固态电池和半固态电池技术路线.docx

固态电池和半固态电池技术路线全固态电池(All-solid-statebatteries,ASSBs)是指电解质和正负电极均呈固态的锂离子电池。全固态电池由正极材料、固态电解质和负极材料组成，不含任何液态组份。传统的液态锂离子电池由正负极、电解液与隔膜构成,其中主要的液态组分是电解液，因此，全固态电池与传统锂电池的主要区别在于电解质，采用固态电解质替代了锂离子电池中的电解液和隔膜。液态锂离子电池固态电池。0液态、半固态、固态电池分析对比将性液态锂离子电池半固态电池全固态电池液态含量()25%510%0%材料构成正极+负极+隔膜+电解液正极+负极+隔膜+复合电解质正极+负极+固态电解质电解质选择电解液氧化物/聚合物固态电解质+电解液硫化物/氧化物/聚合物/卤化物封装彩态卷绕/叠片+BO柱/方舫/软包叠片+方彩/软包叠片+方彩/软包优势技术成熟，已大规模量产；循环寿命和快充性能好能量密度、安全性核液态电池有一定提升：与传统工艺兼容性较好，产业化难度低于全固态电池能量密度有望进一步提升：本征安全性较液态和半固态电池大幅提升局限能量密度可能面临发展瓶颈循环寿命和快充性能较液态电池有所下降：成本高于液态电池：固液电解质并存导致热管理问题更复杂、难度更大；难以完全避免锂枝晶问题尚未产业化，面临界面相容性、电解质性能、材料适配等问题，工艺有待成熟1、固态电池有望成为突破锂电池性能瓶颈的关键技术应用端对锂电池性能的要求主要包括能量密度、安全性、循环寿命、充放倍率、环境适应性等。锂电池是一个复杂系统，各类材料选型和结构设计互相牵制，共同决定了电池性能上限。固态电解质热稳定性和电化学稳定性优于常见的电解液，使其理论上可适配更高能量密度的正负极材料体系，并实现更高的本征安全性。因此，固态电池有望突破现有液态锂电池材料体系的性能瓶颈。热稳定性好，不易热失控，本征安热稳定性、温度适应性好全性优；温度适应性好，-30100oC宽温域内不凝固不气化。有望简化系统安全防护和冷却结构设计，减少系统布局约束，进而提自身特性高能量密度或降低系统成本。固态电解质的离子跳跃输运机制，有望实现更高的离子电导率，提高离子电导率潜力大快充性能。现阶段开发的固态电解质离子电导率整体低于电解液，需要材料结构的优化、以及相关基础研究的进步拓宽材料选型范围，可适配更高能电压窗口宽量密度的正负极材料（如金属锂负极），突破液态电池体系的能量密度瓶颈适配性能厂固态体系可减缓锂枝晶形成，并避免刺破隔膜带来的短路风险，降低非流质安全风险可采用双极板（而非液态“全包”）结构，提升电池系统的能量密度，并有可能降低制造成本2、固态电池技术路线：电解质包括硫化物/氧化物/聚合物等路线硫化物固态电池：使用无机硫化物材料作为电解质。硫化物电解质锂离子电导率高，接近传统电解液的水平。硫化物固态电池理论能量密度和倍率性能最优，成为电池和材料厂商主攻的路线选择；但现阶段成本较高，且稳定性和安全性有待提升。氧化物固态电池：使用氧化物材料作为电解质，离子电导率介于硫化物和聚合物之间，化学稳定性好，但主要难点在于界面阻抗较大和加工性能差。现存的半固态电池技术方案主要采用氧化物电解质，通过保留少部分电解液，改善界面问题。止匕外，复合固态电解质（氧化物与聚合物复合）的技术路线也存在发展潜力，可综合两者优势，并做到扬长避短。聚合物固态电池：使用有机高分子材料作为电解质。加工性能和界面性能较好，但室温下离子电导率较低，且电化学窗口窄，推广受到限制。卤化物全固态电池：电压窗口宽、循环性能好,但离子电导率低，目前发展阶段较早，处于实验验证阶段。固态电池的分类硫化物固态电池氧化物固态电池常合物固态电池电解质材料LPS体系：LiGPSLPGS体系：LiSnPS/LiSiPS晶态：NASICON/LLZO/LLTO非晶态:LiPON聚氧化乙烯(PEO)/聚丙烯聘(PAN)/聚硅氧烷(PS)/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等聚合物电解质+其他电解质离子导电率LiSnPS>LiGPS:10-3-10-2S/cmNASICON:10-4S/cm;LLZO:10A-6-10A-5S/cm;LLTO:10-5-10-3S/cmPEO:10-7-10-6S/cm;PAN、PS:10-5-10-4S/cm