首页>资讯中间>行业资讯 中科院资深固态电池专家谈固态电池手艺和市场 财产化尚远!

钜年夜LARGE|点击量：419次|2023年07月21日

本文系中科院资深固态电池专家在某固态电池手艺财产化专家德律风会上的阐发和不雅点，让我们对固态电池的近况、手艺研发、将来市场等有加倍客不雅的熟悉!

记要重点：

1、固态电池长处主要表现在平安性和能量密度晋升上，利用锂金属负极显著晋升能量密度，可将现有300Wh/kg的能量密度晋升至500Wh/kg。而固态电池可按捺锂枝晶的发展，使锂金属负极应用成为可能，同时下降非活性物资，可以省去冷却系统，也可以或许晋升能量密度。全固态电池不含电解液，平安性较高。

2、固态电池错误谬误是固固界面庞易接触不良，固态电池出产本钱比力高，财产化尚远。

3、固态电池主要手艺线路分为三类，聚合物材料出产工艺接近现有装备，氧化物导电率高在聚合物，但固固接触不良，硫化物离子导电率最高，是全固态电池将来最可能的手艺线路，但离子产物本钱/价钱很是高、空气不变性较差。

4、财产化进度方面，中日韩欧美共53家公司结构研发固态电池，此中9家专注硫化物固态电池。我国氧化物固态电池手艺全球领先，龙头辉能、江苏清陶、北京卫蓝、赣锋锂业已有产物商用；美国草创公司中Solidpower估计固态电池上市2021年，装车时候2026年，QuantumScape主打1000Wh/L以上、380-500Wh/kg的高能量密度；日本举全国之力，结合丰田、松劣等公司和高校成长硫化物固态电池，估计2025、2030硫化物全固态电池在日本动力锂电池市场的渗入率别离达50%、95%以上；韩国三星已开辟出60摄氏度下1000多轮回的硫化物全固态电池。

5、固态电池会完全代替电解液和隔阂，但正负极活性材料仍是连结原有材料系统，到全固态手艺下可能电池制备工艺会有年夜的改良，但对充换电不会有年夜影响。当前固态电池在平安性、能量密度、工作温度规模、倍任性能、轮回寿命等各类指标全方位优在当前液态电池，定位也是全方位代替锂离子电池，只待本钱下降。

1、固态电池优错误谬误

固态电池最主要的长处是平安性和能量密度晋升。

①能量密度晋升角度

锂离子电池能量密度主要是由正负极的材料系统决议的，现有正负极材料系统的限制下，锂离子电池包的极限能量密度难以到达要求。假设但愿提高能量密度，要改换正负极材料，好比负极用上锂金属，而锂金属负极很轻易呈现锂枝晶，激发起火风险。固态电池可按捺锂枝晶的发展，使锂金属负极应用成为可能，下降非活性物资，可以省去冷却系统，也可以或许晋升能量密度。

以松下18650电池为例，1991年索尼第一次推动锂离子电池贸易化后，锂离子电池能量密度在75Wh/kg，此刻量产的能量密度为275-300Wh/kg。第一代的日产leaf、TSLAroadster等车型的电池能量密度在100-200Wh/kg，正负极材料系统为钴酸锂+石墨或磷酸铁锂+石墨；第二代车型如TSLAmodels和宝马i3能量密度根基在200-250Wh/kg，续航有晋升，正负极材料系统为高镍三元+石墨或中镍三元+石墨；第三代电动汽车续航里程500km以上，对应能量密度300Wh/kg、600Wh/L，20分钟完成充放电，工作温度零下40度到80度，轮回寿命3000次以上，对应利用寿命10年，度电本钱0.1美元。固态电池是今朝独一可以或许知足以上多重指标的电池。在现有的正负极材料系统下300Wh/kg是比力高的能量密度，可是用上锂金属负极能到达500Wh/kg以上。利用固态电池可以或许使当前体积操纵率从20%-50%的体积操纵率晋升到80-100%的体积操纵率。

②平安性（底子性长处）

固态电池以电解液用量为判定尺度。常规锂离子电池电解液含量一般跨越15%，固液共存电池国内良多公司已在做，也有龙头公司如北京卫蓝、江苏清陶、赣锋锂业、辉能的固态电池电解液含量10%-11%，已实现财产化，有些已中试。全固态电池完全没有电解液，主要是平安性比力高，当前锂离子电池的有机溶剂接触空气后有可燃风险。

③低温机能

因为不消电解液，是以固态电池材料不会像液态电池跟着降温结冰致使电池没法运作，理论上温区是更宽的。今朝有展现全固态电池低温机能很好公司不多，QuantumScape展现了零下40-零下80度其固态电池可以或许正常运作，可是这是他的告白词还待考据。一般而言固态电池的低暖和高温机能是优在现有液态电池的。

