Как преодолеть проблему высокого давления в сульфидных твердотельных аккумуляторах — углублённый анализ мировых технических решений [Анализ SMM]

СММ, 3 сентября:

Ключевые моменты: Высокое давление (требуется более 20 МПа) для сульфидных полностью твердотельных аккумуляторов является узким местом отрасли. Среди четырех мировых технологических путей снижения давления китайские команды показали выдающиеся результаты: FAW × Восточный технологический институт добился прорыва в создании крупноемких аккумуляторных ячеек при 5 МПа, а команда под руководством Хуан Сюэцзе из Института физики Китайской академии наук достигла работы при нулевом внешнем давлении. Основной технический подход заключается во введении эластичного самоадаптирующегося межфазного слоя на жесткой границе твердое тело-твердое тело, заменяющего внешнее механическое сжатие. По мере снижения давления от «высокого» к «низкому» и «нулевому» индустриализация сульфидных полностью твердотельных аккумуляторов значительно ускоряется.

Введение: 1 сентября 2026 года компания China FAW в сотрудничестве с Восточным технологическим институтом достигла крупного технического прорыва в работе сульфидных полностью твердотельных аккумуляторов при низком давлении. Соответствующие результаты были опубликованы в ведущем международном журнале Advanced Energy Materials под названием «Ионно-эластомерный интерфейс обеспечивает низкое давление и высокую стабильность твердотельных аккумуляторов». Решая отраслевую проблему, заключающуюся в том, что полностью твердотельные аккумуляторы обычно требуют рабочего давления выше 20 МПа, стороны успешно добились стабильного циклирования крупноемких сульфидных полностью твердотельных аккумуляторных ячеек при низком давлении 5 МПа за счет контроля морфологии материалов, проектирования ячеек для низкого давления и оптимизации технологического процесса. Этот прорыв знаменует собой ключевой шаг вперед для Китая в области ключевых технологий, необходимых для практического применения сульфидных полностью твердотельных аккумуляторов.

