用“一束光”引领固态电池革新：长三角大科学装置助力产业突破

《徽声在线》5月26日讯（记者 余诗琪）动力电池技术历经十年高速发展，如今正悄然步入一片未知领域。当液态锂电池的能量密度逐渐触及理论天花板，全固态电池作为下一代电池技术的代表，似乎已站在量产的门槛前。然而，企业在推进全固态电池研发时发现，材料选择、技术突破、设备升级等方面仍存在重重障碍，传统的试错式研发模式已难以满足当前需求。

“我们最关心的问题是——电池能否实现‘永生’？”合肥国轩高科工程研究总院副院长张峥在产业对接会上直言不讳。这个看似哲学性的问题，实则揭示了当前电池技术面临的真实困境：材料微观结构如何演变？界面反应机理是什么？电池失效的临界点又在哪里？

要解开这些谜团，需要一双能够洞察原子级动态过程的“慧眼”。而这正是大科学装置——同步辐射光源大显身手的地方。

一场打破界限的产业对接会

近日，长三角大科学装置（光源类）联盟在合肥举办了首场产业对接会。这场以储能电池为主题的盛会，吸引了国轩高科、宁德时代、奇瑞汽车等行业巨头，以及上海光源、合肥光源、苏州实验室等顶尖科研机构的参与。近百名代表齐聚一堂，共同探讨如何让“大科学”与“大产业”实现深度融合。

“过去，大科学装置主要服务于前沿基础研究，但近年来，企业产品研发对大科学装置的需求日益增长。”中国科学技术大学教授、国家同步辐射实验室主任刘啸嵩表示。他透露，截至2023年底，国家已规划布局建设了77个大科学装置，覆盖了主要科研领域，部分设施的综合水平已跻身世界一流。然而，大科学装置与市场需求之间仍存在一道无形的“鸿沟”。

张峥对此深有体会。作为国轩高科研发实验室的负责人，他每年投入巨额资金购置国际顶尖的表征设备，但“光的能量始终不够——毕竟只是单体设备”。同步辐射光源作为一种利用相对论性电子（或正电子）在磁场中偏转时产生光的大科学装置，其光子能量覆盖真空紫外到硬X射线波段，通过联用电、磁等多种探针，可对电池的正负极材料、电解液、隔膜等组件进行微观尺度的深入分析。

除了同步辐射光源装置数量有限外，沟通障碍也是一大难题。“我们与合肥光源合作初期，80%的时间都在互相询问‘你在做什么’‘你为什么要这样做’。”张峥坦言，企业不了解装置的边界条件，提出的需求往往不切实际；而科研人员虽然对装置手段了如指掌，却难以直观理解电池产线上的真正痛点。“这是一个典型的跨行业沟通问题。”

联盟的价值，就在于充当这个“翻译官”。通过联合实验室管理委员会、年度会议、需求对接会、周例会等机制，国轩高科与合肥光源已探索出一套稳定的“揭榜挂帅”合作模式：企业提炼场景需求，光源提供机时和智力支持，双方团队联合攻关。目前，双方已开展8个合作项目，不仅发表了高水平论文，还直接推动了磷酸铁锂材料的技术升级。“同步辐射的表征手段为我们提供了极大的指导。”张峥说。

从“看见”到“应用”：一束光如何照亮生产线

如果说基础研究追求的是“看见”，那么产业界追求的则是“应用”。在对接会上，一个关于“金属异物”的案例生动展示了这束光如何从实验室走向生产线。

电池生产中最忌讳两样东西：水和金属颗粒。水会影响电池性能，而金属颗粒——尤其是正极混入的铁、铜、锌等异物——在电池内部的枝晶生长过程中可能会刺穿隔膜，导致微短路、自放电异常，甚至热失控。行业虽然普遍知晓这一风险，但问题在于：多大尺寸的异物颗粒在什么条件下会真正造成破坏？溶解和沉积的动力学过程是怎样的？哪些环节最需要加强管控？

“过去我们采用的是离线式、静态的分析方法，无法捕捉电池真实工作时的动态变化。”张峥说。借助合肥光源的软X射线成像线站，团队对隔膜上的“黑点”（金属异物沉积导致的缺陷）进行了三维结构分析，从超薄切片到元素分布，再到电化学仿真，一步步还原了铁枝晶的生长过程。

