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以下内容根据现场演讲精简

【立足极片工程、加速全固态电池开发——重庆长安汽车股份有限公司电芯开发总工程师张宁欣】

谢谢联盟的邀请，各位同事下午好，我是来自重庆长安汽车的张宇欣，我今天的报告题目是“立足极片工程，加速全固态电池开发”。主要讲五个部分，第一部分是全固态电池开发的路线，第二部分是锂电创新维度的解析，第三部分是极片工程方法学。第四部分是极片工程在全固态电池开发过程中的应用，第五部分是结论性总结。首先我想引用一下今年2月份欧阳明高院士在全固态电池产学研协同创新平台2025年会上的一张PPT，他提到轿车用全固态电池路线的一个判断：从化学的角度来说，是从低能量密度向高能量密度发展。

第一个就是说用插层化学，然后是到转化化学，下一步可能是我判断认为叫做无极化学，比如说未来无负极，或者宁德时代前段时间提出自生成负极理念，如果更进一步来说后锂时代，是空气或者金属这个体型，也可以认为是一种无正极的电池。

第二部分我借用一下宁德时代曾毓群的理论，他曾经提出锂电创新的四个维度划分，第一个是材料层级的创新，包括正极材料、负极材料、电解质、固态电解质以及导电剂、连接剂、结合剂等。第二部分包括前面刚刚讲的自生成负极，也可以说是属于材料体系的一个创新，那么第二部分就是体系或者说结构的一个设计的创意维度。第三部分就是工艺和设备的创新。第四部分是一个应用，在前一段时间，宁德时代发布新品，也提到多膜或者多核电芯，属于应用场景的创新。

今天这个报告的主题，极片工程，是跨了三个维度的创新，系统材料，包括如何把这个材料做出来，然后做的过程中使用了什么样的工艺，用了什么样的设备来做成极片？所以，我觉得极片工程如果我们做得很好的话，有可能对于开发全固态电池会有一定的提速的作用。

这张图是2023年，所谓非学术的人来对锂电创新的维度的划分，他就给出了不同技术成熟度，投入不一样，所面临的风险也是不一样的。随着成熟度的上升，资金的投入也会变大，但是它的风险是比较小，也就是说经过一定时间的积累，各个参与者的贡献，投入越来越大，所面临的风险就会越来越小。

下面谈一下极片控制学，为什么说极片控制很重要？首先通过这两张图可以看到，从极片电池生产工程过程来讲，那么到极片这个层级来说，它基本上聚集了很多极片，包括正极，集流体一些活性物质，尤其它也占用了很多能量的消耗成本，也占很大的比例，也就是说到了极片这个层级的话，那基本上很大的一个比例就已经决定了电池未来会做得怎么样。

那么在全固态里面，尤其有一点比较重要，即在全固态电池的制造、能耗成本以及最后结果的影响都会增加。为什么这么说？除了常规的极片，那么硫化物，我们知道硫化物和氧化物复合路线，那么它的电解质也可以认为是沿用这个极片的生产或者设计的过程来做的。

所以说这一块的话，对于极片工程，对这个全固态电池来说，我觉得还是有很重要的一个作用。那么目前来说这个硫化物电解质膜包括氧气的话，可能是先用湿法工艺来做，那么后续的话可能会由干法的工艺来做。这里面就做一个简单总结，极片是电子结构的一个关键的部分，其实极片制造完整能耗时间都占了很大的一个比例；极片的性能可以说在很大的程度上决定了这个电池的大部分性能，包括能量密度、快充性能以及寿命等等，可以说“得极片者得天下”。

举一个例子，我以前在ATR工作的时候，索尼当时的锂电池，这个液态锂电池，早期的极片都在日本生产，然后打包运到无锡的工厂来做后端组装的工作。极片在锂电池的制造工作中起到一个承上启下的作用，所以极片的质量的监控就很重要。通过极片的检查的工序可以筛出一些不合格的极片，这样的话流到下游的工序来提供质量优异的极片。

