深海锂电池研发：青岛有位“太极高手”

海洋、石油、山川等资源是大国之争的重点之一，谁掌握了核心技术谁可在当今时代执牛耳。万米深海下压力巨大，一根钢管都会被压扁压爆，而让处于深海的电池正常输出能量，陆续为海下工作提供能源则是一件难题。在全球范围内，一场争夺固态电池关键材料与核心技术制高点的暗战已然打响。

面对这一严峻形势，中国科学院青岛生物能源与过程研究所（以下简称中科院青岛能源所）固态能源系统技术中心主任、研究员崔光磊，从2009年团队成立之初，就继承和弘扬老一辈科学家甘坐“冷板凳”和“十年磨一剑”的奋斗精神，笃志攻克固态聚合物电池科学难题。崔光磊团队深耕聚合物电解质关键材料，首创“刚柔并济”聚合物复合固态电解质和高离子电导自由基捕捉型粘结剂体系，解决了困扰固态锂电池发展的“关键材料”和“固/固界面”两大瓶颈问题，让电力在万米深海下顺畅“流转”。

1000多万元投入新能源研发

国内从事锂电池等相关研究的单位很多，甚至“只要有高校的地方，基本上就有研究电池的课题组在”，竞争激烈，但能做出成绩的少之又少。

崔光磊曾在德国能源领域从事研究多年，2009年回国，以中科院“百人计划”专家的身份，把大约1000多万元经费都投入到新能源研究的平台建设和应用技术开发方面。

崔光磊组建了一支100余人的固态能源系统技术中心研发团队，这是一支固态锂电池科学问题研究和工程开发并重的高水平科研团队。他带领团队组建了仿生与固态能源系统研究组，在高比能固态锂电池、锂离子电容器、下一代低成本储能器件（锌离子电池、镁离子电池等）以及钙钛矿太阳能电池核心器件和关键材料等方面取得多项具有自主知识产权的成果和进展。

在最初做能源研究时，团队就清晰地分析出目前锂电池所存在的问题。“首先是容量问题，如何提高电池容量密度；其次是安全问题，如何在最恶劣环境下都能正常使用。”在崔光磊团队看来，电池只有具有高能量密度，才能保持长久的续航能力，但传统电池存在很大的安全隐患。崔光磊说，他们研究的方向是将两者合二为一，就是“解决在提高能量密度的同时提高它的安全性能”。

“刚柔并济”化解技术矛盾

产业升级，材料先行。如果提高电池的高容量和高功率，极易导致内部热量增大和温度升高，安全性会大打折扣；同样，提高安全性则意味着会在能量密度上做出牺牲。因此，提高电池的尺寸热稳定性和耐高温性能变得尤其重要。团队攻关近十年，就是要解决技术方面的“矛盾”。

在研发过程中，团队提出一个新的方案，名为“刚柔并济”理念。所谓“刚柔并济”，就是在电池刚性材料跟柔性材料之间寻找出一个平衡点，开发了很多刚性骨架，提供高力学性能和尺寸热稳定性能。如此一来，既能照顾能量的提升，又能增强安全性。

经过无数个日日夜夜的艰苦努力，崔光磊带领团队成员在国内首先开发了纤维素电池复合隔膜动力电池中试技术，受到科技部和电池行业协会的高度评价，该项自主知识产权的技术可以打破国外高端隔膜的技术垄断。

经测试万米深海输电稳定

为了验证技术先进性，他们首先选择在条件最为苛刻的深海进行试验，“万米深海之下，压力高达100兆帕，电池不仅要能正常能量输出，还得抗压、抗腐蚀，保证安全运行，这是对我们技术的挑战。”崔光磊说。

从2016年起，团队开始做相关的深海测试，首先模拟深海环境中压力仓的测试，从7000米深度开始，再到10000米，当月实验成功通过；接下来的5个月，团队通过在模拟深海压力的环境中进行充放电的实验，试验虽经历无数次，结果却是喜人的，10000米深海输电还是非常稳定的。

2017年3月，团队开发的固态锂电池电源系统随TS03航次科考船远赴马里亚纳海沟，为“万泉”号着陆器控制系统及CCD传感器提供能源，累计完成9次下潜，其中6次超过10000米，最大工作水深10901米，累计坐底工作时间98.5小时，顺利完成万米全海深示范应用，这标志着我国成功突破了全海深电源技术瓶颈，填补了全海深高能量密度深海电源系统技术空白。

2018年8月到10月，开发的模块化固态电源系统随TS09航次科考船再次远赴马里亚纳海沟，为“天涯”“海角”“万泉”等全海深着陆器提供能源动力，共计完成27个潜次的作业，15次下潜深度超过万米，最大下潜深度10918米，单次下潜最长作业时间26天10小时43分钟，创世界上单次连续作业纪录，为我国获取首批超万米深度的全海深水文数据及海底复杂地形下实时勘测提供有效能源保障。

2020年11月，全海深固态锂电池系统为“沧海”号视频着陆器提供充足的能量动力，成功保障了“沧海”与“奋斗者”的万米深海联合作业，视频见证“奋斗者”成功标注了中国载人深潜新坐标。同一时间，高功率固态锂电池系统为“鹿岭”多位点着陆器提供了大功率、长航时的能源动力，成功完成多位点、长距离的全海深复杂工况下浮游作业。

此外，团队在系统集成方面做了大量尝试，他们基于CAN通讯及三模式控制方式来探索，希望能够达到功能兼备超长寿命。团队还做一些储能的工作，利用固态电池做一个储能的系统，为终端的能源用户提供个性化、智能化的需求。

技术趋成熟实现零故障应用

团队的研发成果多年来实现了全海深电源系统零故障应用，表明我国深海装备用全海深电源系统技术已趋于成熟，为我国深海事业发展提供了安全、可靠、零事故运行的特种电源保障，产生了巨大的社会效益。

据了解，应用于深海的固态锂电池同样也可以应用于太空、电动车、储能等领域。崔光磊介绍，他们目前已承接订单，为深海着陆器、水下机器人等设备提供配套的电源体系，下一步将成立产业化公司，为新能源汽车、电动车提供特种电源。

观海新闻/青岛晚报记者薛飞

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