讓科研轉化變得更簡單

2022年11月23-25日，由江蘇省硅酸鹽學會、南京工業大學、材料助研科技發展（無錫）有限公司、江蘇新能源電池材料與裝備產業院士協同創新中心聯合主辦的“首屆新能源陶瓷與器件技術高峰論壇暨長三角（江蘇）第32屆特種陶瓷學術年會”在宜興陶都半島酒店成功召開。本次大會以“共創新時代，探陶新未來”為主題，旨在共同探討陶瓷和新能源產業發展的新思路、新工藝、新途徑和新產品。200余位專家、學者及企業界朋友齊聚陶都，共同探討新能源陶瓷材料與器件技術，助力新能源產業發展。來自清華大學材料學院的汪長安教授做了題為《向鋰金屬電池的固態電解質》的主題報告。本文根據專家報告內容整理，并已經專家本人審核確認。

汪長安，清華大學材料學院教授，博士生導師，中國硅酸鹽學會及特種陶瓷分會理事，中國機械工程學會工程陶瓷專業委員會常務理事，中國機床工具工業協會模具磨料分會專家委員會副主任委員?！禝nternational Journal of Applied Ceramic Technology》共同主編、《Frontiers of Materials Science》副主編、《Journal of Advanced Ceramics》、《硅酸鹽學報》、《陶瓷學報》、《現代技術陶瓷》雜志編委。主要研究方向為先進陶瓷及陶瓷基復合材料。承擔或參與了國家“863計劃”、“973計劃”、國家自然科學基金、創新研究群體科學基金、教育部新世紀優秀人才計劃、北京市科技新星計劃、北京市自然科學基金等多項科研項目。在Nature Energy、Nature Commun.、Mater. Today、Nano Energy、Joule、Matter、Small、J. Mater. Chem. A、ACS Appl. Mater. Interfaces、J. Power Sources、J. Am. Ceram. Soc.、J. Euro. Ceram. Soc.等重要學術期刊上發表SCI收錄論文300多篇，論文累計被他人引用6000多次。獲得授權的中國發明專利30余項。獲得省部級科學技術二等獎5項、三等獎1項，第五屆中國硅酸鹽學會青年科技獎1項。

尊敬的各位領導，各位老師，各位企業家朋友，大家早上好！非常榮幸得到組委會的邀請參加本次會議，在這里分享一下我這邊的工作。很遺憾因為疫情原因，不能線下參會，只能通過線上的方式和大家見面，希望以后有機會進一步交流。今天我交流的題目是《面向下一代固態鋰離子電池新型鋰離子固態電解質材料》這方面的研究工作，我叫汪長安，來自清華大學材料學院新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室。今天在座的很多都是企業家的朋友，我今天的報告不講過多的基礎研究工作，主要講一些在固態電解質方面比較實用化的技術和可以產業化的成果，給大家分享一下。如果有學術界的老師和同學對我的工作感興趣，可以后面再聯系或者查閱我們發表的論文。

今天報告的內容主要是這幾個部分：研究背景、氧化物固態電解質、有機-無機復合固態電解質、可自適應變形的彈性無孔聚合物固態電解質，還有一個我們做的可自適應變形的彈性集流體，雖然這不屬于電解質，我放在一塊兒給大家講。后面還有一個簡短的團隊和工作基礎的介紹。

第一部分 研究背景

首先是研究背景。大家知道，鋰離子電池具有能量密度高、循環壽命長、無記憶效應、無重金屬污染、自放電率低等很多優點，已經廣泛應用在3C電子產品、電動汽車、無人機以及儲能電站等方面。但是，鋰離子電池也有兩個致命的弱點，一個是安全性能問題，因為我們現在的鋰離子電池用的是有機電解液，容易脹氣，容易起火爆炸，這方面例子已經很多了，大家可以經?？吹诫妱悠囯姵仄鸹鸨ǖ南嚓P報道。安全性問題是一個制約著鋰離子電池廣泛應用的關鍵。第二個問題是現在的鋰離子電池容量還不夠高，作為汽車動力電池來使用續航里程不足，要想增加續航里程就要加大電池的重量，這樣一方面增加了重量，另一方面也增加了成本。未來朝什么趨勢發展呢？面對電動汽車下一代動力電池，我們希望用金屬鋰作為負極材料，具有比較高的容量。另外，進一步降低鋰離子電池的成本。

