固態鋰電池被認為是下一代動力電池技術 世界信息

固態鋰離子電池被認為是破解傳統鋰離子電池能量密度和安全性“魔咒”的下一代動力電池技術，一旦突破產業化障礙，有望顛覆傳統鋰離子電池產業，可能極大沖擊傳統電解液和隔膜產業鏈，進一步對正負極材料及其上下游產業鏈產生影響。

自1991年日本索尼公司推出第一款商用鋰離子電池后，鋰離子電池在全球范圍內迅速普及，很快成為便攜式電子產品的首選。隨著全球新能源汽車的蓬勃發展，作為“三電”（電池、電機和電控）核心的鋰離子電池迎來重大發展機遇，而傳統電池能量密度不足帶來的“里程焦慮”、安全性能不足帶來的“安全焦慮”等問題也愈發凸顯，已成為限制新能源汽車快速發展的障礙。固態鋰離子電池（以下簡稱“固態鋰電池”），由于其優異的安全性能和高能量密度，被認為是破解當前鋰離子電池“魔咒”的下一代動力電池解決方案。

固態鋰電池被認為是下一代動力電池技術

【資料圖】

隨著汽車電動化與能源體系變革的加速推進，全球新能源汽車發展勢頭迅猛。根據《中國新能源汽車行業發展白皮書（2023）》統計，2022年全球新能源汽車銷售量達1082.4萬輛，同比增長61.6%。我國新能源汽車銷量達688.7萬輛，動力電池累計裝車量294.6吉瓦時（GWh），同比增長90.7%。動力電池產值規模超千億，催生了多個獨角獸企業，包括市值過萬億的寧德時代（證券代碼：300750）。隨著新能源汽車快速崛起，對動力鋰離子電池需求將持續增長，預計到2030年全球鋰離子電池產能將達到7億太瓦時（TWh）。

傳統鋰離子電池主要由正極、負極、電解液、隔膜等組成，主要靠鋰離子（Li+）在正負極之間的定向移動實現電池的充放電。常用的電池正極材料包括磷酸鐵鋰、鎳鈷錳三元材料、鎳鈷鋁三元材料，負極材料主要為天然和人造石墨，隔膜材料主要是以聚乙烯、聚丙烯為基材的涂覆膜，電解液體系主要是以碳酸乙烯酯、碳酸二甲（乙）酯等有機液為溶劑、六氟磷酸鋰等鋰鹽為溶質及特定功能的添加劑等組成。當前，動力鋰離子電池的正極材料以磷酸鐵鋰和鎳鈷錳三元材料為主，負極材料以人造石墨為主。目前，主流磷酸鐵鋰電池能量密度在200瓦時/千克（Wh/kg）以下，三元鋰電池能量密度在200至300瓦時/千克，已接近當前電池電化學體系上限。

電解液作為傳統鋰離子電池的“血液”，對電池容量、工作溫度范圍、循環性能及安全性等有重要影響。目前鋰離子電池多采用液態有機物和鋰鹽作為電解液，液體溶劑多數沸點和閃點較低，在較低溫度下即會閃燃，一旦漏液或者熱失控極容易著火或爆炸，帶來“安全焦慮”。同時，液態電解液體系限制了高電壓正極材料的使用，進一步限制電池能量密度提升，由此帶來“里程焦慮”。大量研究表明，傳統鋰離子電池能量密度越高，穩定性往往越差，潛在的安全隱患也越大：提高電池能量密度往往需要使用高鎳正極材料，而鎳對液態電解質的分解催化作用很強，鎳含量越高，可引發的電解液副反應就越多，放熱量越大，從而進一步誘導更多副反應，最終引發熱失控，這也是多數動力鋰電池發生安全事故的根本原因。

固態鋰電池被認為是破解傳統鋰離子電池能量密度和安全性“魔咒”的下一代動力電池技術。與傳統鋰離子電池最大的不同在于，固態鋰電池采用固體電解質替代傳統電解液體系和隔膜，有望顯著提升電池安全性、能量密度和使用壽命，已經成為全球產業鏈相關企業重點布局方向之一，多個國家將其列為重點發展產業并明確了發展規劃和目標。我國很早即制定了動力電池發展路線圖：到2025年動力電池單體能量密度400瓦時/千克，系統能量密度300瓦時/千克，電池壽命3500次/12年；到2030年時單體能量密度達500瓦時/千克，系統能量密度350瓦時/千克，電池壽命4000次/12年，開發本征安全的全固態電池。近日，工信部等六部門聯合印發《關于推動能源電子產業發展的指導意見》（工信部聯電子〔2022〕181號），在“新型儲能電池產品及技術供給能力提升行動”中明確提出推進固態電池研發和應用，固態鋰電池進入快速發展期。

