固態(tài)電池大幅提升電池安全，固態(tài)電池優(yōu)缺點(diǎn)分析

• 楊興杰 2023年8月18日 來源：中研網(wǎng) 350 16
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固態(tài)電池大幅提升電池安全，打破液態(tài)電池能量密度瓶頸。固態(tài)電池采用固態(tài)電解質(zhì)，部分或全部替代液態(tài)電解質(zhì)，可大幅提升電池的安全性、能量密度，是現(xiàn)有材料體系長期潛在技術(shù)方向。依據(jù)電解質(zhì)分類，電池可細(xì)分為液態(tài)(25wt%)、半固態(tài)(5-10wt%)、準(zhǔn)固態(tài)(0-5wt%)0

一、固態(tài)電池：大幅提升電池安全，打破能量密度瓶頸

液態(tài)電池中，有機(jī)溶劑具有易燃性，且抗氧化性較差，目前已接近能量密度上限。鋰離子電池目前基本采取液態(tài)電解質(zhì)，由溶劑、鋰鹽、添加劑組成，起到輸送離子、傳導(dǎo)電流的作用。但液態(tài)電解質(zhì)中，有機(jī)溶劑具有易燃性、高腐蝕性，同時(shí)抗氧化性較差、無法解決鋰枝晶問題，因此存在熱失控風(fēng)險(xiǎn)，也限制了高電壓正極、鋰金屬負(fù)極等高能量材料的使用，預(yù)計(jì)理論能量密度上限為300Wh/kg。

固態(tài)電池大幅提升電池安全，打破液態(tài)電池能量密度瓶頸。固態(tài)電池采用固態(tài)電解質(zhì)，部分或全部替代液態(tài)電解質(zhì)，可大幅提升電池的安全性、能量密度，是現(xiàn)有材料體系長期潛在技術(shù)方向。依據(jù)電解質(zhì)分類，電池可細(xì)分為液態(tài)(25wt%)、半固態(tài)(5-10wt%)、準(zhǔn)固態(tài)(0-5wt%)和全固態(tài)(0wt%)四大類，其中半固態(tài)、準(zhǔn)固態(tài)和全固態(tài)三種統(tǒng)稱為固態(tài)電池。車企采用固態(tài)電池，安全性為短期驅(qū)動(dòng)因素，能量密度為長期驅(qū)動(dòng)因素。

二、高安全性：固態(tài)電解質(zhì)不可燃燒，大幅降低熱失控風(fēng)險(xiǎn)

隨著電池能量密度的日益提升，電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)呈現(xiàn)上升趨勢。從熱失控角度看，電池應(yīng)在低于60℃運(yùn)行工作，但由于內(nèi)部短路、外部加熱、機(jī)械濫用等因素，使電池溫度升至90℃，此時(shí)負(fù)極表面的SEI膜開始溶解，造成嵌鋰碳直接暴露在電解液中，二者發(fā)生反應(yīng)迅速放熱，產(chǎn)生大量可燃?xì)怏w，隔膜進(jìn)而熔化，電池形成內(nèi)短路，溫度迅速升高至200℃，促使電解液氣化分解、正極分解釋氧，電池發(fā)生劇烈燃燒或爆炸。

固態(tài)電池具備本質(zhì)安全性，為車廠短期主要考量因素。1）不可燃性、熱穩(wěn)定性：液態(tài)電解質(zhì)易燃、易揮發(fā)，分解溫度約200℃（隔膜160℃），并存在腐蝕和泄露的安全隱患。而固態(tài)電解質(zhì)具有不可燃、無腐蝕、無揮發(fā)等特性，分解溫度大幅提升，可在更高倍率和更高溫度運(yùn)行，同時(shí)內(nèi)部無液體不流動(dòng)，電池可承受穿釘、切開、剪開、折彎，從而大幅降低熱失控風(fēng)險(xiǎn)。2）鋰枝晶：液態(tài)電池中，鋰枝晶的生長容易刺破隔膜，從而造成短路，而固態(tài)電解質(zhì)具備高機(jī)械強(qiáng)度，鋰枝晶生長緩慢且難刺透，進(jìn)而提升電池安全性能。

三、高能量密度：兼容高比容量正負(fù)極，大幅提升能量密度

固態(tài)電解質(zhì)兼容高比容量的正負(fù)極，大幅提升電池的能量密度，為車廠長期主要考量因素。固態(tài)電池在兼顧安全性的基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)能量密度的突破，液態(tài)電池可達(dá)250Wh/kg+，半固態(tài)可達(dá)350Wh/kg+，準(zhǔn)固態(tài)可實(shí)現(xiàn)400Wh/kg+，全固態(tài)可突破500Wh/kg，從而提升續(xù)航水平，有望解決電動(dòng)車?yán)锍?、安全兩大核心痛點(diǎn)。

