用“一束光”照亮固態電池：長三角大科學裝置“破壁”產業前沿

《科創板日報》5月26日訊（記者 余詩琪）在動力電池技術狂奔了十年之后，行業正悄然駛入“無人區”。當液態鋰電池的能量密度逐漸逼近理論極限，下一代電池技術——全固態電池似乎已身處量產前夜，但企業發現，全固態電池在材料、技術、設備等方面仍然瓶頸重重，傳統的試錯式研發已力不從心。

“我們最關心的問題是——電池為什么不能永生？”合肥國軒高科工程研究總院副院長張崢在對接會上直言。這個看似哲學的發問，背后是真實的技術困局：材料微觀結構如何演化？界面反應機理是什么？電池失效的臨界點在哪里？

要回答這些問題，需要一雙能“看穿”原子級動態過程的眼睛。而這正是大科學裝置——同步輻射光源的用武之地。

一場“破圈”的對接會

日前，長三角大科學裝置（光源類）聯盟首場產業對接會在合肥舉行。這場聚焦儲能電池的會議，吸引了國軒高科、寧德時代、奇瑞汽車等頭部企業，以及上海光源、合肥光源、蘇州實驗室等頂尖科研機構。近百名代表坐在同一間會議室里，目標明確：讓“大科學”與“大產業”真正握上手。

“以前大科學裝置主要是服務前沿基礎研究，但近些年企業產品研發對它的需求越來越高。”中國科學技術大學教授、國家同步輻射實驗室主任劉嘯嵩表示。他提到一組數據：截至2023年底，國家已規劃布局建設77個大科學裝置，已覆蓋主要科研領域，部分設施綜合水平已進入世界一流水平。然而，裝置與市場之間長期存在一條隱形的“斷頭路”。

這條路的堵點，張崢體會很深。他負責國軒高科的研發實驗室，每年投入巨額的資金購置國際頂尖表征設備，“但光的能量不夠——畢竟是單體設備”。同步輻射光源作為一種利用相對論性電子（或正電子）在磁場中偏轉時產生光的大科學裝置，光子能量覆蓋真空紫外到硬X射線波段，通過聯用電、磁等多種探針，可對電池的正負極材料、電解液、隔膜等組件進行微觀尺度的深入分析。

除了同步輻射光源裝置數量本身的稀缺之外，另一面的“稀缺”是溝通的高墻。“我們和合肥光源合作初期，一開始80%的時間都在互相問‘你在干啥’‘你為什么要這樣’。”張崢坦言，企業不懂裝置的邊界條件，因此提的需求天馬行空；科研人員對裝置手段非常熟悉，但難以直觀理解電池產線上真正的痛點。“這是一個典型的跨行業翻譯問題。”

聯盟的價值，恰恰在于充當這個“翻譯官”。通過聯合實驗室管理委員會、年度會議、需求對接會、周例會等機制，國軒高科與合肥光源已經摸索出一套穩定的“揭榜掛帥”的模式：企業凝練場景需求，光源提供機時和智力資源，雙方團隊聯合攻關。目前雙方已開展8個合作項目，不僅發表了高水平論文，還直接推動了磷酸鐵鋰材料的技術升級。“同步輻射的表征手段給了我們非常大的指導作用。”張崢說。

從“看見”到“用上”：一束光如何照進生產線

如果說基礎研究追求“看見”，那么產業界追求的是“用上”。在對接會上，一個關于“金屬異物”的案例，生動展示了這束光如何從實驗室照進生產線。

電池生產中最怕兩樣東西：水和金屬顆粒。水會影響性能，而金屬顆粒——尤其是正極混入的鐵、銅、鋅等異物——在電池內部的枝晶生長過程可能會刺穿隔膜，造成微短路、自放電異常，甚至熱失控。行業普遍知道這個風險，但問題在于：多大尺寸的異物顆粒在什么條件下會真正造成破壞？溶解和沉積的動力學過程是怎樣的？哪些環節最需要管控？

“過去我們是離線式的、靜態的分析，無法捕捉電池真實工作中的動態變化。”張崢說。借助合肥光源的軟X射線成像線站，團隊對隔膜上的“黑點”（金屬異物沉積導致的缺陷）進行了三維結構分析，從超薄切片到元素分布，再到電化學仿真，一步步還原了鐵枝晶的生長過程。