固態鋰電池的正負極材料與目前鋰離子電池大致相同，區別主要在電解質和電解液。根據電池中電解液含量不同，可將固態鋰電池分為半固態、準固態和全固態。根據所用固態電解質不同，又可分為聚合物固態電池、硫化物固態電池、氧化物固態電池。聚合物電解質主要由聚合物基體與鋰鹽構成，具有高溫時離子電導率高、易于加工、電解質/電極的界面阻抗可控等優點，是最早產業化的技術路線。其主要缺點在于低溫時離子電導率低。氧化物電解質室溫電導率相對較高、電化學穩定性好、循環性能良好，但電解質與正負極材料界面接觸差導致界面阻抗高；硫化物電解質的室溫電導率最高，但電解質與電極材料界面穩定性較差，電解質易氧化。

在半固態電池領域，日韓領先、歐美廣泛布局，國內少數企業掌握部分核心技術

作為核心組件，固態電解質很大程度上決定了固態鋰電池的關鍵性能指標。可以說，固態鋰電池能否產業化與固態電解質能否實現產業化突破息息相關。目前，全固態電池尚有多個技術難點亟須突破，如電解質室溫離子電導率低、電解質與電極界面阻抗過高導致電池內阻明顯增加、循環性能差，倍率性能變差等問題尚未得到解決。通過添加部分電解液改善電解質/電極界面阻抗，同時改善室溫離子電導率提升電池能量密度和安全性，即發展半固態電池，是現階段更為現實的方案。

當前，全球約有50余家企業致力于固態電池的技術開發?？傮w而言，日韓處于技術領先地位，歐美企業廣泛布局，國內少數企業掌握部分核心技術，但與全球領先技術相比還有差距。三種技術路線的領先企業和進展概述如下：

第一種常用的是硫化物固態電解質材料，包括LiGPS、LiSnPS、LiSiPS等。日本豐田公司是全球范圍內硫化物固態電池領域的龍頭企業，在硫化物固態電解質材料、固態電池制造技術、正極材料和硫化物電解質材料回收技術和工藝等方面技術較為成熟，且專利布局完整，是全球擁有固態電池相關專利數量最多的企業。豐田公司從20世紀90年代開始研發固態電池，2010年即推出了硫化物固態電池，2020年其全固態電池裝車并在測試路段進行試運行，計劃2025年推出第一款配備全固態電池的混動車型。

此外，松下、三星、LG化學、美國Solid Power公司等均選擇了硫化物固態電解質路線。Solid Power采用三元正極材料、高含硅富鋰負極材料和自有知識產權的硫化物固態電解質制作的全固態電池能量密度可達390瓦時/千克，電池壽命超過1000次。寧德時代是傳統液態鋰離子電池的頭部企業，同時布局鈉離子電池和固態電池等前瞻性技術，該公司選擇硫化物電解質路線，專注于開發全固態鋰電池。盡管硫化物電解質室溫離子電導率高，但是空氣穩定性較差，要實現量產必須突破生產環境限制并解決安全問題，研發難度很大。

第二種常用的是聚合物固態電解質，包括聚環氧乙烷、聚丙烯腈等。法國博洛雷集團在聚合物固態電池領域起步較早，也是首個實現聚合物電解質固態電池商業化的公司。早在2011年，博洛雷集團即利用自主開發的電動汽車和電動巴士在法國巴黎及其郊外提供汽車共享服務，累計投入3000輛搭載30千瓦時固態電池的電動汽車。該電池正極采用磷酸鐵鋰和LixV2O8，負極采用金屬鋰，電解質采用聚合物薄膜，能量密度為100瓦時/千克，電池工作溫度60至80攝氏度。

為使電池正常工作，每輛車均配載加熱器以便在啟動前對電池進行加熱。美國Ionic Materials公司采用高硅富鋰負極材料和聚合物固態電解質，通過降低電解質/電極界面阻抗提升電池安全性和能量密度。目前部分領先企業聚焦于將適量液體組分添加到聚合物電解質中進一步形成凝膠結構，以提升電解質的離子電導率和能量密度。中國贛鋒鋰電公司專注于固態氧化物厚膜技術路線，其最新技術采用三元正極材料、固態氧化物膜的半固態電池能量密度超過350瓦時/千克，電池壽命近400次，并計劃于今年3月開始交付搭載其半固態電池的純電動SUV塞力斯，電池容量90千瓦時，最大續航里程為530公里。

