。

　　上午老师分享了对硫化锌的分析，认为它的安全远远低于安全释放的数值。但大家肯定还是要关心，到底释放的量会怎么样，对于人员的安全防护，我们能不能够做到，这是在未来的设计中，肯定前期要考虑到的问题。包括后期气体的收集，气体的成分，以及发生爆燃或者说失控的情况，爆炸极限和燃烧速度是什么样的，这样才能够更好地在前期产品设计中做好一些规划。

　　总之，根据我前期的一些测试分析，给大家做一个粗浅的分享，这是我们在过去的十多年当中建立起了从材料到系统，甚至到整车的一个完备的动力系统测试评价的体系，我在前一阶段梳理时，我们团队也做了这样一些分析，当面临固态电池的这样一个阶段时候，我们在原有的动力电池基础上可能还要增加一些关注点，比如说包括离子和电子带来的电池热电流以及能力保持的变化，包括热学和力学耦合的情况下，它对力学对热的敏感性带来的对于电池性能的挑战和适配性的挑战，以及包括在有可能新增加力学管理系统的情况下，对于整个电池Pack的考核和考量，所以未来固态动力电池测试评价的体系，还会不断地完备。未来，也希望跟固态电池相关的从业人员和专家，能有更多的机会去交流，我们通过共同努力去支撑这个产业快速地发展。

　　这是我的分享，谢谢大家!