1. Почему сульфидные полностью твердотельные аккумуляторы требуют высокого давления?
Сульфидные твердые электролиты обладают высокой ионной проводимостью, близкой к жидким электролитам, причем некоторые материалы достигают порядка 10⁻² См/см, но по своей природе они являются хрупкими материалами. Во время заряда и разряда расширение и сжатие электродов могут приводить к образованию зазоров на границах твердое тело-твердое тело и ухудшению контакта. Для поддержания путей переноса ионов и электронов в лабораторных условиях и на ранних этапах инженерной проверки обычно требуется относительно высокое внешнее давление стека, как правило, в диапазоне примерно 3–12 МПа, а в некоторых случаях до 20 МПа, что эквивалентно примерно 200 кг давления на квадратный сантиметр.
Это требование высокого давления порождает целый ряд инженерных проблем: аккумуляторные блоки нуждаются в громоздких механизмах создания давления, энергетическая плотность системы резко снижается, а себестоимость серийного производства значительно возрастает. Поэтому вопрос о том, как снизить рабочее давление с более чем 20 МПа до однозначных значений или даже до нуля, стал ключевой задачей мировых исследований в области твердотельных аккумуляторов.
2. Обзор мировых технологических направлений
В настоящее время технологические пути снижения рабочего давления сульфидных твердотельных аккумуляторов в мире можно свести к четырём основным направлениям: инженерия межфазных границ, модификация электролита, проектирование структуры электродов и инновации в конструкции ячейки.
2.1 Направление инженерии межфазных границ
В настоящее время это направление даёт наиболее плотные результаты и самые значительные прорывы. Основная идея заключается во введении функционального межфазного слоя между электродом и электролитом для адаптивной компенсации изменений объёма и поддержания стабильности контакта.
(1) Ионно-эластомерная межфазная граница (FAW, Китай × Восточный технологический институт)
Название технологии: ионно-эластомерная межфазная граница
Основная команда: Научно-исследовательский институт FAW × Восточный технологический институт, Нинбо
Технические особенности: за счёт управления морфологией материалов, проектирования структуры ячейки для низкого давления и оптимизации технологического процесса на границе твёрдое тело — твёрдое тело формируется межфазный слой, обладающий ионной проводимостью и эластичной самоадаптацией. Такая граница способна повысить стабильность контакта твёрдых фаз при циклировании и значительно снизить зависимость ячейки от внешнего давления. Показатели результата: крупноформатные полностью твердотельные аккумуляторные ячейки стабильно циклируются при низком давлении 5 МПа.
Значение для отрасли: это один из наиболее инженерно реализуемых прорывов на уровне крупноформатных ячеек на сегодняшний день, с ясным путём к применению в серийном производстве.
(2) Технология регулирования анионов (Институт физики КАН × Хуачжунский университет науки и техники × Нинбоский институт технологии и инженерии материалов КАН)
Название технологии: регулирование анионов
Основная команда: исследовательская группа профессора Хуан Сюэцзе из Института физики Китайской академии наук; исследовательская группа профессора Чжан Хэна из Хуачжунского университета науки и техники; исследовательская группа профессора Яо Сяиня из Нинбоского института технологии и инженерии материалов Китайской академии наук
Технические особенности: За счёт создания между электролитом и литиевым электродом слоя «специального клея» — динамического межфазного слоя, регулируемого иодид-ионами, — он способен адаптироваться к изменению объёма литиевого анода и поддерживать плотный контакт между «жёстким» электролитом и литиевым анодом при низком внешнем давлении или даже при нулевом давлении. Эту технологию сравнивают с «ремонтом межфазной границы», и это первая в мире описанная полностью твердотельная литий-металлическая батарея с сульфидным электролитом, работающая при нулевом внешнем давлении. Соответствующие результаты опубликованы в Nature Sustainability.
Оценка экспертов: Профессор Ван Чуньшэн, эксперт по твердотельным батареям из Мэрилендского университета (США), отметил, что это исследование решает ключевую узкую проблему, сдерживающую коммерциализацию полностью твердотельных батарей.
Показатели результата: Достигнута стабильная работа при нулевом внешнем давлении.
(3) Механически адаптивные прослойки из полиротаксана (группа Coskun и др.)
Название технологии: Механически адаптивные прослойки из полиротаксана
Основная команда: Международная исследовательская группа (Jang Wook Choi и др.)
Технические особенности: Разработан механически адаптивный анодный интерфейс на основе эластичного полимера и механически сцепленного полиротаксана (PR). Эффект «шкива» полиротаксана позволяет межфазному слою адаптивно деформироваться под напряжением, поддерживая стабильный контакт «твёрдое тело — твёрдое тело». Соответствующие результаты опубликованы в Angewandte Chemie.
Показатели результата: Достигнута стабильная работа высокоэнергетических полностью твердотельных сульфидных батарей при низком давлении сборки.
(4) Покрытия из органических ионных пластических кристаллов (ScienceDirect)
Название технологии: Покрытия из органических ионных пластических кристаллов
Основная команда: Международная исследовательская группа
Технические особенности: Модификация поверхности высоконикелевого катода (LiNi₀.₉Co₀.₀₅Mn₀.₀₅O₂) бис(трифторметансульфонил)имидом тетраметиламмония (TMATFSI) снижает давление сборки, необходимое для полностью твердотельных сульфидных батарей.
Показатели эффективности: Достигнута стабильная работа при низком давлении сборки.
(5) Гелевая прослойка, полимеризуемая in situ (команда У Фаня, Институт физики КАН)
Название технологии: Гелевая прослойка, полимеризуемая in situ из DOL