第三種常用的是氧化物固態電解質包括氧化鋯鑭鋰、鈉超離子導體（NaSICONs）等。氧化物固態電解質路線是目前全球固態電池參與企業最多的技術路線。美國固態電池公司Sakti3在氧化物固態電解質路線方面的研究積累較深，2015年被英國戴森以9000萬美金全資收購，其采用氣相沉積方式制備氧化物薄膜。固態電池制造商Prologium公司攻克了陶瓷氧化物電解質電導率低、界面接觸差、易脆等難題，采用三元正極材料、含硅負極制造的半固態電池包能量密度可達440至485瓦時/升（Wh/L），電池循環壽命超過1000次。

國內眾多電池企業也押寶氧化物技術路線。衛藍新能源是中科院物理所固態電池技術產業化的平臺。其主要基于原位固化技術，聚焦氧化物與聚合物電解質復合的混合固液和全固態鋰電池。2022年11月，該公司車規級半固態電池成功下線，電池包能量密度可達360瓦時/千克（Wh/kg），與此同時完成了D輪15億元融資，獲頭部車企、產業資本加持。清陶能源技術源于清華大學南策文院士團隊，主要聚焦氧化物固態電解質和固態電池的開發，開發了以氧化物電解質為主、添加聚合物和浸潤劑的半固態電池批量化生產技術，能量密度可達300瓦時/千克（Wh/kg）以上，被多家頭部車企和產業資本加持，目前企業估值已超過百億。

與此同時，全球各大車企也紛紛布局固態鋰電池，其中不乏傳統燃油車頭部企業和造車新勢力。大眾通過投資Quantum Scape布局固態電池，累計投資約3億美元，旨在2025年前建立固態電池生產線并在大眾的電動汽車上應用固態電池。寶馬自研固態電池同時積極進行投資布局，與美國初創固態電池公司Solid Power展開深度合作。

近日，寶馬集團發布公告，將與Solid Power啟動全固態電池聯合研發，并將采用其提供的全固態電池中試生產線，進一步推動全固態電池量產。Solid Power中試線主要生產鎳鈷錳三元正極材料、50%硅負極材料和硫化物固態電解質組成的全固態電池。奔馳與美國Factorial Energy公司達成戰略合作，投資約10億美元開展固態電池研發，計劃五年內實現固態電池小批量生產?，F代汽車早在2017年即宣布自主研發固態電池，并投資了美國初創公司Ionic Materials。現代汽車計劃在2025年試生產配備固態電池的電動車，2030年前后實現全面批量生產。

關于固態鋰電池未來發展趨勢的幾點判斷

固態鋰電池被認為是下一代動力電池技術，一旦突破產業化障礙，有望顛覆傳統鋰離子電池產業，可能會極大沖擊傳統電解液和隔膜產業鏈，進一步對正負極材料及其上下游產業鏈產生影響。

盡管經過數十年的發展，全固態鋰電池的一些關鍵科學問題、部分核心材料和技術依然尚未取得突破，這制約了其規?；慨a和應用，主要難題和挑戰包括：電解質室溫離子電導率過低；電解質與電極材料不匹配，以及電解質/電極界面阻抗過高；適應規?；a的工藝和裝備尚不具備條件；與之匹配的電池管理系統解決方案尚不成熟等。中短期來看，半固態和準固態電池是更為現實的發展路徑，這為傳統鋰離子電池部分環節（如隔膜）提供了緩沖空間。一旦半固態電池上量裝車，若其成本水平與現有鋰離子電池體系持平，將對傳統動力電池產業造成巨大沖擊。

目前看來，三種固態電解質技術路線的發展前景均存在一定程度的不確定性。氧化物電解質由于室溫離子電導率較高、化學穩定性好、對制備環境要求苛刻度較低、易于大規模生產和應用等特點進展最快，半固態和準固態電池中短期有望量產并實現規?；b車；硫化物電解質室溫離子電導率高、機械性能良好，易于構建全固態電池，但空氣穩定性較差，合成工藝復雜，對環境要求較高導致生產成本高，盡管技術難度很高但電池性能優異，頭部企業已有數十年技術積累，一旦突破將形成較高的技術壁壘，長遠來看潛力巨大；聚合物電解質路線大概率作為前兩種路線的補充，與氧化物和硫化物復合以改善電解質/電極界面柔性，提升電池循環性能。

從材料體系來看，短期大概率是半固態電解質體系代替傳統的液態電解質體系，正負極材料大概率維持三元正極、硅碳負極體系；隨著對電池能量密度要求的進一步提高和技術進步，中期將是富硅和富鋰負極材料，正極材料體系不變；長期來看，正極材料體系將由更高比容量的富鋰材料代替，負極為金屬鋰，電解質為全固態。

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