固态电池错误谬误：在电池轮回的进程中，固固界面庞易接触不良，这也致使了固态电池量产难度加年夜，还不克不及像锂离子电池不异敏捷财产化，像此刻电导率最高的固态电池材料硫化物系统和锂金属负极、氧化物正极材料都不兼容不变。别的，固态电池制备工艺是全新的，没有财产链，面临财产链上各环节的缺掉，固态电池出产本钱比力高，财产化还远未到来。

当前固液夹杂电池产物已下线投放市场，估计3-5年这一批固液夹杂电池本钱可以或许年夜幅下降，纯固态电池大要5-10年可以或许实现价钱下降，当前包罗QuantumScape等公司均估计2025年实现硫化物全固态电池量产，本钱会再消化1-2年再慢慢降落。

2、固态电池主要的手艺线路和分类

今朝全固态锂离子电池主要分为3种分歧的手艺线路，有机固态材料是聚合物，无机固态材料主要是氧化物和硫化物，研发汗青都很悠长。聚合物最早1973年就有人对pEO最先研究，氧化物从1953年最先，从碳酸锂氧化物到1977年用LISICON(锗酸锌锂)，1976-1988年用超快钠离子导体，2003年最先研究氧化物固态电池材料，主要是用锂镧钛氧，到2007年主要是用锂镧锆氧材料，今朝比力风行的、用很多的材料主要是锂镧锆氧、LATp（磷酸钛铝锂）硫化物最早是1981-1991年玻璃向硫化锂和五硫化二锂的固态电池材料系统研究，1991年最先大师最先存眷玻璃陶瓷向，2000年摆布逐步转向纯晶向固态电池材料，2001年第一个硫代超快锂离子导体，2.2毫西每厘米导锂程度。2011年和2016年日本一团队开辟出的材料离子电导率别离到达12和25毫西每厘米，而且至今连结着世界记实。

①聚合物全固态

2012年就已在法国实现全固态电池商用，由博洛雷Bolloré出产，主要用在小型出租车和公共巴士上。材料系统主要是聚环氧乙烷（pEO）系统。

主要长处是轻易加工，可以制备年夜容量电芯、机械性较软，各项机能和今朝利用的电解液（素质是有机溶剂）有近似的地方。工艺和现有的锂离子电池比力接近，是最轻易操纵现有装备经由过程革新实现量产的固态电池。

主要错误谬误：（1）离子电导率最低，必需加热到60或85℃以上，离子电导率才会晋升，接近10-3S/cm，所以车要常常连结在充电和高温的状况里（2）轻易短路（因为聚合物较为柔嫩，是以锂枝晶轻易穿透固态电解质，造成短路）；（3）能量密度有局限，因为聚合物是有机物，电化学不变性欠好，不如其他无机固态电池材料，跟磷酸铁锂兼容性好，跟三元兼容性欠好，致使能量密度没法晋升。

②氧化物全固态

主要长处：导电率高在聚合物，氧化物的离子电导率可到达10-4~10-5S/cm，经由过程搀杂可以或许到达10-3S/cm的级别，但不如液态电解液。典型的代表有锂镧锆氧、LAGp、LATp这些氧化物材料。

主要错误谬误：1）氧化物的机械机能坚固，假设用其建造电解质片，较轻易脆裂；2）和正极活性材料的固-固接触也不是太好，致使从面接触酿成点接触，界面消耗过年夜。以上错误谬误造成年夜容量电芯很难制备，氧化物此刻只能跟电解液或聚合物复合，做成此刻所利用的固液夹杂电池实现电解液含量的下降。

③硫化物全固态

主要长处：硫化物接触性好，所以整体的离子电导任性能很是好，是人类所发现的所有固态电池材猜中独一能跨越液态电解液离子电导率程度的材料，也是全固态电池将来最可能的手艺线路。

主要错误谬误：产物本钱/价钱很是高、空气不变性较差。硫化物化学活性很强，和空气、有机溶剂、正负极活性材料反映都很强（特别是和水接触后直接就呈现H2S，升博体育H2S有毒有臭味），是以界面不变性很差，致使出产、运输、加工等环节都好不容易，限制了它的普遍利用。液态电解质可以或许完全包裹正极活性材料，是以导锂程度很顺畅，我们把液体换成固体以后，就相当在把浸泡在海水中的鹅卵石用沙子去包裹，沙子和鹅卵石逐步的接触和包裹必定不如海水，假设沙子的离子电导率还不如海水，那末固态电池（沙子）实际上是没有但愿的，而硫化物材料的呈现让全固态电池成为可能。

3、国表里主要固态电池公司以财产化进度

按照财产链调研，固态电池将在2025年慢慢实现贸易化，在2030年成为动力锂电池主要手艺线路。在此布景下，世界上主要国度均在鼎力结构该范畴，主要散布在欧、美、中、日、韩，共有53家公司在结构研发固态电池，此中年夜约9家专注从事硫化物固态电池。