Основная команда: Исследовательская группа под руководством профессора У Фаня, Институт физики Китайской академии наук
Технические особенности: На границе катода вводится гелевый промежуточный слой, полимеризованный in situ из DOL, для улучшения межфазного контакта.
Показатели производительности: Собранный полный аккумулятор LFP/сульфидный электролит обеспечивает более 300 стабильных циклов при крайне низком внешнем давлении (0,5 МПа) и комнатной температуре при высокой скорости заряда (2C).
2.2 Маршрут модификации электролита
Основная идея заключается в том, чтобы сделать сам электролит более мягким и деформируемым, чтобы он мог сохранять хороший контакт с электродами даже при низком давлении.
(1) Самолимитирующийся многофункциональный композитный сульфидный электролит (команда У Фаня, Институт физики КАН)
Название технологии: Самолимитирующаяся конструкция электролита / многофункциональный композитный сульфидный электролит (M-CSE)
Основная команда: Исследовательская группа под руководством профессора У Фаня, Институт физики Китайской академии наук
Технические особенности: Предложена концепция самолимитирующейся конструкции электролита и разработан многофункциональный композитный сульфидный электролит M-CSE, успешно решающий проблему нестабильности границы с литиевым металлом и роста литиевых дендритов. Одновременно с этим применяется технология 3D-печати для изготовления аккумуляторов-пакетов с низким давлением сборки.
Показатели производительности: Рабочее давление сборки сульфидного аккумулятора-пакета снижено до 2 МПа, плотность энергии достигает 219 Вт·ч/кг, а сохранение ёмкости после 500 циклов составляет 95,04%. В другом исследовании с использованием межфазной адгезионной стратегии PEVA-LiDFOB аккумулятор-пакет достигает сохранения ёмкости 90,6% после 100 циклов при 2 МПа.
(2) Сульфидный электролит с замещением борогидридом
Название технологии: Сульфидный электролит с замещением борогидридом (Li₃PS₄-xLiBH₄, LPSBH)
Основная команда: Международная исследовательская группа
Технические особенности: Сульфидный электролит с высокой деформируемостью синтезируется методом механического измельчения, что обеспечивает стабильный физический межфазный контакт при низком давлении сборки.
Показатели производительности: Достигнуты отличные характеристики при низком давлении сборки.
(3) Эластичный электролит (команда Хэ Пина/Чжоу Хаошэня, Нанкинский университет)
Название технологии: Эластичный электролит
Основная команда: команда профессора Хэ Пина и профессора Чжоу Хаошэня из Инженерно-прикладного колледжа Нанкинского университета
Технические характеристики: Разработан эластичный электролит на основе сополимера двух мономеров и глубокой эвтектической смеси с высокой ионной проводимостью при комнатной температуре (2×10⁻³ См/см).
Достигнутые показатели: Обеспечена стабильная работа твердотельных аккумуляторов при нулевом внешнем приложенном давлении, исключительно за счёт внутреннего давления, создаваемого самим аккумулятором.
2.3 Направления проектирования структуры электродов
(1) Самопреднапряжённый кремний-углеродный анод
Название технологии: Самопреднапряжённый кремний-углеродный анод (Self-Pressure Silicon-Carbon Anode)
Технические характеристики: Благодаря введению конструкции преднапряжения внутри анода электрод самопроизвольно поддерживает межфазный контакт в процессе циклирования.
Достигнутые показатели: Полуэлемент с сульфидным твердотельным электролитом выдержал 700 циклов с сохранением ёмкости 79,2 % при минимальном давлении на стек 2 МПа.
(2) Регулирование структуры и межфазных границ катода с высоким содержанием никеля (обзор)
Основная команда: Чжан Яцзюань, Ли Цзиньлян, Чжан Си, Ли Юэ, Сунь Пэн, Сюй Хао, Пань Ликунь и др.
Технические характеристики: Для слоистых катодов с высоким содержанием никеля механическая деградация, вызванная давлением, смягчается за счёт точного контроля размера частиц, градиентного легирования по составу, проектирования пористой структуры и межфазных покрытий. Обзор опубликован в журнале Acta Physico-Chimica Sinica.
2.4 Направления инноваций в конструкции аккумуляторных ячеек
(1) Изотропная конструкция аккумулятора
Название технологии: Изотропная конструкция аккумулятора (Isotropic Cell Design)
Основная команда: Международная исследовательская группа
Технические характеристики: Благодаря использованию жидкой среды, создающей давление, аккумулятор подвергается полностью равномерному давлению (изотропное прессование), что позволяет достичь стабильного межфазного контакта при меньшем суммарном давлении.
Достигнутые показатели: Твердотельные пакетные аккумуляторы с литиевым металлом продемонстрировали отличные характеристики сверхбыстрой зарядки при низком давлении всего 2 МПа.
(2) Стратегия согласования деформаций
Название технологии: Стратегия согласования деформаций
Основная команда: Guangnian Guke (Suzhou) Technology Co., Ltd. и др.
Технические характеристики: На модельной системе с катодом FeS₂ и предварительно литированным кремниевым анодом изменения объёма решаются за счёт конструкции согласования деформаций.
Показатели достижения: стабильное длительное циклирование было достигнуто при 15 МПа, и аккумулятор типа pouch может стабильно циклироваться более 500 циклов.
III. Сравнительный обзор технических маршрутов
В настоящее время работа сульфидных твердотельных аккумуляторов при низком давлении достигла многопутевых прорывов в области инженерии интерфейсов, модификации электролита и конструктивного дизайна. Китайские команды занимают международное лидерство по таким ключевым показателям, как нулевое внешнее давление (Хуан Сюэцзе и др.) и крупноёмкие аккумуляторные ячейки при 5 МПа (FAW × Восточный технологический институт). Давление было значительно снижено с более чем 20 МПа до однозначных значений или даже до нуля, а инженерный процесс заметно ускорился, что заложило прочную основу для крупносерийного массового производства полностью твердотельных аккумуляторов.