鋰電池的一個發展趨勢就是從現在的液態鋰離子電池發展到固態電池或者叫全固態電池。剛才我說了，傳統的液態電池安全性比較差，能量密度比較低，現在鋰離子電池大部分都是用的石墨類的負極材料，能量密度是有局限的，無法徹底消除鋰枝晶的隱患，電池的循環壽命和能量密度比較低。如果發展成全固態電池，用固態電解質替代有機電解液就可以解決安全性的問題。安全問題解決了以后，就可以使用容量更高的負極材料，比如說鋰金屬或者含鋰的負極材料，這樣可以得到更高的能量密度，也可以得到比較好的循環效率和高溫性能，所以說，發展趨勢是從現在的液態鋰離子電池發展到全固態電池。這個發展也是個逐步發展的過程，比如從液態鋰離子電池發展到準固態的、固態的、全固態的，也許將來不需要做全固態的，做固態的就可以了。

全固態電池的一個關鍵部件就是固態電解質。固態電解質與現在的有機電解液相比，它的優點是很明顯的，比如說電化學窗口比較大，可以防止鋰枝晶的穿刺，可以防止鋰硫電池中多硫離子的穿梭。另外，還有與金屬鋰的副反應比較少、可以防火等優點。缺點也很明顯，比如說無機陶瓷的固態電解質脆性比較大，比較重，比較貴。固態電解質和電極都是固態的，固-固界面的接觸問題比較嚴重，界面接觸電阻比較大。還有，固態電池的鋰離子電導率比有機電解液要小，這些是它的缺點。固態電解質主要的類別是無機陶瓷類的固態電解質、有機聚合物類的固態電解質，以及有機-無機復合類的固態電解質。

固態電解質的作用一個是取代液態電解質，提高電池的安全性能，允許使用金屬鋰或者容量更高的鋰合金做負極，從而可以提高工作電壓和容量，還可以消除第一次電化學循環電極中的活性鋰的損失，還可以在鋰金屬電池（比如鋰空/水電池）里面隔絕空氣和水，起到保護金屬鋰的作用。在鋰硫電池方面，還可以起到消除多硫離子的穿梭效應，提高電池的壽命。允許使用容量更高的液體電極來取代現有的固態電極。固態電解質的性能要求主要包括了高的鋰離子電導率、盡可能低的電子電導率、比較低的晶界電阻、有良好的電化學穩定性、比較寬的電化學電壓范圍和窗口、高致密度、低氣孔率、有高的機械性能以及與金屬鋰負極的副反應比較少等。

固態電解質里面一個代表性的電解質就是無機陶瓷類的固態電解質，無機陶瓷類的固態電解質包括氧化物系列和硫化物系列的，氧化物系列的主要包括磷酸鹽體系即NASICON 和LISICON體系、石榴石型的氧化物體系、鈣鈦礦結構的氧化物體系。在這些氧化物陶瓷電解質里面，大家都很看好石榴石型的固態電解質，因為它具有比較高的鋰離子電導率，比較好的穩定性，而且機械性能還可以，尤其是與金屬鋰負極的穩定性也會比其他的要好，所以業界認為石榴石型的固態電解質有可能是最先被使用上的無機陶瓷類的固態電解質。另外，硫代磷酸鹽體系里硫化物的固態電解質雖然具有很高的鋰離子電導率，但是穩定性比較差，在使用的時候有可能還會放出硫化氫氣體出來，機械性能也比較差，所以它可能主要是在鋰硫電池方面使用。在其他的鋰電池里面，可能氧化物陶瓷固態電解質使用的可能性是最大的。但是大家也知道，氧化物陶瓷固態電解質密度比較大，如果它要用到鋰電池里面會增加電池重量，從而降低電池的質量能量密度。另外，這里面有一個問題就是陶瓷需要燒結，成本也比較高，對降低鋰電池的成本是不利的。還有陶瓷類的固態電解質比較脆，做得很薄的的時候很容易破壞。

另外一類電解質是有機聚合物電解質，有機聚合物電解質分為全固態和凝膠態的，全固態的就是以聚氧化乙烯PEO為代表的鋰鹽+聚合物，優點是具有很好的柔韌性，穩定性也比較好。缺點是鋰離子電導率還不夠高，大概10-5這樣一個量級。另外，凝膠態的電解質相當于準固態電解質，主要是鋰鹽+聚合物+增塑劑，優點就是鋰離子電導率很高，可以達到或者接近液態的有機電解液的水平，但是穩定性比較差，機械強度比較低。