①欧洲

主要是德法英，车企鞭策为主，英国戴森公司曾投资美国的Sakti3，后由于Sakti3经营不善和手艺线路问题倒闭，戴森临时抛却。德国主要是宝马和公共，公共投资QuantumScape，奥迪和保时捷也会跟进，德国2018年投入10亿欧元撑持固态手艺成长。

②美国

美国battery500项目是国度层面政策最年夜撑持，包罗硫化物进步前辈设计、电芯设计等等。

美国主要是草创公司，主要包罗Cymbet、QuantumScape、Solidpower、polyplus、24M、Sakti3等公司，Cymbet是美国的一家薄膜固态电池公司，做薄膜全固态；24M由麻省理工蒋业明传授创建（A123开办者），今朝做的是半固态的概念，把正负极都做厚。

Solidpower：本年十月以来公布小范围制备硫化物全固态电芯的能力，MWh范围卷对卷中试线，干法和韧压手艺，两侧出极耳软包单体电芯，产量每周一百只电芯，材料系统关在小容量电芯（如0.25Ah以下）用硫化亚铁材料，2Ah和以上年夜电芯用NCM622材料，负极是金属锂，估计固态电池上市2021年，装车时候2026年。

Quantumscape：已在美股上市，已取得公共、德国年夜陆和国内上汽团体等车企的投资。电芯主打1000Wh/L以上、380-500Wh/kg的高能量密度，北京卫蓝固态电池也只有300Wh/kg以上。另外还快充手艺，15分钟80%满电量，轮回800次以上，平安性也比力高。展现的是85*72mm的单层软包电芯一般很难到达这么高的能量密度，除非很是厚的电芯，但如许又没法到达一个比力好的倍任性能，所以会招致思疑。

③我国

财产政策撑持平安性、能量密度晋升等，现实上也是在撑持固态电池的成长。

今朝我国传播鼓吹做固态电池的有良多，好比辉能、江苏清陶、北京卫蓝、赣锋锂业、无锡海特等。前四家离财产化比力接近，已建成最少是中试范围尝试线，并有产物出厂利用在无人机，最先商用。且CATL等电池龙头公司均在鼎力研发固态电池，但未对外年夜范围公布。另外，上汽、国轩高科等都在做。今朝比力流行的氧化物固态电池在我国比力流行，国内氧化物固态电池程度属在全球领先。

我国2000年今后动力锂电池方面一向追逐日韩，从追逐到成为锂离子电池财产化的主流。日本从90年后推出锂离子贸易化后即结构固态电池范畴并选择硫化物范畴，硫化物离子电导率最高且难度更年夜，其活性更强。国内用氧化物系统主要是国内锂离子财产化工艺在全球领先地位，从现有手艺衍生出固液夹杂较为轻易，同时硫化物电池研发门坎高投入年夜，一时半会很难有质的奔腾，是以国内做氧化物且日韩做硫化物全固态更多。今朝很难说哪个会胜出，由于固态电池初志是平安性问题，硫化物手艺线路其实不必然会更平安。从本钱斟酌硫化物系统本钱更高。国内CATL有21c立异尝试室创建，此中也包罗固态电池和钠离子电池等标的目的，他们关在固态电池只会比其他公司存眷更多。

④韩国

韩国主要有三家，现代、LG化学、三星。三星2020年三月份时辰在NatureEnergy上颁发了60摄氏度下1000多轮回的硫化物全固态电池，用银碳复合的无锂负极材料，这也是今朝公然数据中最好的硫化物全固态电池。

⑤日本

国度策略投入很是年夜，日本科技省（低碳新能源项目，2013-2022每一年投入15亿日元撑持研发）和新能源研发机构（2016-2022每一年30亿日元；2018-2022年solidev项目，18年单年投入18亿日元）共投入三个项目，估计硫化物全固态电池在日本动力锂电池市场的渗入率，2025年、2030年别离到达50%、95%。

举全国之力，结合日本38家机构，推动硫化物全固态电池财产化。投入固态电池的公司很是多，并且此刻根基都是结合开辟，像丰田、本田、松下、日立、三井化学、NGK等，都在一路做硫化物全固态电池，相干研究很是扎实，好比丰田就有400多人团队研究硫化物全固态，2008年最先就有专利结构，2008-2013年主要是对硫化物固态电池平安性考量，包罗硫化氢的产量、硫化氢按捺、电池组织等等，2013年后加年夜硫化物固态电池结构，以后专利包括硫化物固态电池组织、正负极材料和固态电池材料等所有硫化物固态电池环节。日本的丰田、松下、日立等都有展出硫化物全固态电池样品，对外传播鼓吹2025年硫化物全固态电芯量产。

