固态电池的发展与现状

发布时间：

2024-06-26 15:01

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●固态电池开发的背景意义

随着新能源行业的高速发展，包括动力电池和储能电池需求的急剧增加，使得锂离子电池迎来了革命性的技术迭代。动力电池的能量密度从120wh/kg提升到了如今的350wh/kg，电动车的纯电续航也从原来的200km提升到了700km。然而，作为电动汽车核心部件的锂离子电池仍存在巨大的提升空间。

能量密度仍旧掣肘着储能行业的发展，安全性差也是制约锂离子电池发展的最大因素，低温性能急剧下降导致推进北方市场的进程缓慢，这些急需解决的问题推动着锂电材料本身的颠覆性更新，使得固态电池有了划时代的意义。

固态电池的概念与优势

固态电池是指构成锂离子电池的所有材料都是固体材料，包括电解液也由液体更换为固态锂离子导电材料，取消了隔膜，大大简化了工艺路线，同时提高了电池的安全性。固态电池具备高能量密度、高电压窗口、高安全性等优势；

①能量密度方面，固态电池没有电解液和隔膜，更换为电解质薄层，质量大幅度减少，能量密度可达700Wh/kg，甚至更高，远远超过目前能量密度为300Wh/kg的液态锂离子电池。

②电压窗口方面，相对于电解液，固态电解质不参与化学反应，可选择电压差更大的正负极材料，具有宽电化学窗口，充放电压差更大，可以提升电池能量密度。

③安全性方面，固态电解质具有不可燃性、适用温度窗口宽、无腐蚀性、挥发性弱等特点，安全可靠性高，面对机械滥用和热滥用都不会发生爆炸。

固态电解质分类

虽然固态电池有很多优点，但是固态电池目前仍处于研发阶段，以电解质材料为核心的多种技术路线尚未统一。诸多关键技术路线尚处于探索阶段，技术路径呈多元化发展趋势。固态电解质材料作为固态电池的关键核心材料，目前主要分为4类：聚合物、氧化物、硫化物和卤化物。

聚合物电解质[1]制备简单，柔韧性好，加工性强，但是聚合物在环境温度下容易结晶，导致室温离子电导率有限，界面的热力学不稳定性也限制了与高压正极材料的兼容性，较差的机械性能难以彻底抑制锂枝晶生长；

氧化物电解质[2]机械强度高、热稳定性和空气稳定性好、电化学窗口宽，但是室温离子电导率较低，和正负极固-固界面接触差，且电解质通常较厚，大大降低电池的体积能量密度；

硫化物电解质[3]室温电导率高，延展性好，且硬度适中、界面物理接触好、机械性能良好，但是电化学窗口窄，与正负极的界面稳定性较差，且对水分非常敏感，与空气中的微量水即可发生反应，释放有毒的硫化氢气体；

卤化物电解质[4]和硫化物较为类似，因其高离子电导率、高压正极良好相容性和优异机械变形性等突出优点，能够同时克服氧化物电解质的界面接触差以及硫化物电解质电化学窗口窄等缺陷，已成为全固态电池领域研究热点，然而卤化物电解质极差的还原稳定性，对湿空气敏感等原因限制了其应用。

全固态电池难点与过渡措施

全固态电池界面接触问题是目前最主要的问题之一。固态电解质缺乏流动性，界面主要接触方式为点对点接触，固-固接触面积小，导致阻抗较液态电池大和电流密度分布不均等问题，制约固态电池产业化应用。

另一方面，研发合适的固态电解质以及电极材料体系难度较大，且目前固态电池的工艺技术尚未成熟，特别是在大规模生产方面存在一些挑战。

此外，固态电池使用的材料多为新型材料，成本相对较高，由于制造工艺尚未成熟，生产设备和流程的投入也较大，导致在当前情况下固态电池的生产成本居高不下。

半固态电池作为液态电池和全固态电池的过渡方案，受到很多电池厂商和主机厂的青睐。半固态电池一般采用原位固化技术引入聚合物凝胶网络，通过在正极材料、负极材料表面或隔膜两侧涂覆/包覆固态电解质，同时保留部分传统液态电解液作为润湿剂，实现固-液混合状态。