大家看得出來，陶瓷類的固態電解質和聚合物電解質各有各的優點，比如陶瓷具有高的電導率、機械強度比較高，而且不燃，但是比較脆，比較重，比較貴；有機類的柔韌性比較好，也容易成膜，界面的柔韌性也比較好，但是有機類的電導率偏低，穩定性偏差，所以有一個發展趨勢就是姜二者復合起來，做有機-無機的復合固態電解質，通過取長補短，發揮各自的優點，彌補一些缺點。有機-無機的復合固態電解質可能是將來最先被用上的固態電解質，因為它吸收了有機和無機固態電解質的優點，具有比較高的鋰離子電導率，又具有比較良好的柔韌性，因此它具有比較長的壽命。當然，有機-無機復合固態電解質里面也存在一些問題，一個問題是有機和無機相的相容性的問題；第二個是二者之間的界面問題，還有鋰離子電導率不夠高，需要進一步提高，當然還包括有機和無機相的密度差別比較大，怎么讓它混合更均勻，怎么讓無機相的含量盡可能高，這也是值得研究的問題。

針對以上問題，我們開展了一些研究工作。這里主要介紹一下我們的研究成果，細節的基礎性的研究就不說了，包括固態電解質跟電極之間界面的調控，調控的手段、調控的機理和性能就不介紹了，主要介紹一些研究成果。

第二部分 氧化物固態電解質

首先是氧化物固態電解質。在氧化物固態電解質方面，我們形成了以下三個成果。

第一個技術，高電導率、納米-微米尺寸氧化物固態電解質粉體的制備技術。因為大家知道鋰電池是個非常實用性的項目，所以我們現在采取研究的策略都是采用可以實用化的工藝，也就是可以批量化生產的工藝。我們采用的是固相合成和球磨的工藝，可以在實驗室穩定地合成公斤級的石榴石型的、NASICON型的固態電解質的粉體，固態電解質粉體可以從納米-亞微米-微米的尺度，根據需要自己調節。這個粉體純度比較高，主要用于制備高鋰離子電導率的固態電解質片、電解質管和有機-無機復合固態電解質無機的填料來使用。這個圖是我們合成的電解質粉體的微觀結構照片，大家可以看得出來顆粒還是非常均勻的，從這個顆粒的粒徑分布來看，呈很好的單峰分布，說明我們制備的粉體均勻性比較好。我們實驗室通過很多批次的合成，穩定性特別好。

第二個技術，形成了高致密度、高電導率的氧化物固態電解質的陶瓷薄片的制備技術。我們也是采用實用化的工藝，固相合成常壓燒結或熱壓燒結工藝，結合切片工藝，我們燒出來一個圓柱狀的樣品，通過精細的切割可以切成150微米到500微米厚的薄片，這個薄片致密度可以達到94%以上，有的達到98%以上，鋰離子的電導率可以達到10-4-10-3S/cm。這個電解質片的制備工藝也是非常穩定的，我們在實驗室也做過多批次的制備，也給相關的電池企業、研究院提供了一些樣品，這些電解質片可用于固態電池的電解質來使用。

我們可制備兩種不同品質的電解質片，這里面我以石榴石型的固態電解質為例給大家講一下。

第一種是我們采用常壓燒結制備的較高性能的石榴石電解質片。首先，用常壓燒結方法燒出一個圓柱，通過金剛石鋸片切割切成150微米到500微米厚的薄片，這個薄片接近半透明的狀態。因為常壓燒結的活性不是很高，我們要加少量氧化鋁助燒劑，加了氧化鋁助燒劑以后雖然可以燒的比較致密，但是導電性能稍微低一點，它的鋰離子電導率達到4.33×10-4S/cm，致密度可以達到94%、95%。這個工藝的成本比較低，但是電導率稍微低一點?？梢钥吹贸鰜?，我們做的這個片子還是比較致密的。