那么极片工程，我觉得很重要的一个结构，就是多孔的结构，因为其多孔的结构，它基本上基于活性物质的一个来源，多孔的来源来决定的。那么使用液态电解质的时候，极片的孔隙被填满，也就是说没有孔隙的话可以说很难产生，我们目前要占用主流的液态电池，而且在循环的过程中，活性物质会发生体系的波动或者产生微裂纹。那么可以被电解质很容易的填充，这样的话可以维持离子传导的一个通路。所以说从逻辑上来说，多孔电极的结构与有机电解液可以说是一个绝配。虽然我不知道开发液态电池是否有考虑到这个问题，但确实存在这样一个现象。

那么这里面有很多近年的理论，主要是取自武汉大学化学系杨汉西教授，他做的多孔电极的一个理论，这也是我以前在ATR工作的时候，给工程师做了培训，也应用了一下多孔电解理论。这里面很复杂，自己也讲的不是很清楚，但是我觉得这里面一些理念，就是他想把多孔的不均匀性，用一些简单的方法来处理，用一些数学的方法来处理，然后可以得到一些解析的公式来进行计算。那么在这里面，如果我们要更好的解析多孔结构的话，可能要用现在比较流行的AI工具来做，我觉得是一个很好的方式。AI自从去年获得诺贝尔奖之后，也在全社会引起了潮流。那么AI在极片工程里面的应用，一个是活性材料的开发，第二个就是电解质材料的开发等等，同时在应用端的话也会有一部分的应用，比如说，宁德时代在宣布会上也讲到用了1000多万辆车，用了宁德时代电池，有海量的数据，那这些数据的话可以用AI来进行一个筛选，来得到有用的信息。

这里面也给一个例子，在硫化物全固态电极电解里面，用不同的压力处理，得到的极片会有不同的空隙率。那么再用AI的方法来把界面做一个处理，来提取一个电解质活性物质颗粒界面的状态，然后导入到模型里面，就可以有助于开发更精确的一个多孔电解的模型，尤其是应用在全固态电子里面。在极片的制造方面来说，当然目前的主流还是液态的办法，但是我觉得干法电极有可能会成为未来的一个主流。因为干法电极是一个固相的分散的过程，它不采用容积分散，也就是说所得即所想，它没有容积与挥发过程所带来的一些可能不利的影响，以及造成的一些主元偏距等等。同时干法工艺比较容易实现可设计、可控制，最后更高一个阶段就是可定制。

当然这里面可以做一个简单的理论，就是干法工艺和到全固态电池的生产，我觉得从逻辑上来说是一个统一的。那么这里面也是前段时间在深圳电子展上，青年电子展示的全固态干法工艺来生产负极的一个装置示意图。从极片工程方法学的制造来说，未来的方向有可能就是厚电极、梯度电极，为了实现快速以及干法电极微结构的控制和成本的控制。

还有一个我觉得更重要一点，就是前面几位专家，也包括讲到极片的电子电导和离子电导，那我觉得极片制造可能有个重要的一点，就是要解耦锂片的离子电导和它的电子电导，这样能够实现所需要的极片的性能。当然极片做完之后，怎样测量能够符合要求？我觉得主要包括纵向、横向以及干电极、湿电极的测量。

这里面有两张图，可能是准备时候漏掉了，其实它主要的设想是要衡量多孔结构对离子电导的影响，对多孔结构的一个判断。同时要以一个近原位的方式来了解软包电芯中极片电子电导和离子电导，同时更换电解液，或者评估不同阶段的电化学历史的时候，可以通过极片就能做一个初步的判断，对原因或者结果进行一个展望。

这里面我想简单介绍镜像的测量极片的方法，这也是我以前在ATR的时候一些工作的积累，当时那个cat，我们外籍的企业当时还没有诞生。我当时基于一个原理，阳极的一个膨胀，会给后面的产品带来很大的一个困扰，那么产线要求我们最好有个简单快捷的方法，能够找到原因，并寻找一个解决的办法。

