固态锂电池的潜在技术优势分析

固态电池成为目前布局重点

从技术潜力角度来看，磷酸铁锂体系理论能量密度约为170Wh/kg，三元锂电池理论能量密度是300-350Wh/kg，同时存在热分解温度低、易燃烧爆炸等安全性问题，二者能量密度提升空间相对较小。然而全固态锂电池的能量密度提升潜力大，从理论上讲更具可行性。

1、固态锂电池的潜在技术优势

固态锂电池，与传统锂电池相比的最大特点在于其使用了固态电解质材料，当使用的电极和电解质材料均为固态、不含任何液态组分时，则为全固态锂电池。固态电解质改变了锂电池的传统结构，隔膜、液态电解液等不再是必要组件，带来巨大的技术优势潜力。

图3固态锂电池与传统锂电池的技术原理示意图

固态锂电池的主要技术优势体现在，一是安全性高，不含易燃易挥发有毒性的有机溶剂，不存在漏液问题，有望避免锂枝晶的产生，大幅度降低电池燃烧、爆炸的风险。二是循环寿命长，不存在液态电解质在充放电循环过程中产生固体电解质界面膜的问题，目前研发的预期寿命是15000-20000次。三是能量密度高，传统锂电池中隔膜和电解液体积占比40%，固态电解质能大幅缩减电池正负极间距离，提高体积比能量，全固态锂电池能量密度预估最大潜力值达900Wh/kg。四是系统比能量密度高，固态电解质无流动性，可实现内串联组成高电压单体，利于提升动力电池系统成组效率和能量密度。五是正负极材料选择范围宽，可同时兼用金属锂负极和高电势正极材料等新技术，全固态金属锂电池是未来新型电池的研发方向。除此之外，固态电池的工作温度范围、电化学稳定窗口宽，并且具备薄膜化、柔性化的潜力。

2、全球企业纷纷布局固态电池，争夺先机

由于当前磷酸铁锂和三元锂电池自身的瓶颈，以及固态电池的潜在优势，欧美、日韩、中国等国家的涉及动力电池、汽车及能源方面的产业链上众多企业正在积极布局和研发固态电池。

图4国内外固态电池布局典型案例

总体上，欧美国家主要是立足于固态电池技术的创业型公司，日本主要以传统车企、机械企业为主的电池技术创新。中国的企业相对来说进入固态锂电池领域的时间较晚，且主要以科研机构或院校为支撑，产业化进程较慢。

研发方面，国内主力为中科院的科研机构，有一定积累并与国外基本处于同一水平，但能量密度距离理论值仍有较大的提高空间，离子导电率、循环寿命也亟待进一步提升。固态锂电池根据固态电解质分为三条技术路线，分别为聚合物、氧化物与硫化物固态电解质，各科研机构采用的技术路线并不相同。其中，中科院青岛能源所与中科院化学所两家主攻聚合物固态锂电池，前者的实验样品能量密度达300Wh/kg，并首次完成深海测试，后者则突破了聚合物固态电解质室温下低导电率的瓶颈;中科院物理研究所的研究特色在于掌握原位形成技术，研制的10Ah软包电池能量密度达310-390Wh/kg，体积比能量达800-890Wh/L;中科院宁波材料所、上海硅酸盐研究所分别聚焦于无机固态锂电池和复合固态锂电池的研究。

3、技术和产业壁垒亟待突破

经过企业与研究机构的攻关，目前固态电池技术已经得到突破，能量密度超过300Wh/kg，但基本都是实验室产品，距离产业化还有一定的距离。

在技术层面，固态电解质离子导电率、固/固界面相容性和稳定性仍是两大制约问题。聚合物电解质的导电性在常温下较低，一般需要加热至60oC以上才能正常工作，如法国Bolloré则采用聚合物电解质与电池加热的技术路线;硫化物电解质的导电率目前与传统锂电池的水平相当，但仍需突破界面相性问题，主要通过材料合成和纳米层技术增大活性物质的量、降低界面层电阻。同时，金属锂负极、新型复合正极材料仍在研发中，有望实现全固态锂金属电池的应用，届时能量密度、容量、倍率性能、安全性能及循环寿命将有巨大的突破。

在产业化层面，未能实现规模化生产的困境主要在于生产设备、生产工艺与生产线环境。比如固态电池制备中的叠片、涂布、封装工艺需要定制化的高精度设备，并且生产线环境也需要保持更高级别的干燥间。只有当规模化生产实现产量与产能的提升后，固态锂电池的成本才得以下降。

整体上来看，固态锂电池的生产制备成熟度还亟待加强，规模化、自动化的生产线还需要进一步研发，目前仍处于行业积累期。固态电池总体发展路径为，受制于固/固界面稳定性问题，液态电解质的含量逐步减少，由液态→半固态→固液混合→固态→全固态电池过渡;在全固态锂金属电池发展上，受制于金属锂负极可充性问题，负极材料将从石墨→合金化负极(如Si/C)→金属锂负极进行过渡。随着研发技术和工业生产方面的发展，固态电池的性能与生产将逐步优化，在动力电池市场迎来机遇。