另外一種是我們采用熱壓燒結制備高性能電解質薄片，針對更高的使用要求可以用熱壓燒結，熱壓燒結的效率比常壓燒結稍微低一點。我們也可以燒結成一個圓柱出來進行切割。因為熱壓燒結可以不添加任何燒結助劑，所以我們這個電解質片的品質就會更高，性能會更好，相對密度可以達到98%以上，它的鋰離子電導率比常壓燒結要高一個數量級，可以達到1×10-3S/cm。大家可以看到，我們做的熱壓燒結的電解質片，結構很均勻，而且非常致密，基本上看不見氣孔。我們切成一個500微米厚的薄片，大家看得出來是一個半透明的，像個透明的陶瓷，熱壓燒結能夠做成一個透明的陶瓷確實不容易，這樣這個材料具有非常高的鋰離子電導率，也具有非常好的機械強度，這個我們在實驗室已經經過了多批次制備，也是非常穩定，也給相關的企業廠家提供了一些樣品。

第三個技術，我們可以制備高致密度、高電導率的氧化物固態電解質U型管。這個U型管主要是做什么的呢？主要做儲能電站用的中高溫熔融鋰硫電池或者鋰硒電池。怎么做的呢？我們是用冷等靜壓成型，用我們自己合成的亞微米的粉體等靜壓體成型，用高溫固相合成工藝，可以制備高電導率的氧化物固態電解質的U型管。用這個U型管組裝的中高溫鋰硫電池和鋰硒電池取得了非常好的效果。由于它的致密度比較高，可以有效地阻止熔融的硫或者熔融的鋰，又有高的鋰離子電導率，這樣電池能量密度比較高，循環性能比較好，這個工作主要是和斯坦福大學的崔屹教授和清華的伍暉教授合作，我這邊的工作主要做U型電解質管，他們的工作主要做的是中高溫熔融的鋰電池。

總之，我們合成的固態電解質無論是石榴石型的、NASICON型的，還是鈣鈦礦型的，我們實驗室做的固態電解質的鋰離子電導率都是比較高的，可以達到或者超過國際上報道的主流水平，而且我們的工藝都是非常實用化的工藝，這種無壓燒結或者熱壓燒結的工藝，特別適合批量化生產，工藝也比較穩定。

我們這個項目研發的固態電解質產品的優點是可制備固態電解質粉體（納米-亞微米-微米），也可以制備致密度比較高的薄片和管材。電導率比較高，達到或超過國際主流水平。性能穩定，技術成熟，達到實驗室小試水平。特別是我們采用的合成工藝比較簡單，成本相對較低，比較適合批量化生產。

我們這個固態電解質應用前景是全固態電池固態電解質，也可以作為有機-無機復合電解質的無機填料，可以作為鋰離子電池的隔膜改性填料，還可以作為中高溫熔融鋰電池的固態電解質來使用。

第三部分 有機-無機復合固態電解質

第二個方面的工作，我們做的有機-無機復合物固態電解質。有機-無機復合固態電解質以往人們都是用溶劑澆鑄法，也就是說用大量的有機溶劑將聚合物電解質溶解在里面，再把無機陶瓷的電解質粉分散在溶液里面，經過澆鑄，成模，經過長時間的干燥，形成有機-無機復合物固態電解質。但是，這種溶劑澆鑄法首先要使用大量的有機溶劑，是不環保的，有毒，另外成本比較高，制備工藝比較長，要經過長時間的干燥，而且有些有機溶劑還干不透，總是有或多或少的存在有機溶劑的殘留，這些殘留的溶劑將來會影響電池電化學的反應，影響電池的壽命，效率也比較低，也造成環境污染。剛才我說了，無機固態電解質密度比有機電解質的密度大很多，它會造成無機固態電解質的團聚分散不好等一系列問題。

針對這個情況，我們就想能不能采用沒有溶劑的無溶劑法的工藝，這樣就可以避免溶劑澆鑄法存在的環境污染、成本高、效率低等一系列問題，于是我們提出來一種無溶劑密煉法制備LLZTO/PEO復合固態電解質的制備技術。我們采用高分子密煉的工藝，整個過程里面完全沒有溶劑參與，能夠實現快速的復合。大家可以看得出來，半個小時我們就可以把有機和無機的固態電解質復合得非常均勻，同時我們提出來一種無溶劑的有機和無機復合固態電解質改性和復合一體化的制備技術，可以大規模制備有機-無機復合固態電解質，克服了常規的溶劑澆鑄法成本高、效率低、環境污染、納米粒子團聚和殘余溶劑影響的問題。用我們這個技術制備的有機-無機復合固態電解質，無論在形貌上面還是在電化學性能方面都具有很好的性能。這個白色的顆粒就是無機的固態電解質，可以看出來無機粒子分散非常的均勻，含量相對比較高，我們可以做到50%、甚至80%以上的含量。另外，因為里面沒有溶劑殘留，所以熱穩定性比較好，電化學性能也比較好，而且對水分比較敏感的一些固態電解質顆粒也是比較適用的。