这里面我设计了在极片正极中心的位置，当时用的是iPhone4s电芯，中间贴了一块滤胶，然后把贴完滤胶的电芯拿到产线上，我们来做一个正常电芯的制作。然后这样，我们在做不同的电化学过程的时候，滤胶对应的阳极，就是认为它没有经过电化学的反应，可以保留原先极片的一个状态。这样我们就可以得到一个近远微的，做不同的SUV状态下就可以测量一下对应的负极，反应区和未反应区，它的厚度的变化以及物象的变化。

同时还可以测很多的性能，比如这里面我们测了一下结果，可以看到黑的区域，还有那个g波段还是保持了石墨初始的一个状态，那么反应区是金黄色的充电状态，已经没有g波段的波峰。

同时我们还测了一下同样极片，做完有电化样板和没有电化样板它的一个孔隙率的分母，可以看到黑线是没有进行电化学反应的，那么紫线就是经过电化学反应就可以看到基本上维持了电极大体的结构没变，但是有一些微裂纹产生了。

这个办法可以说简单有效，而且能够尽量避免取样带来的误差，使结果能得到很好的一个判断。那么在全固态电池开发中，我觉得极片工程也是有很重要的一个作用的，在多孔电池中，全固态电池中多孔结构的角色会发生一个变化。比如说在传统的电池，刚刚前面也讲到了，需要孔隙的存在，但在全固态电池极片的结构中，孔隙的存在是有限的，所以我们现在就想到很多办法来根除多孔结构。

那么如何根除呢？前面几位专家也讲到了用复合电极，比如说极片要添加固态电解质活性物质颗粒的级配，以及固态电解质级颗粒级别，甚至我综合考虑活性物质电解质颗粒，然后把它作为一个系统来看看它和粒晶的复配。第二个问题谈一下全固态电池极片，我觉得还有一个问题，就是我们要解决全固态电池一个“体面”的问题。不是说全固态不体面，而是说一个体的问题，包括极片，甚至极片的正极负极，以及离子电导率。

我们现在说的硫化物电解质，刚才前面几位专家也提到，它的离子电导可以达到比如说10甚至20毫息每厘米，那么这个时候测试压力可能是在很高的，比如说100兆帕下来测试的，氧化物氧气符合的，也要提高它的本质的离子电导率。这一块我们团队刚刚也给我反馈了一个结果，我们也测了一下，基于硫化物来开发全固态电解质的极片，在不同的压力下，极片的离子电导和电子电导，在不同的等级压的压力来测试，如果我们减小大概125兆帕的等级压力减小，那么极片的离子的电导大概降低了70%。

我们组装完电池之后来测一下极片的运行压力，不同运行压力极片的离子电导率降的一样，我们减小大概一半的，从一吨的压力减到0.5吨，那么极片的离子电导率降低大概70%，这一块也是很大的一个影响，如果离子电导率不提高，对固态电池的一个发挥也有很大的不利影响。

那么“面”的影响，就像前面几位专家说的，也是要提高固固界面的稳定性，确保微观的导电网络，不管是在初始状态或在经过多少次循环之后，都能达到一个维持离子传导和电子传导的状态。

像前面说的，这里面有几个例子，以文献里面的例子来讲一下解耦离子电导和电子电导的一个办法，第一个例子就是去年发布一些文章，这里面也是为了突破极片工程的一个固有的逻辑。为什么重要？因为在传统的极片里面，活性物质导电器连接器在做完一定的配换之后，不管是干法还是湿法工艺来做完之后，可以说极片就已经定了，那么这时候离子电导和电子电导有可能已经定下来了，因为这里面没有使用液态的电解液，那么文章讲的，因为冷冻干燥的办法形成一个纵向排列的极片。然后在极片里面再填充去后的固态电解质，同时也使用CNT来加强横向的离子和电子的传导，这样就是有效的能够，可以看到这一个显微结构，左边是一个阵列的结构，干燥完之后，那么右边填充了一些固态电解质，形成一个毛细血管状态的结构，形成一个辅配电解的结构，这里面给出了一个很好的结果，包括不同结构的电子集中的锂离子扩散的系数，以及不同的倍率下所实现的克容量以及它的循环的性能。

