固態電池行業深度：產業化按下加速鍵，技術突...

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固態電池行業深度：產業化按下加速鍵，技術突破進行時

1年前

固態電池行業深度：產業化按下加速鍵，技術突破進行時

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1 固態電池有望是下一代電池技術制勝關鍵

1.1 固態電池定義

固態電池指使用固態電解質代替傳統電解液的鋰電池，按照固態電解質用量可分爲半固態電池和全固態電池。通常我們將電池內液體含量 10%作爲區分半固態電池和液態電池的分界线，而全固態電池將完全使用固態電解質，液體含量將降爲 0%。

液態電池使用液態電解質來傳遞離子並產生電流。充放電過程中，鋰離子在正、負極之間往返嵌入/脫嵌和插入/脫插，中間的隔膜用於隔離正負極從而避免出現短路。而固態電池則使用固體電極和固體電解質，從而避免了正負極接觸導致短路等安全隱患發生。

1.2 基礎研究歷史悠久，產業化落地進行時

固態電池基礎研究歷史悠久。1831 年-1834 年，邁克爾·法拉第發現了固體電解質硫化銀和氟化鉛，爲固態離子學奠定了基礎。1950 年代後期，科學家發現了採用固體電解質的銀導電電化學系統。1967 年，科學家發現快速離子傳導，該離子可用於氧化鋁，啓動了對具有更高能量密度的新型固態電化學器件的开發，例如熔融鈉/-氧化鋁/硫電池在美國福特汽車公司和日本 NGK 开發。

在系統开發中，有機物固態電解質（聚環氧乙烷（PEO））和無機物固態電解質（NASICON）被發現。1990 年代，美國橡樹嶺國家實驗室开發了新型固態電解質：氮化鋰磷氧（LiPON），可用於制造薄膜鋰離子電池。2011 年，Kamaya 等人展示了第一個固體電解質（LAGP），能夠在室溫下實現超過液體電解質對應物的體積離子電導率。2017 年，鋰離子電池的共同發明者約翰·古迪納夫推出了一款固態電池，它使用玻璃電解質和由鋰、鈉或鉀組成的鹼金屬陽極。

基礎技術研發深度沉澱，固態電池逐步邁向產業化。鋰電池作爲目前最廣泛使用的動力電池產品，其性能指標要求也將不斷提升。固態電池在性能方面具有更大的優勢，是電池技術發展的遠期目標，各個國家也制定了相關政策文件指引：

中國：2017 年和 2021 年中國分別發布固態電池相關政策方案，旨在推動固態電池比容量達 500Wh/kg、超過 600WWh/kg

美國：發布鋰電池國家藍圖（2021-2030），將遠期目標定爲動力電池能量密度達 500Wh/kg 並實現 100%去鈷化和去鎳化

歐盟：發布相關政策文件將電池實現 400Wh/kg 能量密度作爲遠景目標。

1.3 固態電池具備高能量密度、高安全性等性能優勢

新能源車長續航訴求強烈，要求鋰電池能量密度要求持續提高。根據公式：續航能力=可用電量/能耗。在相同能耗不變，電池包體積和重量不變都受到嚴格限制的情況下，新能源汽車的單次最大行駛裏程主要取決於電池的能量密度。因此，近年來鋰電池材料不斷向更高能量密度方向發展。

固態電池優勢之一：能量密度高。固態電池能量密度有望超 400wh/kg，是目前鐵鋰電池的 2 倍。目前磷酸鐵鋰電池的能量密度在 200wh/kg 左右，對應續航在 300-500km。三元電池的能量密度在 250wh/kg 左右，對應續航 500-700km。而固態電池若採用高鎳三元+金屬鋰的材料體系，能量密度有望超過 400Wh/kg，續航將獲得重大提升。

固態電池可搭配更高活性及克容量的正負極材料和高壓電極材料。電池能量密度主要取決於兩個因素：工作電壓和正負極材料克容量。當鋰電池在工作，電池電壓會隨着電量的降低而下降。若其他條件不變，同等電流下高電壓的工作時間明顯比低電壓長，因此相應具備更高容量。材料克容量指每克鋰電池材料所含電量，克容量越大使得能量密度越大。

（1）固態電池電化學窗口寬，可適配高能電極。電解質的電化學窗口等於其在負極發生還原反應和在正極發生氧化反應所限定的電壓範圍。固態電解質的電化學窗口大，其抵抗負極還原和正極氧化的能力強，能夠匹配更高正極和更低負極的電極材料，從而實現更高的電池能量密度。理論上固態電池所用材料工作電壓可以達到 5V。目前市場主流正極材料工作電壓均位於 3.2-3.8V 區間，而固態電池所用正極材料富鋰錳基則可以達到 4.5V。

（2）由於電池化學反應場所主要在正負極，因此電池能量密度與正負極材料有密不可分的關系。鋰電池能量密度已進入瓶頸期，其負極材料多以石墨爲主，石墨的理論克容量 370mAh/g，正極材料三元材料鎳鈷錳(NCM)約爲 200mAh/g。目前市場較爲成熟的液態電池正負極搭配是高鎳三元+人造石墨，克容量極限可達 357mAh/g。而固態電池則可以搭配更高容量的富鋰錳基+硅碳負極材料，克容量極限可超過 500mAh/g。