我們也做了一個性能上對比，對比了三種工藝，一種是熔融混合的工藝，另一個是溶劑澆鑄法的工藝，還有一種是我們提出來的無溶劑密煉混合法的工藝。大家可以看得出來，用我們密煉混合法工藝做的有機-無機復合固態電解質的阻抗跟溶劑澆鑄法是一樣的，但是我們的電導率比溶劑澆鑄法的要高，而且電化學窗口比溶劑澆鑄法要好，因為溶劑澆鑄法里面有些殘余溶劑的影響，會有副反應。我們這個電化學窗口是5.5V，基本上沒有什么副反應。另外，用我們做的有機-無機的復合固態電解質做成的鋰鋰對稱電池，這種電池兩面都是鋰，中間是固態電解質，這個完全是全固態的，沒有加電解液潤濕。同時跟溶劑澆鑄法做了一個對比，可以看得出來，我們有機-無機的復合固態電解質具有更小的接觸電阻。

我們又對電池的循環性能進行了對比。上面的鋰離子電池是在60℃、0.1mA/cm2的電流密度情況下，大家看得出來這個傳統的溶劑澆鑄法做的有機-無機復合固態電解質基本上經過950個小時的運行就開始失效了，而且它的電壓穩定性也不是特別好，極化電壓也比較大。用我們的無溶劑密煉法做的有機-無機復合固態電解質，經過1200個小時運行都保持非常平穩的狀態，而且極化電壓比他們要小一些。用我們做的固態電解質，用磷酸鐵鋰作為正極，鋰作為負極做的全固態電池，里面沒有加電解液，與溶劑澆鑄法進行對比，可以看得出來，我們的電解質造成的全固態電池具有更高的能量密度，有更好的循環性能，經過200多次循環還能保持比較好的狀態。如果是熔融澆鑄法，基本上到八九十次循環就已經不行了?？梢钥吹贸鰜?，我們這個工藝做成的無溶劑法有機-無機復合固態電解質具有更好的電化學性能。更重要的是，我們的工藝比熔融澆鑄法更簡單、成本更低、穩定性更好。

這個電解質的應用范圍是面向下一代的新型鋰電池，包括鋰空電池、鋰水電池、全固態電池里面的固態電解質來使用。它可以作為電動汽車或者混合動力汽車的動力電池來使用，也可以作為儲能電站的大型電池來使用。

第四部分 可自適應變形的彈性無孔聚合物固態電解質

下面給大家報告一下我們另外一個成果，就是可自適應變形的彈性無孔聚合物固態電解質，可以自適應變形，可以自由膨脹和收縮，具有很好的彈性。另外，這個電解質沒有孔，沒有孔的目的就是希望能阻止鋰枝晶的穿刺，當然是聚合物的固態電解質。

為什么要做這個工作？大家知道現在商業鋰離子電池用的隔膜大多是PP隔膜或者PE隔膜，這些隔膜是多孔的結構，電解液可以從孔里面傳輸，但是鋰枝晶也很容易從這個孔中間穿刺，更重要的一點是這個電解質無論是PP還是PE，相對來說比較剛性的，它不能發生很大的彈性變形。大家知道，鋰電池在充電和放電的過程中，正極和負極會發生膨脹和收縮，如果隔膜不能發生很好的自適應變形就會引起電極材料的粉化。針對這個情況，我們想能不能制備一種隔膜，首先要求是沒有孔的，這樣可以組織鋰枝晶的生長。另外，要求具有一定可適應變形的彈性，也就是說當電極材料體積膨脹的時候，這個隔膜跟著膨脹，當電極材料體積收縮的時候，隔膜跟著收縮，這樣就會使隔膜一直與電極的活性物質材料之間保持很好的接觸，于是我們提出來這種叫彈性無孔的聚合物固態電解質。當然這個電解質實際上介于凝膠態和固態電解質之間，具有類似的液態電解質的很高的離子電導率，同時，可以針對這個電極材料的充放電過程中體積的效應，發生自適應變形，有效地阻止了鋰枝晶的生長和穿刺，所以說我們這個電解質實際上形成一個柔性的束縛，可以容納電極材料的體積變化，使電極和電解質一直保持良好的界面接觸，而且還可以緩解鋰枝晶的穿刺的問題。

