固态电池：技术渐进式升级， 等待批量推广应用
来源：宝鄂实业
2019-03-27 09:18
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近期我们调研了固态电池行业公司，与专家交流行业现状及国内外公司进展。行业内主流企业预计，2020 年前将实现批量销售，2025 年全固态电池技术成熟与成本可控实现大规模产业应用。
固态电池是广泛认可的下一代电池技术，目标是解决新能源车对安全性与长续航的需求。全球新能源车市场高速发展对电池安全性、能量密度提出更高要求，《节能与新能源汽车技术路线图》提出2025 年发展全固态锂电池技术、2025 和2030 年电池单体能量密度分别达到400 和500wh/kg 的目标，比现有电解液锂电池的能量密度提升66%，且固态电池不会发生热失控，安全性能更好。
部分关键材料技术突破和降低成本是大规模推广的核心难点。固态电池是现在锂电池技术的升级，发展路径为半固态→准固态→全固态，主要区别在固态电解质替代电解液、不用隔膜以及最终将金属锂负极替代石墨负极。根据调研了解，半固态与全固态电池的综合成本是现有锂电池的200%-300%，我们预计，至2025 年国内有望实现部分关键材料的突破与配套，批量化的成本降低。
全球主要车企与研发机构布局固态电池技术。其中，日韩以公司主导技术研发相对领先，欧美以初创公司为主积极布局。根据法国Yole 统计，2018 年全球布局固态电池的大公司占比约50%，分类型按数量排序：大公司>科研机构>初创公司。公司方面以丰田、宝马、大众、现代等车企为主，包括三星SDI、LG 化学、优美科等传统锂电池及材料厂商。欧美国家主要科研机构如麻省理工学院、科罗拉多大学等科研机构先后衍生出SolidEnergy System、SolidPower 等初创企业，并获得车企等融资。
国内以产业链公司与科研机构为主导，部分企业具备小批量生产能力。台湾辉能率先步入商业化，清陶能源建成0.1GWh 固态锂电池产线，卫蓝新能源和中科院物理所合作并拥有固态锂电池试制线，赣锋锂业和中科院宁波材料所合作并建设年产亿瓦时级固态锂电池中试生产线，国轩高科、宁德时代等电池龙头积极研发。
全固态锂离子电池采用固态电解质替代传统有机液态电解液，有望从根本上解决电池安全性问题，是电动汽车和规模化储能的理想化学电源。
传统的液态锂电池，被科学家们喻为“摇椅式电池”，摇椅两端为电池的正负两极，中间为电解质（液态）。其中的锂离子如同优秀的运动员在正负两极间来回奔跑，在运动过程中即完成电池的充放电过程。
然而，这种看似有趣的结构却存在隐患。据不完全统计，今年上半年电动汽车发生过10起燃烧事故。某消防单位对此总结，新能源汽车发生燃烧最为常见的场景表现为充电过程中的燃烧，此外，电池在行驶或停驶过程中也会产生燃烧。
安全性更高，可继承液态锂电池“江湖地位”
液态锂电池为何会频发爆炸，有专家分析，原因在于传统锂电池在大电流下工作有可能出现锂枝晶，从而刺破隔膜导致短路破坏；电解液为有机液体，在高温下会加剧发生副反应、氧化分解、产生气体、发生燃烧的倾向。
而近年来，学术界、产业界认为采用固态电池在安全性上相对有所保障，视其可以继承液态锂电池的“江湖地位”。
“储能的春天已经到来，储能行业开始萌芽开花，在各类储能技术中，电池储能最受关注，也是发展最快的储能技术方向。全固态锂离子电池是规模化储能理想的化学电源。”中国科学院电工研究所储能技术研究组陈永翀教授表示。
专家认为，全固态锂离子电池采用固态电解质替代传统有机液态电解液，有望从根本上解决电池安全性问题，是电动汽车和规模化储能的理想化学电源。
北京理工大学电动车辆国家工程实验室、中国电工技术学会电动车辆专业委员会委员孙立清曾表示，相较于传统锂电池，固态锂电池的差异在于电解质固态化，理论上存在一定的优势。
由于固态锂电池采用锂、钠制成的玻璃化合物为传导物质，取代以往锂电池的电解液，大大提升了锂电池的能量密度。采用固态电解质，可以阻止电池中的一些成分燃烧。
专家介绍，固态锂电池的密度及结构可以让更多带电离子聚集在一端，传导更大的电流，进而提升电池容量。因此，在同样的电量下，固态电池体积将变得更小。而且，由于固态电池中没有电解液，封存将会变得更加容易，在汽车等大型设备上使用时，也不需要再额外增加冷却管、电子控件等，不仅节约了成本，还能有效减轻重量。
开发还在路上，一些关键问题有待突破
将固态电解质引入锂电池，是为了突破目前有机电解液存在的种种限制，提升电池的能量密度、功率、温度范围和安全性。与会专家提出，真正实现这些目标，仍需首先解决现有电解质材料本身以及与电极界面存在的问题。
中国科学院上海硅酸盐研究所副研究员靳俊介绍说，近几年他们实验室主要开发采用固态电解质的锂硫电池体系。用固态电解质修饰金属锂后，可以提高电池的循环稳定性。他们还提出一个双电解质体系锂硫电池概念，采用具有锂离子导电特性LAGP体系的固体电解质，在正负极间采用少量液态电解液进行界面润湿，测试结果可以看到，首次放电比容量能够达到理论容量80％以上，尤其在充放电效率方面，基本上接近100％，完全没有液态锂硫电池中存在的穿梭效应问题。为了进一步解决电池的安全问题，他们把这个界面凝胶化，以保证里面没有流动态的电解液，通过聚合物进行修饰，还可以缓冲循环过程中的体积效应。
清华大学材料学院副教授李亮亮团队，正在研制一种氧化物固态电解质及固态锂电池的原型，采用三元正极，固态电解质膜和石墨负荷作负极，电池能量密度以及安全性非常好，上千次循环后容量保持81％。
合肥博澳国兴能源技术有限公司郑明森博士指出，目前研发的叠片式大容量固态聚合物锂离子电池，结构相对简单、节点少，不需要管理系统，在组装电池组时只需串联而非并联。采用一些固态的电解液替代传统的液态电解液，可以解决电池的漏液和碰撞后燃烧问题，提高了电池的安全性。
当然，固态电池开发还在路上，仍存在一些关键问题有待突破。专家表示，固体电池应用于储能领域需考虑到长寿命、安全性等因素。另外，还需解决长期循环过程中的体积效应、稳定性和界面相容性等问题。