材料端看：固態(tài)電解質(zhì)本身不能提升能量密度，但由于具備更穩(wěn)定、更安全，電化學(xué)窗口寬（5V以上）等性質(zhì)，因此可以兼容高比容量的正負(fù)極，比如高電壓正極、富鋰錳基、硅負(fù)極、鋰金屬負(fù)極等材料，進(jìn)而大幅提升電芯能量密度；結(jié)構(gòu)端看：固態(tài)電解質(zhì)將電解液的隔膜功能合二為一，大幅縮小正負(fù)極間距，從而降低電池厚度，因此提升電芯能量密度；

Pack端看：固態(tài)電解質(zhì)的非流動(dòng)性，可以實(shí)現(xiàn)電芯內(nèi)部的串聯(lián)、升壓，可以降低電芯的包裝成本，并提升體積能量密度。固態(tài)電解質(zhì)的安全性，可以減少系統(tǒng)熱管理系統(tǒng)需求，成組效率大幅提升，從而提升Pack能量密度。

四、缺點(diǎn)：離子電導(dǎo)率低，循環(huán)壽命差，制約商業(yè)化進(jìn)程

固態(tài)電池界面為固-固接觸，離子電導(dǎo)率低、界面穩(wěn)定性差，存在循環(huán)、快充等問題，制約其商業(yè)化進(jìn)程。

材料端離子電導(dǎo)率低：固態(tài)電池中，電極與電解質(zhì)之間的界面接觸由固-液接觸變?yōu)楣?固接觸，由于固相無潤濕性，因此接觸面積小，形成更高的界面電阻。同時(shí)固體電解質(zhì)中有大量的晶界存在，且晶界電阻往往高于材料本體電阻，不利于鋰離子在正負(fù)極之間傳輸，從而影響快充性能和循環(huán)壽命；

循環(huán)壽命差：固-固接觸為剛性接觸，對電極材料體積變化更為敏感，循環(huán)過程中容易造成電極顆粒之間以及電極顆粒與電解質(zhì)接觸變差，造成應(yīng)力堆積，導(dǎo)致電化學(xué)性能衰減，甚至導(dǎo)致裂縫的出現(xiàn)，造成容量迅速衰減，導(dǎo)致循環(huán)壽命差的問題。

五、高成本：固態(tài)電解質(zhì)含稀有金屬，成本明顯高于液態(tài)電池

固態(tài)電池成本高于液態(tài)電池，主要體現(xiàn)在固態(tài)電解質(zhì)和正負(fù)極。固態(tài)電解質(zhì)目前難以輕薄化，用到的部分稀有金屬原材料價(jià)格較高，氧化物電解質(zhì)含鋯、硫化物電解質(zhì)含鍺，疊加為高能量密度使用的高活性正負(fù)極材料尚未成熟，銅鋰復(fù)合帶價(jià)格1萬元/kg，全固態(tài)對生產(chǎn)工藝、成本和質(zhì)量控制也提出了更嚴(yán)苛的要求，生產(chǎn)設(shè)備替換率大，全固態(tài)電池成本預(yù)計(jì)明顯高于現(xiàn)有液態(tài)電池。

六、逐級迭代：固態(tài)電解質(zhì)→新型負(fù)極→新型正極

固態(tài)電池技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用預(yù)計(jì)將呈現(xiàn)梯次滲透趨勢。預(yù)計(jì)液態(tài)電池到固態(tài)電池的技術(shù)迭代路徑大致遵循“固態(tài)電解質(zhì)→新型負(fù)極→新型正極”順序。

階段一：引入固態(tài)電解質(zhì)，保留少量電解液，正負(fù)極仍為三元+石墨/硅負(fù)極，并采用負(fù)極預(yù)鋰化等技術(shù)提高能量密度；

階段二：用固態(tài)電解質(zhì)逐步至完全取代電解液，用金屬鋰取代石墨/硅負(fù)極，正極仍為三元材料；

階段三：逐漸減薄固態(tài)電解質(zhì)的厚度，并用硫化物/鎳錳酸鋰/富鋰錳基等材料取代正極。

七、半固態(tài)：兼具安全、能量密度與經(jīng)濟(jì)性，率先進(jìn)入量產(chǎn)階段

半固態(tài)電池通過減少液態(tài)電解質(zhì)含量、增加固態(tài)電解質(zhì)涂覆，兼具安全性、能量密度和經(jīng)濟(jì)性，率先進(jìn)入量產(chǎn)階段。全固態(tài)電池工藝并不成熟，仍處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，而半固態(tài)電池已經(jīng)進(jìn)入量產(chǎn)階段。半固態(tài)電池保留少量電解液，可以緩解離子電導(dǎo)率問題，同時(shí)使用固化工藝，將液態(tài)電解質(zhì)轉(zhuǎn)化為聚合物固態(tài)電解質(zhì)，疊加氧化物固態(tài)電解質(zhì)涂覆正極/負(fù)極/隔膜，提升了電池的安全性/能量密度，同時(shí)兼容傳統(tǒng)鋰電池的工藝設(shè)備，達(dá)到更易量產(chǎn)較低成本的效果，預(yù)計(jì)半固態(tài)電池規(guī)?；慨a(chǎn)后，成本比液態(tài)鋰電池高10-20%。

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