那怎么去做呢？我們合成了一個低聚酰脲的橡膠，當然只是一個例子，其他的一些材料經過選擇也可以使用。這是我們合成的這種橡膠，這個橡膠可以做得很薄，柔韌性也很好，我們把這個橡膠浸泡在有機電解液里面。大家都知道，高分子材料浸泡到有機電解液里面吸入電解液，會發生溶脹，可以看到我們這個橡膠在電解液里泡了一個月以后厚度增加了20-40%的情況。另外，我們這個橡膠是致密的，沒有孔。右邊這個圖是現在商用的PP隔膜，大家可以看到里面有很多孔，而我們的隔膜是沒有孔的。

另外，我們也檢測了它的電導率，隨著橡膠隔膜在電解液浸泡時間的延長，比如從1.5個小時、到2個小時到、一直到10個小時，基本上到3個小時以上的時候它的電導率就很高了，到10個小時就與有機電解液的電導率是一致的，因為它實際上是個凝膠態的，橡膠類的材料吸收了電解液發生了溶脹，有點像凝膠態的狀態，所以它的電導率和電解液是一致的，具有非常高的電導率。另外從CV曲線可以看出來，也是非常穩定的，沒有額外的副反應。我們組裝成電池，可以看得出來，紅色的這個PP隔膜基本上運行10個小時以后因鋰枝晶的穿刺就失效了，用我們聚酰脲的橡膠隔膜運行了100個小時非常平穩，后面的測試數據沒有再放進來，可以做很長時間，是非常平穩的。也就是說，它可以很好地預防鋰枝晶的穿刺，具有很好的循環穩定性。當然，我們把它裝在不同的電池里，發現我們的隔膜運行是非常穩定的。

為了更好地解釋或者觀察我們的彈性無孔聚合物電解質的性能，我們組裝了一個毛細管的電池，用很細的大概不到一個毫米的玻璃管裝成毛細管電池。一端放了一根很細的銅絲進去作為正極材料，另一端用很小的鋰顆粒作為負極材料。第一種電池里面沒有加隔膜，只是填充了電解液。大家可以看得出來隨著充放電的進行，鋰枝晶很快生長起來而且形成大的氣泡，導致了正負極之間的短路，電池就失效了。中間兩個圖用的是商業化的PP隔膜，PP隔膜有很多孔，鋰枝晶非常容易從孔里面穿出，導致正負極的短路，從而導致電池的失效。

大家看看我們做的彈性無孔的聚合物隔膜是什么樣的情況呢？是這樣一個情況，黃色的是我們做的隔膜，這個隔膜可以發生自適應的膨脹和收縮，比如充電的時候正極收縮，隔膜跟著收縮；放電的時候正極要膨脹，隔膜跟著膨脹?？傊?，隔膜能根據電極的體積膨脹和收縮發生相應的自適應的膨脹和收縮，始終和電極保持一個良好的接觸。另外一點，沒有發生鋰枝晶的穿刺。大家覺得很奇怪，你這個凝膠態的隔膜強度并不高，為什么能阻止鋰枝晶的穿刺呢？大家知道，鋰枝晶是電池在充放電過程中，因為鋰的不均勻沉積造成的，如果有孔的話，它就會穿過這個孔來生長，如果在鋰枝晶的生長過程中遇到了沒有孔的隔膜，它就不會再往前長了。所以說，雖然它的強度并不是太高，但是它能有效阻止鋰枝晶的生長，真正起到一種以柔克剛的效果。這個結果很直觀地顯示出來我們彈性無孔聚合物固態電解質能夠發生自適應變形，能夠有效地阻止鋰枝晶的生長，從而使電池具有很好的循環性能。

這個成果主要應用前景：首先是可以替代現有的隔膜材料。剛才說了，現在的隔膜材料是多孔結構，是比較剛性的，我們這個隔膜無孔結構，具有彈性，具有很好的柔性的束縛。還可以作為固態鋰電池的隔膜，也可以作為柔性鋰離子電池隔膜，因為我們隔膜是具有柔性的。另外還可以用于軟包電池的隔膜，具有很好的應有前景。我們也做過不同批次的樣品，也是比較穩定的，給有些廠家和研究院提供過樣品。