电化学窗口较宽(0-5V)宽(05.5V)较窄(0-4V)界面阻抗大很大较大界面相容性低高高热稳定性高高高空气稳定性较差(水解生成HzS)高高能量密度预期达900Whkg预期达700Whkg预期达600Whkg材料优势高离子电导率：卧固接触好；能量密度高；倍率性能好稳定性高，安全性好电解质软，固国接触好；成本低；工艺设备成熟技术难点电解质稳定性差；成本高：电池生产环境要求高(对空气敏感)离子电导率低；固固接触差；电池倍率性能差：机械加工容易脆裂常温离子电导率低；循环寿命较短；热稳定性差；电化学窗口窄3、半固态电池：氧化物或聚合物固态电池的过渡路线半固态电池是固态电池的过渡路线,在电池中引入固态电解质的同时保留少量电解液，主要包括氧化物、聚合物路线。常见的固态电解质中，氧化物和聚合物电解质均存在“离子电导率低”和“界面接触差”的问题，因此部分参与者推出半固态电池作为过渡路线，保留一部分电解液浸润固态电解质，以改善离子电导率和界面接触情况。硫化物电解质的离子电导率较高，接近电解液，且界面接触较好，因此通常不采用半固态路线过渡。半固态电池作为介于传统液态锂离子电池和全固态电池之间的技术，具有自身的优势和劣势。半固态电池与传统工艺的兼容性较好,产业化难度低于全固态电池，产线改造等理论成本低于全固态电池(但高于液态电池)；与液态电池性能相比，半固态电池的能量密度和安全性均有提升，但固态电解质目前仍面临界面不稳定和机械应力等问题，导致循环寿命和快充性能弱于液态电池，技术和工艺仍需进一步突破。4、海外各国研发规划和技术路线 2021年6月，美国发布锂电池国家蓝图(2021-2030)，提出到2030年实现固态电池、锂金属电池规模化量产，能量密度达到500Wh/kg。 2023年9月，美国发布国家实验室征求加强国内固态和液流电池制造能力的建议，宣布为5个项目投入1600万美元，以提升国内固态电池制造能力。 2021年，2030电池创新路线图发布，提出固态电池作为第四代动力电池应用于新能源汽车，并提出提前布局回收制度。2022年，固态电池技术路线图2035+发布，详细讨论了固态电池各发展路线的现状和前景全球固态电池产业主要分布在中国、日本、韩国、欧洲、美国等国家和地区。日韩固态电池产业起步较早，布局路线以硫化物居多；欧洲最早推动聚合物固态电池商业化应用，不同国家企业布局路线各有不同，欧洲车企主要通过与美国的电池初创企业进行合作开发全固态电池技术。美国固态电池参与者以初创公司为主，各技术路线均有布局，选择氧化物路线发展的企业较多。美国欧洲2020年2050年碳中和绿色增长战略强调了全固态电池和创新电池的应用。日本2022年9月，日本发布蓄电池产业战略，力争在2030年左右实现全固态电池的全面商业化2021年7月，K电池发展战略装行提出要提屐薪W惠二正动2027年至bi固态电池实际商业化应用。抨日2022年11月，充电电池产业革新战略发布，目标是2030年韩国电池全球市占率达到40以上。J国外典型企业固态电池技术路线国家企业名称技术路线国家企业名称技术路线日本丰田汽车硫化物韩国LG新能源硫化物日本本田技研工业硫化物韩国现代汽车集团聚合物/硫化物日本三菱化学集团/日产汽车联盟硫化物韩国SKOn硫化物/氧化物日本松下电器卤化物韩国三星SDl聚合物/硫化物日本富士电气氧化物法国博洛雷集团聚合物日本小原股份氧化物英国Ilika氧化物日本日立造船硫化物美国UNaEnergy氧化物日本三洋化成工业聚合物美国QuantumScape氧化物日本日本出光兴产硫化物美国IonicMateriaIs聚合物德国宝马集团硫化物美国SolidPower硫化物德国大众集团氧化物美国FactorialEnergy聚合物5、国内固态电池研发规划和技术路线从固态电解质路线来看，我国企业三种固态电解质路线均有布局,涵盖硫化物和氧化物领域；开发全固态电池的同时，也在发展半固态电池作为过渡路线。公司名称半固态电解质技术路线全固态电解质技术路线宁德时代凝胶硫化物等比亚迪-硫化物、卤化物亿纬锂能聚合物硫化物+卤化物复合国轩高科氧化物氧化物赣锋锂业氧化物氧化物（LLZO、LATP、LLTO）蜂巢能源凝胶硫化物太蓝新能源氧化物氧化物、硫化物、聚合物清陶能源氧化物氧化物（LLZ。、LLTO）、聚合物、卤化物卫蓝新能源氧化物氧化物、聚合物辉能科技氧化物氧化物内容源于：平安证券