為研判工程科技前沿發展趨勢，敏銳抓住科技革命新方向，中國工程院作為國家工程科技界最高榮譽性、咨詢性學術機構，自2017年起開展全球工程前沿研究項目，每年研判并發布全球近百項工程研究前沿和工程開發前沿，以期發揮學術引領作用，積極引導工程科技和產業創新發展。

《全球工程前沿2024》報告于2024年12月發布。這份被譽為“工程科技前沿風向標”的年度報告，是由中國工程院聯合全球權威數據機構科睿唯安與高等教育出版社，依托中國工程院Engineering系列期刊，組織9個學部院士專家團隊，歷經8年構建起成熟的研究體系，覆蓋工程科技全領域，既關注理論突破（如工程研究前沿），更聚焦產業轉化（如工程開發前沿）。

在2024能源與礦業工程研究前沿領域，“高離子傳導固態電解質”入選。

據該報告顯示，相較于有機電解液，固態電解質具有更寬的電化學窗口以及更高的安全性，因此被視為未來動力電池和儲能電池的重要發展方向。現階段，全固態電池的主要應用瓶頸之一在于充放電速度較慢。固態電解質中離子間相互作用力強，且電解質-電極界面阻抗高，導致鋰離子遷移能壘是液體的10倍以上，從而成為限制電池充放電速度的決定步驟。

高離子傳導固態電解質通常由無機離子化合物組成，其中硫基固態電解質基于其穩定的離子傳輸通道以及良好的界面力學適配性，室溫下鋰離子電導率超過10 mS/cm，可與商用電解液媲美。通過電解質成分設計與界面穩定性研究可降低限速步驟的反應能壘，從而進一步提升固態電解質鋰離子傳導能力。

電解質成分設計的發展方向是優化化學成分和調控晶體結構，致力于增加離子傳導通道和降低離子-離子相互作用，為鋰離子的自由移動提供有利條件。界面穩定性研究主要從界面鈍化層、涂層包覆、緩解界面應力等方向發展。

值得注意的是，固態電解質體相與表界面的離子輸運、界面電化學等物理化學過程具有鮮明的化學場、電場、力場耦合特征。全面考量多場耦合效應，構建真實工況下固態電解質的實驗環境與理論模型，可有效揭示其實際應用下的失效、失控機制，是未來高離子傳導固態電解質發展的重要方向。

在2024能源與礦業工程開發前沿領域，“高比能長壽命低成本固態電池技術”入選。

該報告顯示，固態電池采用固態電解質替代傳統電池中的電解液和隔膜，具有更大的能量密度、更長的使用壽命和更高的安全性。進一步提升固態電池能量密度可增加電動汽車的續航里程，并進一步支撐電動重卡和電動飛機的開發。

具體而言，能量密度為400Wh/kg、2000圈穩定循環的固態電池可將電動汽車續航里程提升至1000 km，是純電動車普及的重要支撐技術。此外，固態電池可大幅降低飛機質量，提升飛機推重比。上述固態電池亦可驅動雙座輕型飛機幾千次飛行，是開拓低空經濟領域、實現現代交通電動化革命的關鍵技術。

然而，固態電池能量密度與循環壽命受到界面不穩定、鋰枝晶生長與電解質衰退的影響。并且，固態電解質合成工藝復雜、產率低，一般在每千克190美元以上，遠高于每千克50美元的商業化門檻。

通過本征材料改性與制造工藝優化可進一步提升固態電池能量密度，增長循環壽命，降低合成成本。

本征材料改性主要從正負極材料改性、電解質結構設計、固態電解質鈍化層方向發展。電極表面包覆導電材料，摻雜Si、C等元素，以及減小材料顆粒粒徑，有利于緩解界面副反應，提升鋰離子擴散速率，提高固態電池能量密度。優化固態電解質中離子傳輸的定向和連續界面通道，構建多層異質電解質結構，摻雜Zn、F等元素以提升電解質電化學穩定性，有助于減少鋰枝晶生長，減緩電解質衰退，延長電池循環壽命。通過設計富氟化鋰、氮化鋰的原位界面鈍化層，可降低電池內阻、緩解電解質衰退與減緩枝晶生長，提升電池循環性能與安全性能。

然而，由于固態電池內部與界面電化學等過程具有鮮明的化學場、電場、力場耦合特征，單一設計難以兼顧多參數的全面優化。綜合考量多場耦合效應，構建真實工況下固態電解質的實驗環境與理論模型，可有效揭示其實際應用下的失效、失控機制，為設計固態電池能量密度、優化循環壽命提供有力支持。

電解質的開發和制造工藝優化主要發展方向是成膜工藝改進、大規模量產技術與超快精準合成技術。

成膜工藝分為濕法工藝和干法工藝，其中濕法工藝成膜操作簡單、工藝成熟、易于規模化生產，是目前最有希望實現固體電解質膜量產的工藝之一，但其工藝還需進一步研發。電解質大規模生產技術目前尚在探索中，高原料成本與均勻化合成是亟須突破的難關，業內預計將在2025年實現小批量生產，大規模商業化則需等到2030年左右。

超快精準合成技術可以在短短幾秒內實現多組分甚至高熵固態電解質的精準合成，不僅能高效篩選探索具有特定目標組分的電解質材料，而且可實現多元素準確、均勻地合成單一純相材料，是未來固態電池材料開發和工業化合成的重要趨勢。

資料來源：《engineering》

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