固態(tài)電池成為目前布局重點

從技術潛力角度來看，磷酸鐵鋰體系理論能量密度約為170Wh/kg，三元鋰電池理論能量密度是300-350Wh/kg，同時存在熱分解溫度低、易燃燒爆炸等安全性問題，二者能量密度提升空間相對較小。然而全固態(tài)鋰電池的能量密度提升潛力大，從理論上講更具可行性。

1、固態(tài)鋰電池的潛在技術優(yōu)勢

固態(tài)鋰電池，與傳統(tǒng)鋰電池相比的最大特點在于其使用了固態(tài)電解質材料，當使用的電極和電解質材料均為固態(tài)、不含任何液態(tài)組分時，則為全固態(tài)鋰電池。固態(tài)電解質改變了鋰電池的傳統(tǒng)結構，隔膜、液態(tài)電解液等不再是必要組件，帶來巨大的技術優(yōu)勢潛力。

圖3固態(tài)鋰電池與傳統(tǒng)鋰電池的技術原理示意圖

固態(tài)鋰電池的主要技術優(yōu)勢體現(xiàn)在，一是安全性高，不含易燃易揮發(fā)有毒性的有機溶劑，不存在漏液問題，有望避免鋰枝晶的產生，大幅度降低電池燃燒、爆炸的風險。二是循環(huán)壽命長，不存在液態(tài)電解質在充放電循環(huán)過程中產生固體電解質界面膜的問題，目前研發(fā)的預期壽命是15000-20000次。三是能量密度高，傳統(tǒng)鋰電池中隔膜和電解液體積占比40%，固態(tài)電解質能大幅縮減電池正負極間距離，提高體積比能量，全固態(tài)鋰電池能量密度預估最大潛力值達900Wh/kg。四是系統(tǒng)比能量密度高，固態(tài)電解質無流動性，可實現(xiàn)內串聯(lián)組成高電壓單體，利于提升動力電池系統(tǒng)成組效率和能量密度。五是正負極材料選擇范圍寬，可同時兼用金屬鋰負極和高電勢正極材料等新技術，全固態(tài)金屬鋰電池是未來新型電池的研發(fā)方向。除此之外，固態(tài)電池的工作溫度范圍、電化學穩(wěn)定窗口寬，并且具備薄膜化、柔性化的潛力。

2、全球企業(yè)紛紛布局固態(tài)電池，爭奪先機

由于當前磷酸鐵鋰和三元鋰電池自身的瓶頸，以及固態(tài)電池的潛在優(yōu)勢，歐美、日韓、中國等國家的涉及動力電池、汽車及能源方面的產業(yè)鏈上眾多企業(yè)正在積極布局和研發(fā)固態(tài)電池。

圖4國內外固態(tài)電池布局典型案例

總體上，歐美國家主要是立足于固態(tài)電池技術的創(chuàng)業(yè)型公司，日本主要以傳統(tǒng)車企、機械企業(yè)為主的電池技術創(chuàng)新。中國的企業(yè)相對來說進入固態(tài)鋰電池領域的時間較晚，且主要以科研機構或院校為支撐，產業(yè)化進程較慢。

研發(fā)方面，國內主力為中科院的科研機構，有一定積累并與國外基本處于同一水平，但能量密度距離理論值仍有較大的提高空間，離子導電率、循環(huán)壽命也亟待進一步提升。固態(tài)鋰電池根據(jù)固態(tài)電解質分為三條技術路線，分別為聚合物、氧化物與硫化物固態(tài)電解質，各科研機構采用的技術路線并不相同。其中，中科院青島能源所與中科院化學所兩家主攻聚合物固態(tài)鋰電池，前者的實驗樣品能量密度達300Wh/kg，并首次完成深海測試，后者則突破了聚合物固態(tài)電解質室溫下低導電率的瓶頸;中科院物理研究所的研究特色在于掌握原位形成技術，研制的10Ah軟包電池能量密度達310-390Wh/kg，體積比能量達800-890Wh/L;中科院寧波材料所、上海硅酸鹽研究所分別聚焦于無機固態(tài)鋰電池和復合固態(tài)鋰電池的研究。

3、技術和產業(yè)壁壘亟待突破

經過企業(yè)與研究機構的攻關，目前固態(tài)電池技術已經得到突破，能量密度超過300Wh/kg，但基本都是實驗室產品，距離產業(yè)化還有一定的距離。

在技術層面，固態(tài)電解質離子導電率、固/固界面相容性和穩(wěn)定性仍是兩大制約問題。聚合物電解質的導電性在常溫下較低，一般需要加熱至60oC以上才能正常工作，如法國Bolloré則采用聚合物電解質與電池加熱的技術路線;硫化物電解質的導電率目前與傳統(tǒng)鋰電池的水平相當，但仍需突破界面相性問題，主要通過材料合成和納米層技術增大活性物質的量、降低界面層電阻。同時，金屬鋰負極、新型復合正極材料仍在研發(fā)中，有望實現(xiàn)全固態(tài)鋰金屬電池的應用，屆時能量密度、容量、倍率性能、安全性能及循環(huán)壽命將有巨大的突破。

在產業(yè)化層面，未能實現(xiàn)規(guī)?；a的困境主要在于生產設備、生產工藝與生產線環(huán)境。比如固態(tài)電池制備中的疊片、涂布、封裝工藝需要定制化的高精度設備，并且生產線環(huán)境也需要保持更高級別的干燥間。只有當規(guī)?；a實現(xiàn)產量與產能的提升后，固態(tài)鋰電池的成本才得以下降。

整體上來看，固態(tài)鋰電池的生產制備成熟度還亟待加強，規(guī)模化、自動化的生產線還需要進一步研發(fā)，目前仍處于行業(yè)積累期。固態(tài)電池總體發(fā)展路徑為，受制于固/固界面穩(wěn)定性問題，液態(tài)電解質的含量逐步減少，由液態(tài)→半固態(tài)→固液混合→固態(tài)→全固態(tài)電池過渡;在全固態(tài)鋰金屬電池發(fā)展上，受制于金屬鋰負極可充性問題，負極材料將從石墨→合金化負極(如Si/C)→金屬鋰負極進行過渡。隨著研發(fā)技術和工業(yè)生產方面的發(fā)展，固態(tài)電池的性能與生產將逐步優(yōu)化，在動力電池市場迎來機遇。