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深度解析固态电池技术,量产还有一段距离

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导读:固态电池成为动力电池的下一代电池技术已成为行业共识,但目前到固态电池量产还有一段距离,当前,技术路线尚未明确,动力电池企业更多采用硫化物电解质技术路线。但整体来看,固态电池由于制造工艺、固相界面阻抗等关键问题制约其量产时间节点的提前到来。

一、固态电池技术相关报告

工信部在《中国制造2025》中指出,到2025年,2030年,我国动力电池单体能量密度需分别达到400Wh/kg、500Wh/kg。而据多家动力电池企业调研情况显示,液态电池能量密度上限基本在350Wh/kg左右,难以满足能量密度提升的最终要求。固态电池因为其固态电池质特性及锂金属负极的得以应用,不仅可有效提升能量密度,同时能够提升动力电池的本征安全。因此,固态电池越来越受到动力电池产业链的关注。

二、固态电池简介

根据电解质状态的差异,锂离子电池总体可分为两类:液态电池和固态电池,两者主要不同之处在于采用电解质的状态不同,液态电池主要依靠液体电解液进行锂离子的运输传导,而固态电池中则替换了液态电池中使用的电解液与隔膜,采用固态电解质完成电池工作状态Li+可逆脱嵌的过程。这种方式的替代,决定了液态锂电池和固态电池特性存在一定差异化。

液态锂电池VS固态电池

三、固态电池优势

1) 安全性高,降低热失控风险。固态电池将液态电解质替换为固态电解质,大大降低了电池热失控的风险。半固态、准固态电池仍存在一定的可燃风险,但安全性优于液态锂电池。

2) 能量密度高。固态电池电化学窗口可达5V以上,高于液态锂离子电池(4.2V),允许匹配高能正极,提升理论能量密度。固态电池无需电解液和隔膜,缩减电池包重量和体积,提高续航能力。电池负极可以采用金属锂,正极材料选择面更宽。

3) 固态电池可简化封装、冷却系统,电芯内部为串联结构,在有限空间内进一步缩减电池重量,体积能量密度较液态锂离子电池(石墨负极)可提升 70%以上。固态电池无漏液风险,可简化冷却系统,电池以多电芯串联结构相接,优化电池封装,电池的体积能量密度大幅提升。

四、固态电池技术路线分析

固态电池按技术路线的不同,主要分为聚合物全固态电池、氧化物全固态电池、硫化物全固态电池三类。三种技术路线各有特点,将适用于不同的场景——聚合物电解质工艺最成熟,氧化物电解质安全性最好,硫化物电解质能量密度提升空间最大,每种电解质特点决定其将在不同场景发挥优势(汽车、3C等领域),并在不同领域和时间内实现商业化。

1、聚合物固态电池

主要优点:

容易加工,可以制备较大容量的电芯

机械性能较软,各项性能和目前使用的电解液有类似之处,工艺和现在的锂电池比较接近

最容易利用现有设备通过改造实现量产的固态电池

主要缺点:

离子电导率最低,必须加热到60度以上,离子电导率才会提升,接近10-4S/cm,所以需要保持高温的状态

能量密度有局限,由于聚合物是有机物,电化学性能不好,不如其它固态无机固态电池材料,跟磷酸铁锂兼容性好,跟三元兼容性不好,导致能量密度无法提升

结合以上优缺点可见,聚合物体系不适用于常温条件下汽车工作场景,可作为辅料,与其他固态电解质复合发挥界面性能优势。

2、氧化物固态电池

主要优点:

耐受高电压,导电率高于聚合物

氧化物的离子电导率可达到10-5-10-3 S/cm的级别,但不如液态电解液,典型的代表有LAGP、LATP等氧化物

主要缺点:

氧化物的机械性能坚硬,如果用其制作电解质片,较容易破裂

与正极活性材料的固-固接触不够好,导致从面接触变成点接触,界面损耗过大

以上缺点造成大容量电芯很难制备,氧化物现在只能跟电解液或者聚合物复合,做成现在所使用的固液混合电池实现电解液含量的降低。

3、硫化物固态电池

主要优点:

接触性好,离子电导率非常好

粒子比较柔软,固固接触容易形成面接触

是固态电池材料中唯一能超过液态电解液离子电导率水平的材料,也是全固态电池未来最有可能的技术路线

主要缺点:

产品成本非常高,空气稳定性较差

硫化物化学活性很强,与空气、有机溶剂、正负极活性材料反应都很强,因此界面稳定性较差

稳定性较差的缺点导致生产、运输、加工等环节都十分困难,限制了它的广泛应用。

五、三种固态电解质体系及特点

三种固态电解质体系及特点

1、不同企业选择技术路线的差异化

目前,动力电池企业、主机厂以及第三方企业都在积极布局固态电池技术,选择了不同的电解质技术路线,头部主机厂及动力电池企业更倾向于选择硫化物电解质路线,且研发较为靠前。

2、固态电池核心技术难点分析

构建良好的界面接触是提高固态电池电化学性能的有效策略。固相界面间无湿润性,难以充分接触,形成更高的接触电阻,在循环过程中发生元素互扩散及形成空间电荷层等现象,影响电池性能。

晶态电解质中存在大量晶界,高晶界电阻不利于锂离子在正负极间的传输。

从目前的研究看,固态电池要完全替代液态锂离子电池,主要有两大难题:

提高离子电导率,即锂离子在固体电解质中的迁移速率

降低固态材料界面阻抗,即有别于传统液/固界面的固/固界面

目前,固态电池还存在较长的产业孵化期,据调研情况而言,多数动力电池企业量产的全固态电池产品最快也要到2028年才能推出,2030年可能是集中爆发的时期,所以目前LFP和三元锂电池还是当前主流的两条技术路径,但LFP存在明显的能量密度天花板,三元呈现高镍高压化的发展趋势。

作者:聆英咨询 Patrick 

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