IV. Промышленные выводы
Из приведённой выше технической панорамы видно, что снижение рабочего давления сульфидных твердотельных аккумуляторов сформировало многопутевую параллельную структуру:
Во-первых, Китай занимает лидирующие позиции. Среди восьми основных упомянутых выше технических маршрутов китайские команды лидируют или участвуют более чем в половине, и прорывы достигнуты по двум наиболее знаковым показателям: нулевое внешнее давление (команда Хуан Сюэцзе) и крупноёмкие аккумуляторные ячейки при 5 МПа (FAW × Технологический университет Дунфан).
Во-вторых, инженерия интерфейсов в настоящее время является самым активным направлением. Будь то ионно-эластомерные интерфейсы, анионное регулирование или полиротаксановые интерфейсы, суть заключается в том, чтобы сделать «жёсткий» интерфейс «твёрдое тело — твёрдое тело» «эластичным» — способным адаптироваться к изменениям объёма без опоры на внешнее давление.
В-третьих, происходит поэтапный прорыв от «высокого давления» к «низкому давлению», а затем к «нулевому давлению». 5 МПа (FAW), 2 МПа (команда У Фаня, изотропный дизайн), 0,5 МПа (интерфейс с полимеризацией in situ), нулевое внешнее давление (команда Хуан Сюэцзе, эластичный электролит Нанкинского университета) — непрерывное снижение значений давления превращает полностью твердотельные аккумуляторы из «лабораторной роскоши» в «промышленную продукцию».
В-четвёртых, инжиниринг является ключевым полем битвы на следующем этапе. Прорыв FAW привлёк столь большое внимание не только из-за показателя 5 МПа, но и потому, что он явно указывает на крупноёмкие аккумуляторные ячейки и крупносерийное массовое производство. От прорывов в материалах к прорывам в аккумуляторных ячейках, а затем к прорывам в системной интеграции — индустриализация сульфидных полностью твердотельных аккумуляторов ускоряется и выходит на скоростную трассу.

Список участников конференции SMM по твердотельным аккумуляторам (частичный)

Примечание: если у вас есть дополнительные детали, которые вы хотели бы добавить к пунктам, упомянутым в этой статье, или вы следите за развитием твердотельных аккумуляторов, пожалуйста, свяжитесь с нами в любое время. Контактные данные:

Тел.: 021-20707860 (или добавьте WeChat 13585549799) Ян Чаосин, спасибо!

Рекомендуемая литература