第五部分 可自適應變形的彈性集流體

最后給大家報告一下可自適應變形彈性集流體方面的工作。為什么要做這個工作呢？大家都知道，我們現在鋰電池集流體正極用的是鋁箔，負極用的是銅箔，無論鋁箔和銅箔，相對來說它的剛性是比較強的，很難發生很大的彈性變形。如果用銅箔做負極的集流體，用容量比較高的負極材料的時候，在充放電過程中負極就會發生嚴重的體積膨脹和收縮。這個體積膨脹和收縮主要體現在活性物質這一塊，集流體本身是很難被壓縮和拉伸的，這樣，固體材料經過反復的膨脹和收縮，就會造成電極材料的粉化和剝落，從而造成電池性能的衰減和失效。所以說現在的鋰離子電池經過多次的充放電循環以后，活性物質和集流體就會反復地膨脹和收縮，造成粉體的脫落、失效。我們就想能不能用彈性的集流體，這個集流體就像一個彈簧一樣的感覺，當活性物質膨脹的時候，集流體被壓縮，當活性物質收縮的時候，集流體被拉伸，這樣的話，活性物質的體積效應就移到了集流體里面，從而使活性物質一直保持壓緊的一個狀態，一直保持比較好的緊密接觸的狀態，把它的體積效應相當于移到了集流體里面。原來集流體不能彈性變形，這個彈性集流體能發生一個很好的彈性變形，這樣就可以解決前面的問題。

比如說我做的這個電池，在充放電過程中，一邊膨脹，集流體被壓縮，另一邊收縮，集流體被拉伸，這樣就一直使這個活性物質和固態電解質可以保持一個良好的緊密的接觸。這種情況大家可以想象的出來，應該具有比較好的循環性能。

這個彈性的集流體的優點，一個是可以為高容量的負極材料，如硅、鋰等提供體積膨脹的空間；第二點，可以在固態電池中使用負極活性物質和固態電解質，使二者保持穩定的界面接觸，也就是說保持比較緊密的壓緊的狀態；第三個，在柔性的儲能器件里面可以適應電池形態的變化，在變形過程中仍能使活性物質和集流體保持良好的電接觸；第四點，質量遠小于傳統Cu或AI箔，可以提高電池的質量能量密度；更重要的一點是，我們的彈性集流體比如說硅橡膠或者其他的一些聚合物的彈性集流體的價格遠低于傳統的銅箔或鋁箔，可以降低成本。所以說，使用我們這個彈性集流體可以降低成本，可以提高循環壽命，可以提高能量密度。

我們做了一些工作，首先我們選用的是很薄的硅橡膠，比如說一個毫米或者更薄一點的硅橡膠，通過化學鍍膜或者通過磁控濺射，非常容易在硅橡膠表面涂上一層均勻致密的納米銅膜。那么這個硅橡膠涂完銅膜以后，折疊再折疊放開以后就會回到原來的狀態，具有很好的恢復特性。但如果只是銅箔，折疊完再折疊就不能回到原來的狀態，所以我們這個集流體具有很好的彈性。另外，我們研究了在不同壓力情況下彈性集流體的面電阻的變化，可以看得出來，隨著壓力的變化，面電阻還保持非常低的一個水平，非常好的導電的狀態，這個變化很小，從0.076到0.2之間的變化，變化非常小。也就是說，不管是壓力多大，電池都可以保持非常好的導電的狀態。還有一點，因為電池要用到有機電解液，我們的銅箔是不是可以穩定地在有機電解液里存在？于是，我們把做的硅橡膠表面鍍的銅模樣品在有機電解液里面浸泡了120天，然后再拿出來測它的表面電阻，首先發現這個銅箔沒有剝落，也沒有其他的氧化。另外，面電阻變化很小，看著好像是有所增加，實際上整體維持很低的一個面電阻。還有，我們這個集流體具有很好的彈性，可以發生很大的彈性變形，傳統銅箔基本上沒有多大的彈性變形，它的變形率比較低，應變比較低，我們這個有很大的彈性變形。