他们发现了一个此前未被注意的现象：铁枝晶并非笔直地刺穿隔膜，而是中间会出现条带状结构——这些条带并非空无一物，而是充满了锂。锂在充放电过程中快速动态变化，而铁的变化则极其缓慢。“铁沉积后会堵塞负极表面的活性位点，提供一个比负极电位更低的电位，诱导锂沉积。放电时锂溶解，却把铁往前推了一步……最终形成了‘死铁’。”

这一发现直接推动了产线工艺的改进。国轩高科据此制定了铁颗粒的临界值标准、除磁装置的磁场强度要求、现场洁净度管控标准，甚至K值（自放电）的筛选要求。“科学问题和生产问题虽然方向不同，但这个项目既解决了科学问题，又解决了生产问题。”张峥评价道。

这种精准对接正在长三角地区加速复制。刘啸嵩透露，去年金华市政府投资在合肥光源建成了一条“共振散射线站”，半年内就有当地10余家企业使用，同时中科院化学所的科研团队也借此发表了顶级成果。“地方政府投资建设专用线站，重点服务地方产业创新需求，这是1+1>2的典型案例。”

中科固能董事长吴凡对此充满期待。这家专注于硫化物固态电解质材料的企业，总部设在溧阳，距离合肥很近。“固态电池的研发需要从纳米到毫米级、从时间到空间的多尺度表征。除了同步辐射，几乎没有其他技术能一站式提供结构、图像、电子态等全方位信息。”

吴凡表示，公司今年已有数十吨硫化物电解质材料出货，预计2027年市场需求将达到千吨级，2030年将增至3至5万吨。“联盟让我们有机会使用最前沿的表征手段，加速材料迭代，避免陷入‘价格战’，而是走差异化竞争的新路。”

从“各自为战”到“协同作战”

和中科固能一样的企业还有很多，长三角地区正成为光源类大科学装置最为密集的区域。据刘啸嵩介绍，目前北京、上海、合肥已建成运行的三个同步辐射光源的光束线约70%集聚在长三角，其中一半以上对储能行业具有重要应用价值。

过去，上海企业主要使用上海光源，合肥企业则主要使用合肥光源，彼此之间缺乏交流与合作。但长三角一体化战略正在改变这一局面。“上海光源擅长高能区研究，合肥光源则在中低能区具有优势，两者并非简单的重复建设，而是能区互补、优势互补。”刘啸嵩说。联盟的下一步计划是推动装置间的数据共享、方法共享，让用户只需提交一个申请，就能在上海、合肥甚至北京的不同线站上获得机时。

更远的规划还涉及多元投资。合肥先进光源一期计划建设10条光束线，预计2028年上半年试运行。而在一期和二期之间的窗口期，联盟正积极推动企业、地方政府以独立或联合投资的形式建设专用光束线站。“企业认为哪类线站对他们最有用，愿意投资建设，再结合地方政府的支持，我们就推动实施。”刘啸嵩说。

作为此次活动的承办单位和长三角大科学装置（光源类）联盟的办公室单位，科大硅谷公司将充分发挥联盟的服务员角色，积极建设贯通式公共服务平台矩阵，通过整合全市重点产业公共服务平台资源，促进技术供需双向联动，助力更多优质科技成果“沿途下蛋”“落地生金”。

对接会上有一个细节值得关注：会议材料中，每个光源装置都标注了清晰的联络人。这不是形式主义，而是联盟刻意打造的“精准匹配”机制——让企业知道找谁、怎么找、能找到什么。

“大科学装置要走出实验室、走向生产线、融入产业链。”安徽省发改委相关负责人在会上表示。而对企业来说，这束光的价值远不止于发表学术论文，更在于提供了一种看清微观世界的手段。正如张峥所说：“知道问题所在，就解决了一半。”

当长三角的光源织成一张网，当企业不再需要购置昂贵的常规表征设备，当科学家和工程师坐在同一张桌子前“翻译”彼此的需求——固态电池从实验室到量产的路，或许会比预想的更短一些。