产学研协同构建中国全固态电池技术平台

欧阳明高ouymg@tsinghua.edu.cn 前言：全固态电池关键科学技术难题 前言：全固态电池全行业产学研协同创新 2024年1月21日，多名院士专家，多家领军企业、知名高校、研究机构，以及多个地方政府联合发起建立了中国全固态电池产学研协同创新平台（CASIP） 前言：全固态电池全行业产学研协同创新 1.全固态电池技术路线研判一明确总体思路 2.全固态电池关键材料创新一突破共性基础 3.全固态电池的AI研发平台一一建设公共平台 目录 1.全固态电池技术路线研判 2.全固态电池关键材料创新 3.全固态电池的AI研发平台 平台成立报告回顾：日本全固态电池技术路线图2020 平台成立报告回顾：中国固态电池技术路线多元化、以固/液混合为主 相比国外，重点以半固态（固/液混合）为特色，对全固态认知不一，投入不够从行业全局看，要重点防范全固态技术路线带来的颠覆性风险 轿车用全固态电池技术路线研判 ■全固态电池的主体电解质全固态电池逐渐聚焦到硫化物技术路线，投入持续增加 轿车用全固态电池技术路线研判 轿车用全固态电池技术路线研判 全固态电池的负极材料：石墨/低硅、高硅硅碳、锂金属三类，2030年前硅碳是重点 轿车用全固态电池技术路线研判 全固态电池的负极材料：石墨/低硅、高硅硅碳、锂金属三类，2030年前硅碳是重点 2024年6月提出：硫化物为主体电解质的轿车全固态电池技术路线 1石墨/低硅负极硫化物全固态电池（2025-2027）：以200~300Wh/kg为目标，攻克硫化物固态电解质打通全固态电池的技术链，三元正极和石墨/低硅负极基本不变，向长寿命大倍率方向发展 高硅负极硫化物全固态电池（2027-2030）：以400Wh/kg和800Wh/L为自标，重点攻关高容量硅碳负极，三元正极和硫化物固态电解质仍为主流材料体系，面向下一代乘用车电池 锂负极硫化物全固态电池（2030+）：以500Wh/kg和1000Wh/L为自标，重点攻关锂负极，逐步向复合电解质（主体电解质+补充电解质）、高电压高比容量正极发展（高镍、富锂、硫等） 400Wh/kg800Wh/L循环寿命1500+ 2024全球全固态电池发展趋势 2024全球全固态电池发展趋势 2024全球全固态电池技术趋势 硫化物固态电解质：众多企业布局研发，已经建立了小批量供应能力，需要重点攻克大规模生产工艺 疏化物为主体电解质的轿车全固态电池量产时间预测 2025~2027：石墨/低硅负极硫化物全固态电池：以200~300Wh/kg为目标，攻克硫化物固态电解质，打通全固态电池的技术链，三元正极和石墨/低硅负极基本不变，向长寿命大倍率方向发展12027~2030：高硅负极硫化物全固态电池：以400Wh/kg和800Wh/L为自标，重点攻关高容量硅碳负极，三元正极和硫化物固态电解质仍为主流材料体系，面向下一代乘用车电池12030~2035：锂负极硫化物全固态电池：以500Wh/kg和1000Wh/L为目标，重点攻关锂负极，逐步向复合电解质（主体电解质+补充电解质）、高电压高比容量正极发展（高镍、富锂、硫等） 目录 1.全固态电池技术路线研判 2.全固态电池关键材料创新 3.全固态电池的AI研发平台 2.1固态电解质 清华大学-四川新能源汽车创新中心研究团队持续研发硫化物固态电解质，取得系列进展系列硫化物固态电解质产品：基础型离子电导率>11mS/cm小粒径型材料D50<500nm，离子电导率>4.5mS/cm；分别针对正负极材料进行界面优化，显著提升复合电极循环稳定性基础型 掺杂型 高靠子导率 韩点：基于基建惠严量避行接杂改性、驾开本征急定， 小粒径型 包覆型 好点：赶于基型修导型产至进行粒任清控，代化量合电极保配 修点：基手系社型/排杂产品讲行表勇包随，优化界格定性， 2.1固态电解质 超薄电解质膜：可实现20um电解质膜的连续化制备，转印前后均具有良好的柔韧性和加工性能离子电导率达1.4mS/cm，可实现软包电池良好的循环性能 2.1固态电解质 ■产业化开发：批次稳定性优异，2025年推向产业化，已对头部企业进行小批量销售和送样测试 批次稳定性提升 已开展材料送样/销售的企业 2.2复合正极 高镍正极：通过前驱体原位掺杂改善一次颗粒尺寸及取向，倍率性能大幅提升（1C容量218mAh/g） 