另外，现在技术的发展很快，既然我们有一些办法为了解耦极片的离子电导和电子电导，3D打印可能是更好的一种方式，相当于前面那种用冷冻办法来制造极片，特点是用主动式的一个极片的结构来设计、来实现电子电导和离子电导的隔离，用3D打印形成一个主体结构，形成一个CNT取向的可调，同时用3D打印形成自然纵向排列构造的结构，也就是活性物质的构造结构。这样可以实现纵向离子传输通道的一个自主可调。那么这里面，论文里面给出了一些显微的结构。

这也是文章里面一些结果，蓝色的CNT，也用过3D打印工艺，能够实现CNT纵向单一的一个取向，这样有利于提高纵向电子电导，那么这里面结果也可以看到，它的孔隙率也是可以得到很好的调整，然后从它的ES，从倍率性能都能得到很大的改善。

第四部分我想以一个例子来介绍一下薄膜电池，刚才前面李老师也讲到了一个薄膜电池，我觉得薄膜电池微观结构来说，它的电解质和极片都是比较均匀的，可能是用一些比较现代IC所用的办法来实现。这个结果其实给我们带来一个启示，可以说它能够实现一种理想的锂离子电池的结构特点，纯净、均匀、质密，因为用薄膜的办法来做是里面是没有空隙的，我们用宏观的办法来制备的电极，同时它实现的供应条件也是照极限的条件来实现的。

包括它的工艺环境，真空且超级能的环境，工艺装备可能是用原子层级，或者用气象监测等等，那么靶源也可能是一个高层的靶源，这样就带来一个结果，我们得到的电极可能是一个很极致的电极，孔隙率基本上是0，那么界面的缝隙也可以认为是0，这样锂离子从正极出发，穿过电解质膜，在在向负极迁移的过程中，形成齐步走的状态。

我们想象一下微观的场景，前面讲的多孔电极的处理的办法，可能就不需要这么复杂了，不需要做一些简化或者模型的讲，基于薄膜电池，我们得到一些参数就可以来做建模。然后在模型上，再做一个更深入的开发。

第四部分讲一下先进电子研究院，大家知道长安汽车有100多年历史，但先进电子研究院是2024年1月份刚刚成立的，还算一个比较年轻的单位，团队比较年轻，希望能够借助各方的力量来促进电池的发展。

这个是今年4月11号，我们董事长在2024年度业绩年会上的照片，他提到长安汽车推进下一代先进电池的开发，采取“1+x+2”策略，1就是先进电池，2是包括投资的战略投资方，钛澜新能源以及宁德时代，当然x是行业的所有科研院所，包括可能今天在座的各位，如果大家有一些好的技术，或者好的一些想法。欢迎大家和我们一起来合作，来共同推进全固态电池的开发。

总结一下，极片控制在先进电池开发中，可以说是一个基因工程，极片控制类似于电池基因的形成；要提升电芯的性能表现，优化极片的组分和制备工艺是关键；全固态电池开发中极片工程具有重要的地位，AI赋能可以确保极片的开发，能够有一个更高的效率，更精准的一个结果来加快全固态电池的开发；那么极片设计方面，可以从极片设计到极片制造到极片定制的方向走下去。

当然薄膜锂电池的重要价值可以搭建电池本构的模型，可以称之为一个模型之母。那么这一块我们得到一些参数，可能因为它没有一些理论的简化，更有可能做更复杂的模型。当然极片工程的目标就像前面说的，我们既要达成电芯全能的目标，又要实现设计的自由，同时还要把握制造的过程。以上就是我的报告内容，如果大家有兴趣的也可以添加我的微信，让我们共赴全固态电池的星辰大海，因为这也是国家的一个工程，我觉得有必要来聚集全社会的力量，我想这也是电池联盟一个出发点，谢谢大家！