他們發現了一個此前未被注意的現象：鐵枝晶并不是筆直地刺穿隔膜，而是中間會出現條帶狀的結構——這些條帶不是空的，里面充滿了鋰。鋰在充放電過程中快速動態變化，而鐵的變化極其緩慢。“鐵沉積后會堵住負極表面的活性位點，提供一個比負極電位更低的電位，誘導鋰沉積。放電時鋰溶解，卻把鐵往前推了一步……最后形成了‘死鐵’。”

這個發現直接改進了產線工藝。國軒高科據此制定了鐵顆粒的臨界值標準、除磁裝置的磁場強度要求、現場潔凈度管控標準，甚至K值（自放電）的篩選要求。“科學問題和生產問題是兩個方向，但這個項目既解決了科學問題，又解決了生產問題。”張崢評價道。

而這樣的精準對接，正在長三角加速復制。劉嘯嵩透露，去年金華市政府投資在合肥光源建成了一條“共振散射線站”，半年內就有當地10余家企業使用，同時中科院化學所的科研團隊也借此發表了頂級成果。“地方政府投資，在光源上建設專用線站，重點服務地方產業創新需求，這是1+1>2的典型。”

中科固能董事長吳凡對此充滿期待。這家專注于硫化物固態電解質材料的企業，總部在溧陽，距離合肥很近。“固態電池的研發，需要從納米到毫米級、從時間到空間的多尺度表征。除了同步輻射，幾乎沒有其他技術能一站式提供結構、圖像、電子態等全方位信息。”

吳凡說，公司今年已有數十噸硫化物電解質材料出貨，預計2027年市場需求達千噸級，2030年將達3至5萬噸。“聯盟讓我們有機會用上最前沿的表征手段，加速材料迭代，避免‘卷價格’，而是走差異化競爭的新路。”

從“各用各的光”到“共用一張網”

和中科固能一樣的企業還有很多，長三角正在成為光源類大科學裝置最密集的區域。據劉嘯嵩介紹，目前北京、上海、合肥已建成運行的三個同步輻射光源的光束線約70%集聚在長三角，一半以上對儲能行業有用。

過去，上海企業用上海光源，合肥企業用合肥光源，彼此割裂。但長三角一體化戰略正在改變這一格局。“上海擅長高能區，合肥擅長中低能區，不是簡單的重復建設，而是能區互補、優勢互補。”劉嘯嵩說。聯盟的下一步，是推動裝置間的數據共享、方法共享，讓用戶提交一個申請，就能在上海、合肥甚至在北京的不同線站上獲得機時。

更遠的規劃涉及多元投資。合肥先進光源一期建設10條光束線，預計2028年上半年試運行。而在一期和二期之間的窗口期，聯盟正積極推動企業、地方政府以獨立或聯合投資的形式建設專用光束線站。“企業認為哪類線站對他們最有用，愿意投資，再結合地方政府支持，我們就推動建設。”劉嘯嵩說。

作為此次活動的承辦單位、長三角大科學裝置（光源類）聯盟的辦公室單位，科大硅谷公司將當好聯盟的服務員，積極建設貫通式公共服務平臺矩陣，通過整合全市重點產業公共服務平臺資源，促進技術供需雙向聯動，助力更多優質科技成果“沿途下蛋”“落地生金”。

對接會上有一個細節：會議材料中，每個光源裝置都標注了清晰的聯絡人。這不是形式主義，而是聯盟刻意打造的“精準匹配”機制——讓企業知道找誰、怎么找、能找到什么。

“大科學裝置要走出實驗室、走向生產線、融入產業鏈。”安徽省發改委相關負責人在會上表示。而對企業來說，這束光的價值遠不止于發論文，更在于提供看清微觀世界的手段。正如張崢所說：“知道問題，就解決了一半。”

當長三角的光源織成一張網，當企業不再需要購置昂貴的常規表征設備，當科學家和工程師坐在同一張桌子前“翻譯”彼此的需求——固態電池從實驗室到量產的路，或許會比預想的更短一些。