与液态电池相比，半固态电池引入了固态电解质，可以在现有体系的基础上提升能量密度与安全性；与全固态电池相比，半固态电池保留了部分电解液，改善了电导率以及界面接触的问题。半固态电池生产工艺路线与设备基本与现有液态电池一致，所以2024年已经有部分供应商实现了规模量产。

国内外固态电池研究及应用现状

在2012 年，美国 Solid Power 公司就与宝马、福特、现代等汽车制造商建立了合作关系，研究新的电池技术。目前，Solid Power 公司已开发的样品能量密度为 320 Wh/kg 左右，并着力建设固态电池的中试线，预计 2025 年协助宝马进行固态电池原型车集成测试。Quantum Scape 企业则与大众集团合作，目前已宣布将推进多层固态电池的测试，这是 Quantum Scape 企业正在向商业上可行的电动汽车固态电池迈进的一个重要体现。

针对固态电池，日本企业在基础研究和专利布局方面具有一定的先发优势，丰田、本田、松下、日立等企业优势较明显。在这些企业中，丰田率先研发固态电池，其目标是第二代硫化物全固态电池，其拥有固态电池的专利数量最多。

韩国也一直积极地致力于固态电池的研究。从韩国固态电池的专利发表数量来看，LG 化学、三星、现代等企业在固态电池研究方面成绩比较显著。韩国三星针对第二代硫化物固态电池技术展开了重点研究，企业计划建设全固态电池试验生产线，并于 2027 年进行规模化生产。

国内宁德时代、比亚迪、一汽、上汽、卫蓝新能源和吉利在24年5月份获得了国家60亿经费的专项资金用于研发固态电池。此次国家政策的支撑，代表着固态电池研发速度将进一步提升，距离落地化的时间变短。清陶能源与上汽集团联合开发的第一代半固态电池已经于2024年在智己品牌的新车上实现量产。2023年6月，卫蓝新能源向蔚来正式交付半固态电池，12月，蔚来ET7搭载卫蓝新能源交付的150kWh超长续航电池包，实测续航超1000公里，引起业内外巨大反响。宁德时代宣称将在2027年小规模量产固态电池，如果用1-9数字表示全固态电池的成熟度，宁德时代目前的成熟度在4的水平。

高瑞电源布局未来

高瑞电源为应对未来技术革新，深度布局固态电池综合技术领域，致力于解决固态材料问题，突破锂电性能瓶颈。

公司研发中心主要以半固态电解质前驱体、固态电解质（硫化物、卤化物和复合聚合物）、负极活性材料、正负极粘结剂、正负极侧人工SEI层等方向作为切入点，着重解决固态电池中的难点与痛点。目前高瑞电源已投资500w建设固态电池材料研发实验室，形成了完备的固态电池材料开发制备与创新平台，后续将继续投入1000w以上，用于联合上下游供应商进行量产吨级固态电池材料产业链的构建。

同时，高瑞于2023年与中南大学签订深层次项目合作，目前已成功申报数个省级固态电池项目，合作旨在促进产学研一体的技术开发，实现点对点技术共享，将实验室级成果进行放大落地。

高瑞电源始终聚焦于前沿技术的开发，厚积薄发，旨在为中国锂离子电池的发展贡献自己的一份力量。

参考文献：

[1] Z。李，J。傅，X。周，S。桂，L。魏，杨，李，X。郭，聚合物基固体电解质中的离子传导。Adv。Sci。2023，10，2201718。
[2] Zhang Q，Liu K，Wen Y，et al.基于聚合物和稀土氧化物LLTO/LLZO复合材料的固体锂离子电解质的研究进展.工程报告。2022; 4(1):e12448。
[3] Zeng，D.，Yao，J.，Zhang，L.等.使用富氯硫化物无机固态电解质促进锂基电池良好的界面性能。Nat Commun 13，1909 (2022)。
[4] He，B.，Zhang，F.，Xin，Y.等。全固态电池中固体电解质的卤素化学。Nat Rev Chem 7，826-842 (2023)。

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