于是我們就用這個彈性集流體做了一些電化學性能的測試。我們用的是微米級的硅作為負極。硅負極具有很高的容量，達到兩千多毫安時每克，但是硅負極的體積效應非常明顯，可以達到300%的體積效應，也就是它的體積膨脹或收縮達到300%。如果用微米級的硅組裝的電池衰減非?？?，基本上幾個循環下來電池就不能用了，容量就非常低了，因為反復膨脹收縮，電池就失效了。如果用我們的彈性集流體，還是用微米級的硅，我們裝上電池，首次充放電非常穩定，首效非常高，循環性能特別好，在0.1-0.8A/g電流密度情況下，能夠穩定循環到400次，可以保持在1000mAh/g的容量。如果是銅集流體，幾個循環下來就不行了?？梢钥吹贸鰜?，即使是微米級的硅，我們這個彈性集流體也可以很好的使用。在充放電過程中呈現出非常平穩的一個狀態，比較高的庫侖效率，阻抗比銅集流體阻抗要小。所以說，對比傳統的銅箔集流體，我們的彈性硅負極展現出來更佳的循環穩定性和更好的導電性能；同時，在相同的高壓下和電解液腐蝕的條件下，也可以有更優秀的電化學性能。我們還用彈性集流體做了金屬鋰負極的嘗試，也取得很好的效果。這方面我們也有專利和和文章，大家可以參考。

為了檢驗彈性集流體的效果，我們還設計了一種可實時監測電極應力變化的一個電池裝置。在這個電池裝置里面，我們在負極加了一個應力傳感器，可以感受到電池在充放電過程中電極的應力的變化，這個應力檢測裝置檢驗了彈性集流體和銅集流體的循環性能。大家看得出來，用我們的彈性集流體，隨著循環過程中電壓的變化，我們應力的變化是非常平穩的狀態，而且應力的變化與電壓的變化是一一對應的，每一個循環應力是非常平穩的狀態。但如果是銅集流體的話，可以看得出來應力是非常不穩定的，逐漸的減小，也就是它的容量是越來越低的。這個監測裝置能有效地原位地監測電池充放電過程中應力的變化，當然也可以用來研究充放電機理，也可以實時監測它應力變化的體積效應。這個裝置我們也申請了專利。

這個彈性集流體的應用前景可以用于高容量的負極（硅基、鋰金屬、鋰合金）電池的電極集流體，可以作為固態鋰電池的電極集流體，也可以作為柔性鋰電池的電極集流體。我們設計的這個電極應力檢測裝置可用于電池電極體積效應和應力原位檢測和充放電機理的研究，也具有一定的應用前景。

以上給大家報告的幾個工作，氧化物固態電解質、有機-無機復合固態電解質、彈性聚合物固態電解質以及彈性集流體都是比較實用化的技術，而且是比較穩定的技術。

第六部分 團隊和工作基礎介紹

最后給大家報告一下團隊的基礎介紹。我們團隊相對于國內做電池的團隊來說是非常小的，國內有的電池團隊非常大，成果很多，技術也很多。但是，我們團隊比較小，也就是三兩個人帶七八個同學，我們的工作很有限，局限在固態電解質很小的一個部分做了一些工作。但是，我們的技術合作團隊非常強，Goodenough教授是2019年諾貝爾化學獎得主，是美國UT-Austin分校的教授，今年已經過了100歲的生日了。我的一個博士生李玉濤博士當時就送到Goodenough教授的團隊進行聯合培養，聯合培養一年，畢業以后又回到那邊做博士后，在他那邊做科研助理。我也有多篇文章是和Goodenough教授共同發表的，很榮幸能和諾獎得主共同發表文章。另外，我們還有學生送到美國斯坦福大學戴宏杰教授課題組，戴老師也非常有名，是中科院的外籍院士。還有多名學生送到美國麻省理工學院李巨教授那里進行聯合培養。這些合作團隊非常牛，跟他們合作提高了我們研究的水平，我們也有多篇文章聯合發表。

另外，我們的依托平臺是清華大學材料學院，清華大學材料中心實驗室，還有新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室，所以我們平臺具有非常完善的電池制備、表征、測試的一些手段和一些儀器設備。另外，我們課題組在近十多年以來一直在鋰電池負極材料、固態電解質等方面開展一些研究工作，在結構設計和調控（特別是固體電解質和電極的界面調控）、制備工藝、電化學性能及其理論方面均取得了一系列的成果，具有一定的基礎，也申請了一些專利，在我們行業里面一些重要的期刊上發表了數十篇的學術論文。

以上就是我跟大家報告的工作，希望業界的朋友和我們洽談合作，這是我的名片，謝謝大家。

以上就是我的報告，謝謝大家！