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固态电池行业专题报告.docx
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固态电池行业专题报告:半固态装
车引领,全固态未来可期
固态电池:突破安全与能量密度瓶颈
固态电池:电解质变革,本质安全与高能量密度并存
固态电池与液态锂电池的核心区别是固态电解质取代隔膜和电解液。传
统液态锂离子 电池以液态电解质作为离子迁移通道,用隔膜隔绝正极
和负极以防止短路,固态电池是一 种新型电池技术,固态电池的基本
原理与液态电池相同,仍然为“摇椅式电池”,即带电离 子在正极和负极
之间来回移动实现充放电过程,因此固态电池的正极和负极相比于液态
电 池没有变化,但是液态电池中用于传导离子的电解液与隔绝正负极
以防止内部短路的隔膜, 可以由固态电解质实现替换,离子的迁移场
所从电解液转到了固态电解质中,同时起到隔 绝电极的作用。
固态电池的优势在于本质安全和高能量密度。液态锂离子电池的发展瓶
颈在于安全性 与高能量密度,固态电池有望突破瓶颈。在安全性方面,
当液态锂离子电池发生热失控或 因隔膜刺穿引发短路时,其内部有机
电解液可能发生燃烧,从而产生安全问题,而固态电 池中没有有机电
解液,其发生安全问题的可能性大幅降低;在能量密度方面,据
Solid-State Battery Roadmap 2035+,液态锂离子电池能量密度在过去
十年从 150Wh/kg 提升至 250Wh/kg;据能源电力说微信公众号,固
态电池能量密度有望超过 500Wh/kg,能量密度 可实现大幅提升,清
陶能源 2021 年年底推出的固态动力电池能量密度为 368 Wh/kg。总
体来看,相比于液态离子电池,固态电池具有高能量密度、高可靠性等
优势,有望在新能 源汽车、储能和消费电子等领域实现广泛应用。
从液态电解质含量演变来看,固态电池将产生半固态、准固态、全固态
三种形态,半 固态、准固态为过渡,全固态是最终目标。根据 OFweek
锂电,液态锂离子电池与固态电 池分界线是电池液体含量 10%,当液
体含量 5%~10%时为半固态电池,电池中液态电解 质质量占电池的比
例为 1%~5%的划分为准固态电池,不含有液态电解质的为全固态电池。
几类电池开发难度依次为:半固态<准固态<全固态。在 2022 年 3 月
的中国电动汽车百人 会论坛上,欧阳明高院士对国内固态电池技术给
出了明确的发展节点展望,以产业化为衡量标准,2025 年实现固液混
合电解质的半固态电池产业化,能量密度 350 Wh/kg,2030 年实现液
态电解质更少的准固态电池量产,能量密度 400 Wh/kg,且预计真正的
全固态产 品渗透率不超过 1%,2035 年全固态电池实现产业化,能量
密度达到 500 Wh/kg。
固态电池分类:四大电解质材料体系,各有优势
固态电解质可分为聚合物、氧化物、硫化物、卤化物四大体系。固态电
池与液态电池 最大的区别在于电解质,从固态电解质选用的材料角度
来看,有聚合物、氧化物、硫化物、 卤化物四种体系。
1)聚合物电解质成本较低、加工性能好、灵活性高,技术相对成熟,
已能够实现小 规模量产,但离子电导率和氧化电压较低,难以抑制锂
枝晶的形成。后续主要改进方向是 通过与无机固态电解质复合化实现
离子电导率与电流电压耐受力的提升。目前以欧美企业 布局较多,如
SEEO、Solid Energy、Solid Power、Bollore 等。2)氧化物电解质可
分为石榴石型、钙钛矿型、NASICON 型、LiPON 型等,具有较 高的
机械、化学、温度、电化学稳定性,但存在脆性较大、加工性能差、界
面接触差等问 题,主要改进方向是与聚合物复合改善加工性能、添加
剂或元素掺杂改善离子电导率等。 氧化物固态电解质路线是国内企业
的主要关注方向,如卫蓝新能源、辉能科技、清陶能源、 赣锋锂业等,
日本 SONY 和美国 QuantumScape 也在氧化物固态电解质方面有所
布局。 3)硫化物电解质具有高于氧化物和聚合物的电导率,加工性能
较好,是性能良好、 具有潜力的固态电解质,但是硫化物固态电解质
也存在容易氧化、化学稳定性差、制备难 度较高、和 Li 金属负极相容
性差等问题,主要受到日韩企业的关注,如丰田、松下、LG 化学、出
光兴产等,同时,国内宁德时代也通过专利布局了硫化物固态电解质技
术路线。 4)卤化物固态电解质具有高离子电导率,同时其电化学稳定
性良好、与正极材料相 容性高,但是其材料与制备成本较高,并且存
在容易吸水潮解的核心缺陷,因此,卤化物 电解质目前主要集中在基
础科学研究层面,产业化进程较为缓慢。
聚合物易于加工/成本较低,氧化物安全性更高,硫化物能量密度更高。
总体来看,通 过 Solid-State Battery Roadmap 2035+(Fraunhofer,
2022)和《百篇科普系列(115) — 固态电池的原理及其进展》(许
长发,华中科技大学,2020)对比聚合物、氧化物和硫 化物三种电解
质的性能,聚合物具有良好的工艺成熟度和较低的成本,是目前成熟度
最高 的固态电解质,氧化物稳定性最高,因此安全系数较高,由于其
与电极界面接触较差,目 前主要用于添加部分电解液的半固态电池中,
硫化物固态电池的能量密度最高,同时具有 较好的离子电导率和加工
性能,是具有未来发展潜力的固态电解质。
固态 vs 液态:固态电池能量密度与安全性占优,快充与循环性能显不
足
固态电池能量密度与安全性能优于液态锂离子电池。在 Fraunhofer 在
2022 年发布的 《Solid-State Battery Roadmap 2035+》中,详细对比
了固态电池与液态锂离子电池的性 能指标:其中,能量密度方面,锂
离子电池可达到 230-300 Wh/kg,相比之下,已达成的 金属锂负极/氧
化物电解质/三元正极固态电池能量密度达到 350-400 Wh/kg,硫化物
体系 (金属锂负极或硅负极)实现能量密度 320 Wh/kg,聚合物体系
能量密度较低,为 255 Wh/kg,总体来看,固态电池能量密度优于液态
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