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固态电池系列报告之一:技术趋势明确,产业化大幕开启
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2024-05-10
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固态电池系列报告之一:技术趋势明确,产业化大幕开启
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从液态走向固态,锂电池技术迎来技术升
级
液态锂离子电池体系渐趋完善,性能突破
存在瓶颈
液态锂离子电池体系和应用渐趋完善:1991 年 Sony 公司成功开发首款商业化液态锂
离子电池,其面世率先革新了消费电子的产品形态,大大降低了移动电话、笔记本电
脑等消费电子的重量和体积,并大幅延长了电池的使用时间,随后液态锂离子电池进
入快速发展阶段。走过 30 年的发展历程,锂电池技术不断迭代,使用场景也愈发丰
富。以电动汽车为代表的新能源需求旺盛,带动动力电池出货量大幅提升。此外,随
着光伏、风电等清洁能源在能源结构中的占比不断提升,对储能电池的需求也与日俱
增。
锂离子电池近几年保持高速增长,未来市场空间广阔:根据 EVTank 发布的数据显
示,2022 年,全球锂离子电池总体出货量 957.7GWh,同比增长 70.3%,其中,中国
锂离子电池出货量达到 660.8GWh,同比增长 97.7%,在全球锂离子电池总体出货量的
占比达到 69%。全球锂离子电池出货量从 2015 年的 100.8GWh 增长到 2022 年
957.7GWh,年均复合增速为 37.94%。从出货结构来看,全球汽车动力电池出货量为
684.2GWh,同比增长 84.4%,在锂离子电池市场占有较高的份额;储能电池出货量
159.3GWh,同比增长 140.3%;小型电池出货量 114.2GWh,同比下滑 8.8%。
EVTank 预计,到 2025 年和 2030 年,全球锂离子电池的出货量将分别达到
2,211.8GWh 和 6,080.4GWh,其复合增长率将达到 22.8%,市场空间广阔。
中长期政策对能量密度提出高要求,现有材料体系接近极限:随着新能源汽车的快速
发展和电网储能的需求增长,对于高能量密度和高安全性电池的需求越来越迫切。根
据工信部 2020 年制定的《节能与新能源汽车技术路线图 2.0》,单体电芯比能量要
在 2020 年达到 300Wh/kg,力争达到 350Wh/kg,2025 年达到 400Wh/kg,2030 年达
到 500Wh/kg。然而目前的高容量电池体系,其实际能量很难达到 400Wh/kg。现有的
高比能量密度锂离子电池一般采用高镍搭配石墨负极的方式,规模化量产产品的能量
密度约为 240-260Wh/kg。更高能量密度的锂离子电池需要高镍搭配硅碳材料,但其稳
定运行的能量密度很难达到 400Wh/kg,较难满足 500Wh/kg 的能量密度目标。
液态锂离子电池无法从根本上解决安全问题:液态电解质具有较高的离子电导率(~10-
2 S·cm-1 ),但是使用其作为电解质的商用动力电池在实际使用过程中却出现了较为
严重的安全问题。造成液态锂离子电池安全问题主要有以下几点:①负极表面析锂:动
力锂离子电池在低温、过充或大电流充电情况下,金属锂会直接在负极表面析出,导
致锂枝晶,造成正负极短路。②正极材料结构破坏:当正极充电至较高电压时,其处于
高氧化态,晶格中的氧容易失去电子以游离氧的形式析出,游离氧会与电解液发生氧
化反应,放出大量的热,而且低着火点的有机电解液在氧的存在和温度升高的情况下
不安全,电池极易发生燃烧、爆炸。③电解液高温高压分解:液态电解液所使用的锂盐
为 LiPF6,其在高温高压下易发生分解,并会与微量的水以及有机溶剂之间进行热化
学反应。④ 隔膜热收缩和破裂:当锂枝晶刺穿隔膜或温度较高时,隔膜发生收缩破
裂,就会使电池正负极发生短路,情况严重时会造成安全事故。⑤高温失效:高温可以
来自外部原因,也可以来自内部的短路、电化学与化学放热反应等。在高温下,电池
内部会出现一系列不良反应,如 SEI 膜分解、高活性的正、负极材料与电解液发生反
应、锂盐自分解、正极释氧、电解液反应等,这些反应有可能导致电池热失控。电解
液的热不稳定性、易燃性是引发液态锂离子电池热失控的主要原因,而电解液作为液
态锂离子电池的必须材料,导致液态锂离子电池无法从根本上解决安全问题。
固态电池能够提升电池性能,界面问题解决成为应用关键
固态电池能够实现更高的能量密度:对于锂离子电池来讲,如何安全的提升其能量密
度是行业重点关注的问题。采用金属锂负极是提升电池能量密度的方案之一,金属锂
的比容量为 3,860mAh/g,电化学势为-3.04V (vs 标准氢电极),是一种非常理想的锂
电池负极材料。然而锂金属负极材液态锂离子电池应用中出现较为严重的安全问题,
这是由于金属锂负极在电池循环过程中会产生锂枝晶,锂枝晶在循环过程中不段沉
积,最终刺穿隔膜,造成正负极短路,引发严重的起火爆炸事故。相比较液态锂离子
电池,固态电池采用机械性能更好的无机陶瓷材料作为电解质,能够抑制锂枝晶生
长,同时可以避免热收缩等问题,使锂金属负极在电池中的应用成为可能,大幅提升
电池的能量密度。此外,在全固态电池中只存在锂离子的迁移,不存在形成 SEI 膜之
类的副反应,提高了库伦效率,增强了循环寿命。
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yuxingwu9872
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