4、对现有财产的影响

①对锂离子电池几年夜材料影响

固态电池会完全代替电解液和隔阂，但正负极活性材料不要做年夜的更改，活性材料仍是连结原有材料系统，好比开辟的高能量密度全固态或固液夹杂电芯的正极材料仍是高镍三元等，负极材料依然是石墨或硅碳等。固态电池很年夜的优势就是晋升能量密度，这直接和正负极材料相干，假设纯真把电解液和隔阂换成固态电池，固态电池能量密度会降落，为了连结能量密度上升要把石墨负极换成硅氧乃至锂金属。锂金属的平安性和轮回寿命是很年夜问题，特别是平安性会造成短路，是以硅氧和硅碳是固态电池系统比力好的过渡阶段。从现有手艺趋向看机能最好的QuantumScape和三星都是无锂负极手艺，这也是很好的手艺手段。

②对现有电池手艺、充电站/桩、新能源汽车的影响

此刻的固液夹杂电池如北京卫蓝、江苏清陶等仍是利用年夜量的锂离子电池现有工艺，仍保有电解液，其电池制备工艺不变，意味着这类固液夹杂电芯出产线和出产装备都可以从现有锂离子出产线出产商去买。但全固态电池制造工艺完全分歧，今朝仍无公司已做出直接财产化的全固态电池线路，是以现有的固液夹杂环境下出产线可以兼容，只有到全固态手艺下可能电池制备工艺会有年夜的改良。至在充电依然取决在正负极材料自己的倍任性能，是以不消做年夜的改动。此刻的良多新能源汽车是撑持换电的，可以纯真将电池包换成固态电池的电池包，包罗政策导向撑持换电，整体来看其实不影响新能源汽车其他部件的运作，只要换电池便可。

③和铅酸和锂电的不同、替换问题

在储能范畴今朝铅酸电池依然是占有主要市场份额。锂离子电池都不克不及挤占铅酸电池市场，今朝锂电主打高端市场，铅酸主打低能量密度市场，可能和铅酸电池竞争的主要是钠离子电池，钠离子电池也主打低本钱，国内第一梯队的中科海钠标语就是铅酸价钱和锂电机能，其方针定位是用钠离子代替铅酸而且和锂离子互补。固态电池的本钱和价钱远高在锂离子电池，是以不会去和铅酸电池竞争，只会和锂离子电池竞争。

当前固态电池在平安性、能量密度、工作温度规模、倍任性能、轮回寿命等各类指标全方位优在当前液态电池，定位也是全方位代替锂离子电池。一最先用在、航天等，后续成长至新能源汽车范畴，不局限在极寒范畴替换锂离子电池。跟着手艺成熟会在各年夜主流市场代替锂离子电池。

5、固态电池财产链

今朝会有很多公司出产固态电解质相干材料，主要是面向科研院所，最多是千克级的制备，像硫化物范畴我国有宁波锋锂硫化物固态电极材料发卖。伊诺凯和凯亚达是在经销硫化物材料，氧化物此刻是科晶在经销锂镧锆氧和磷酸钛铝锂的材料，聚合物包罗青岛能源所崔光磊教员团队，氧化物的郭向欣教员团队有在做千克级制备和发卖。此刻其制备和发卖并没有太多。正负极材料可以直接向现有的正负极材料出产商采购并做简单处置后用在固态电池中，好比杉杉、当升、格林美、巴斯夫、住友、美丽科，负极有贝特瑞、璞泰来、国轩高科、日立化成等，固态电池材料良多公司本身在做并有所采办，本身做的水平比力年夜。别的电芯等组件和现有锂离子电池兼容可之外购。

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按照财产链调研，固态电池将在2025年慢慢实现贸易化，在2030年成为动力电池首要手艺线路。在此布景下，世界上首要国度均在鼎力结构该范畴，首要散布在欧、美、中、日、韩，共有53家企业在结构研发固态电池，此中年夜约9家专注从事硫化物固态电池。

锂电池的利用普遍，从平易近用的数码、通讯产物到工业装备到特种装备等都在批量利用，分歧产物需要分歧的电压和容量，是以锂离子电池串连和并联利用环境良多，锂电池经由过程加装庇护电路、外壳、输出而构成的利用电池称为P

4高

质量能量密度300瓦时/千克 体积能量密度700瓦时/升

100C延续放电，温升节制在40℃之内

80℃高温延续轮回200周，85℃贮存48小时

经由过程针刺、重物冲击等平安性测试

2低

-40℃低温0.2C充电 且充放电轮回300周以上

-50℃低温放电，75%以上容量连结率

1防爆

190~200Wh/kg的高能量密度 知足Ex ia\ib IIA\IIB T1~T4防爆尺度 和针刺、重物冲击等平安性测试