如今，新能源汽車逐漸成為汽車市場的主流，而新能源汽車的動力電池也成為許多消費者關(guān)注的焦點。固態(tài)電池已經(jīng)成為一種新的和流行的電池類型。

 

什么是固態(tài)電池？

 

1.固態(tài)電池的定義

根據(jù)電解液的分類，鋰電池可分為液體、半固體、準固體和全固體四類，其中半固體、準固體和全固態(tài)統(tǒng)稱為固態(tài)電池。由于電解質(zhì)狀態(tài)的不同，固態(tài)電池在結(jié)構(gòu)上與液態(tài)鋰離子電池不同。

 

2.鋰電池的發(fā)展

隨著鋰電池行業(yè)的發(fā)展，動力電池和儲能電池領(lǐng)域?qū)︿囯姵氐谋热萘?、首次使用效率、安全性和循環(huán)次數(shù)等核心要求越來越高。鋰離子動力電池的能量密度預(yù)計在未來五年內(nèi)將提高到300Wh/kg以上，但依靠現(xiàn)有的三元體系很難實現(xiàn)電池能量密度高于350Wh/kg的目標。固態(tài)電池由于其結(jié)構(gòu)、陰極材料、陽極材料和電解質(zhì)材料，在比容量和安全性方面有明顯的提高。

 

液體和固體電池的比較

 

1.安全

液體電池的安全隱患主要是由液體電解質(zhì)引起的。根據(jù)最新消息，電動汽車電池引發(fā)的事故主要是自燃和爆燃。自燃的主要誘因是電池組的熱失控。電池在過充、低溫或高溫環(huán)境中短路，電池在短時間內(nèi)釋放大量熱量，點燃電池內(nèi)部的液體電解質(zhì)，最終導致電池起火。

固態(tài)電池，另一方面，使用固體電解質(zhì)，其中大部分是不可燃的，解決了電解質(zhì)的可燃性；同時，固體電解質(zhì)膜致密無孔，機械強度高，有效抑制了負極短路問題；它在熱穩(wěn)定性和電化學穩(wěn)定性方面也優(yōu)于電解質(zhì)，大大提高了鋰電池的安全性能。

 

2.能量密度

電池的能量密度直接由陰極和陽極材料的理論克容量和電化學電勢差決定。根據(jù)固態(tài)電池的最新進展，特斯拉4680大圓柱電池的能量密度為283Wh/kg，而根據(jù)CATL固態(tài)電池的結(jié)構(gòu)，磷酸鐵鋰的能量密度達到160wh/kg，三元高鎳的能量密度高達250wh/kg。

2022年10月，美國國家航空航天局在其官方網(wǎng)站上介紹，美國航空航天局目前研發(fā)成功的固態(tài)電池能量密度達到500Wh/kg，幾乎是三元高鎳的兩倍。

固態(tài)電池的陰極和陽極材料可以使用更大的電勢差，并且由于固體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性優(yōu)勢，可以在制造過程中擴大陰極和陽極的容量，以提高電池的整體能量密度。

全固態(tài)電池可以使用鋰金屬作為負極（鋰金屬的比容量是石墨負極的近10倍），在相同的正極系統(tǒng)下，有望將能量密度提高50%以上，同時提高電池的PACK能量密度，降低電池成本。

 

 

固態(tài)電解質(zhì)材料技術(shù)路線

 

在構(gòu)建高性能固態(tài)電解質(zhì)的過程中需要關(guān)注的核心要求包括。

① 高導電性。

② 化學穩(wěn)定性好，不與電池內(nèi)部材料發(fā)生反應(yīng)。

③ 鋰離子遷移數(shù)高，離子遷移數(shù)大于1是最理想的狀態(tài)。

④ 機械性能和韌性，對于五個級別的固體電解質(zhì)，通常會出現(xiàn)更脆、更脆的現(xiàn)象。

目前，固態(tài)電解質(zhì)有三條主要的技術(shù)路線：聚合物、氧化物和硫化物。三種類型的固體電解質(zhì)的性能參數(shù)各有優(yōu)缺點。

根據(jù)公開信息查詢，2022年10月，美國國家航空航天局的硫化物路線產(chǎn)品，能量密度達到500瓦時/公斤。2018年，中國蘇州發(fā)布了基于氧化物路線的產(chǎn)品開發(fā)廣告，固態(tài)電池的能量密度達到400Wh/kg；2019年12月，Sakti3聲稱開發(fā)了一種能量密度超過1000瓦時/公斤的固態(tài)電池。

 

 

固態(tài)電池接口

 

固態(tài)電池接口是指：

① 固體電解質(zhì)內(nèi)部的界面

② 復(fù)合正極材料內(nèi)部的界面

③ 固體電解質(zhì)和陰極材料之間的界面

④ 固體電解質(zhì)和負極材料之間的界面

界面概念在固態(tài)電池中被引入，主要是因為固體材料的固相界面之間沒有潤濕性，難以進行充分的接觸，并形成更高的接觸電阻。此外，循環(huán)過程中還會出現(xiàn)元素相互擴散和空間電荷層形成等現(xiàn)象，影響電池性能。結(jié)晶電解質(zhì)中存在大量晶界，晶界電阻高不利于鋰離子在正負電極之間的傳輸。

為了提高不同界面（如導電性、空間電荷層等）的性能，需要在固態(tài)電池的結(jié)構(gòu)、制備工藝和材料選擇方面進行專門的研發(fā)和設(shè)計。

 

市場需求

2030年全球?qū)虘B(tài)電池的需求預(yù)計將接近500GWH，市場空間超過1500億，其中固態(tài)動力電池的需求超過350GWH。

 

 

根據(jù)該研究所的預(yù)測，2022年至2030年，中國固態(tài)電池出貨量預(yù)計將高速增長，到2030年可能超過250 GWH，而在成本方面，隨著固態(tài)電池技術(shù)的不斷進步，固態(tài)電池的成本價格也將繼續(xù)下降，中國固態(tài)電池的成本價格預(yù)計將從2022年的1.9元/Wh降至2030年的0.8元/Wh。2022年三元鋰電池成本價約為1元/Wh，磷酸鐵鋰電池成本價格為0.8元/Wh。

目前，與固態(tài)電池相比，液體電池在成本上具有更大的優(yōu)勢。然而，隨著固態(tài)電池技術(shù)的發(fā)展和大規(guī)模生產(chǎn)的實施，成本將接近液體電池，同時其高能量密度和高安全性的優(yōu)勢將突顯出來。