韩国团队提出首个固态电池设计原则

韩国研究团队近日提出了固态电池的首个通用设计原则，标志着电池设计研究的重要转变。此前，固态电池的设计缺乏明确的标准基准。

来自韩国能源研究所（KIER）蔚山先进能源技术研发中心的金镇秀博士与蔚山国立科学技术大学（UNIST）的郑星均教授合作，联合开发了一套固态电池设计原则和通用工具箱，以实现高能量密度的固态电池，并已完成性能验证。相关研究成果已发表在《自然通讯》杂志上。

随着全球电气化需求的不断上升，电池驱动的时代正逐渐到来。为此，韩国政府提出了”加强电池产业竞争力”的国家战略，以重点支持固态电池技术的发展。

固态电池采用非易燃的固体电解质，取代锂离子电池中易燃的液体电解质，从而提高安全性，降低起火的风险。此外，通过高效的电池及系统结构设计，固态电池的能量密度也能大幅提升。

尽管固态电池的基础研究已取得了一系列实验室级的成果，但由于缺乏科学的指导原则来设计实用电极及电池，导致开发过程效率低下，主要依赖于研究人员的经验来组合材料和调整设计参数。

为了解决这一问题，研究团队首次将电池的定量设计参数定义为平衡阈值、渗透阈值和负载阈值。这一创新提出了固态电池设计的通用原则。根据这些原则制造的软包电池达到了310Wh/kg的能量密度，超出了商用锂电池的性能，并获得了第三方的认证。

固态电池由复合电极、负极和固体电解质组成。随着电极中活性材料密度的增加，能量密度也会随之提升。研究团队基于”立方密堆”结构，将球形颗粒按最大密度排列，将填充颗粒间隙的固体电解质的标准比例定义为”平衡阈值”。在这一阈值下，活性材料的体积比为74%，固体电解质为26%。通过调整这一比例，可以确定能量密度和功率密度之间的设计策略。

研究团队进一步确立了复合电极中锂离子传导的最小条件，将活性材料和固体电解质复合颗粒接触的最小密度定义为”渗透阈值”。在这一条件下，复合颗粒之间的空间必须小于等于26%；若超过这一比例，颗粒便无法接触，从而阻碍离子流动，导致电池无法正常工作。

此外，研究团队还设计了一种通过计算电极内电压下降的具体条件来确定电极厚度的方法。电极厚度的选取直接影响电阻和电流密度所造成的电压下降。该团队将电压下降在100mV以内的组合条件定义为理想模型，称之为”负载阈值”。这一条件为优化电极厚度提供了指导，能够与不同材料和电极设计结合使用。

研究团队成功应用这些设计原则，制造出容量为0.5Ah、能量密度达310Wh/kg的软包电池，并获得韩国适合性实验室（KCL）的官方测试认证，证明其设计原则的有效性与一致性。

为便于广泛应用，研究团队还开发了名为“SolidXCell”的固态电池设计工具箱。该工具箱结合了上述设计原则，面向公众开放，是一个多尺度、多参数的设计平台，旨在帮助用户直观、系统地设计复杂的固态电池，并免费提供给研究人员使用。

金镇秀博士和郑星均教授表示：“固态电池首个通用设计原则，以及共享的设计工具箱，将极大地推动固态电池设计领域的发展。我们希望更多研究人员能够利用这些原则，设计出更高性能的固态电池，克服当前技术障碍。”

目前，联合研究团队正在韩国建立“先进电池工程基地（ABEF）”，该基地获得了韩国产业技术振兴院与蔚山广域市的支持，未来将为合作企业提供全固态电池、锂金属电池和锂硫电池原型的制造、评估和分析基础设施。