正极包覆：通过简易干法实现表面包覆，改善循环，室温1180周循环容量保持率81.1% 2.2复合正极 高压实复合正极：通过活性材料、电解质等尺寸及比例设计，复合正极压实密度达3.59/cm3活性材料占比≥85wt%，载量≥3.5mAh/cm2，设计能量密度及1C容量发挥率均优于现有研究水平 2.3硅碳负极 高性能硅基负极已经成为400Wh/kg全固态电池的主流负极材料选择，各类硅基负极材料都在研发中尚未实现大规模商业化应用，主要挑战包括提高材料性能、降低成本和解决界面问题等 美国Group14公司CVD气相沉积硅碳负极制备工艺 华宜清创公司与欧阳明高院士工作站一步法硅碳负极工艺 容量>2000mAh/g，首效>83%(0.8V)造粒后材料体积膨胀率~90%生产过程安全、周期短（7小时）吨级生产能耗<1000kWh >容量>1900mAh/g，首效>82%（0.8V）>材料体积膨胀率~90%硅烷易爆炸，产品工艺稳定性差吨级生产能耗>5000kWh 2.3硅碳负极 步法硅碳负极循环性能：采用高离子导率、低电子导率的材料进行界面修饰，提升硅碳负极材料和硫化物电解质之间的界面稳定性，改善硅碳负极的循环性能 CVD材料加剧硫化物分解反应 2.3硅碳负极 步法硅碳负极循环性能：首充比容量1350mAh/g，首效89%，1024次循环容量保持率为80%循环性能优于硅烷沉积多孔碳代表性企业产品，采用湿法工艺制备的极片循环更加稳定 2.3硅碳负极 低体积膨胀硅碳负极：将碳包覆硅纳米颗粒和多孔碳材料进行复配，利用多孔碳骨架预留体积膨胀空间从而显著降低硅碳负极的极片膨胀率 2.3硅碳负极 低体积膨胀硅碳负极：高克容量OSD硅碳负极极片膨胀率与CVD硅碳负极相当中低克容量OSD硅碳负极极片膨胀率低于CVD硅碳负极 2.3硅碳负极 适配硅碳负极的异亲和粘结剂：通过形成粘结剂网络，对电极中各成分形成强束缚作用，提升硅碳负极低压力下（3MPa）的倍率性能和循环性能（125周一1050周） 2.3硅碳负极 产业化进展：基于一步法硅碳负极材料开发的500/550系列产品已完成全固态电池样品验证运行压力低于5MPa 2.3硅碳负极 2.3硅碳负极 1产业化进展：现有产能为3000吨，未来将以提高能量密度为目标，逐步扩产至万吨级 A-HYSC2200 可逆比容量：2200mAh/g规划年产量：30000吨/年核心:全固态电池用硅碳负极材料 可逆比容量：1500-2000mAh/g规划年产量：10000吨/年核心：提高电池能量密度 目录 1.全固态电池技术路线研判 2.全固态电池关键材料创新 3.全固态电池的AI研发平台 探索AlforScience科研新范式，助力固态电池产业发展 DeepSeek解读与评估：问答、文本挖掘与电池设计 DeepSeek在电池知识问答和电池文本挖掘任务上均表现优异，在电池设计任务上具备初步的总结能力尚欠缺科学分析能力，仍需要垂直领域大模型解决 以下品社W，30w5wg子/国的方定及核心区B比，方% 3.1基于人工智能的能源材料研发新模式 电池设计和材料研发方法从实验试错、正向仿真方法遂步过渡为智能化全自动研发新模式 研发新模式一智能化全自动 传统研发模式一实验试错 现有研发模式一正向仿真 建立组成-结构-性能的关系模型，通过数字李生方法，仿真各参数条件下的数字化虚拟电池的各类性能 通过智能化方法实现电池设计全流程自动化，实现多变量高维空间快速寻优，加速设计送代 3.1基于人工智能的能源材料研发新模式 3.1基于人工智能的能源材料研发平台构建 3.1基于人工智能的能源材料研发平台构建 基于材料文献数据库与大语言模型开发能源材料垂直领大语言模型 3.1基于人工智能的能源材料研发平台构建 3.1基于人工智能的能源材料表征 3.2基于人工智能的电池设计 电池设计正从第二代的仿真驱动向第三代基于AI的电池智能设计（BDA）技术方向发展 电池智能设计技术可将电池研发效率提升1~2个数量级，节省研发费用70~80%注：菜头部动力电池企业2022年电池研发费用约为155亿元，其中约64亿为材料费，61亿为人工费 3.2基于人工智能的电池设计 BDA革新互动方式，加速情景复用，提高计算能力，实现自动代 3.3全固态电池研发智能公共服务平台 平台里程碑 战略目标全固态电池智能研发平台