我们会被国外的"全固态电池"弯道超车吗？
固态电池是使用固体材料作为传输电的锂离子来回移动的电解质，具有不泄漏、热稳定性好、不挥发，低自燃等优点，并且更大的能量密度和更高的安全性使其成为具有广泛应用前景的下一代储能技术。 固态电池没有隔膜，所以固态电解质既要传导离子又需具备隔膜功能，为了普及固态电池，开发具有高离子电导率的固体电解质非常重要。目前主要关注的固态电解质有硫化物、氧化物、聚合物三种电解质。
硫化物固态电解质的离子电导率最高，已相当接近传统液态电解质的水平，并且具备机械性能好、晶界阻抗低等优点。但是硫化物易于水汽反应产生硫化氢有毒气体，破坏结构和性能衰退，使其开发难度最大，生产环境要求严苛，制约了硫化物电解质的生产和应用。 氧化物电解质的离子电导率较低于硫化物电解质，并且具备致密形貌和较高的机械强度，但形变能力和柔软性较差，电解质片易碎裂，这些问题制约了氧化物电解质的应用和发展。 聚合物固态电解质是由聚合物基体和锂盐构成。具备质量较轻，弹性较好、机械加工性能优良等优势，被受到广泛的关注。但是聚合物电解质室温下离子导电率较低，需加热至60度以上，并且较柔软，有锂枝晶穿透造成短路的风险，热稳定性有限，耐受电压较低等缺点，因此限制了聚合物电解质的应用。 1.固态电池的正极材料可以沿用传统液态锂离子电池材料体系，如三元材料、磷酸铁锂等正极材料。这些已经成功商业化的正极材料使用，可以节约固态电池的成本。 2.固态电池的负极材料则采用金属锂，金属锂由于具有高的理论比容量和低的电化学电势，被认为是锂电池理想的负极材料。并且不像液态电解质产生理枝晶生长现象，因此进行固态电池研究时，均较多聚焦于金属锂负极。 1.固态电池具备能量密度高优势，相同体积和质量的情况下，能够提高电芯容量，金属锂比容量高，接近石墨负极的十倍，采用金属锂能满足更高的能量密度需求；固态电池还没有液体泄漏风险，熔点沸点较高、不易燃、耐高温、无腐蚀、不挥发，能承受碰撞和挤压等极端情况，具备非常高的安全性能；此外还能解决sei膜持续生长，过度金属溶解等问题，大大提升电池的循环性能和使用寿命。 2.固态电池的主要问题之一是固固界面问题。固态电池中的界面既有物理接触，也有化学接触，由于固体接触面的浸润程度变低，充放电过程中容易因反应而使接触电阻升高，热量增加。此外，在传输过程中，形成的电阻膜降低输出密度，因此需要在界面处采取涂层措施。 近年，锂离子电池安全事故频发，迫使行业寻找解决方案，固态电池的概念应运而生。一般来说，依据电解质分类，锂电池可分为液态、半固态、准固态和全固态四大类，其中半固态、准固态和全固态三种统称为固态电池。 目前，固态电池的技术发展采用逐步转化策略，即液态电解质含量逐步下降，最终向全固态电池演进。纵观固态电池发展至今，大致分为三个重要阶段： 1972年，当时SCROSATI B首次报道了一种采用LiI为电解质的固态电池。 1983年，日本东芝公司宣布开发一款可实用的Li/TiS2薄膜全固态电池。 1987年，中国科技部将固态电池列为第一个“863”计划重大专题。 1992年，美国BATES成功开发了一种无机薄膜固态电解质LiPON，并研制出多种材料体系的薄膜全固态电池。 1998年，Brike报道了关于以氧化物为固体电解质的固态电池研究成果。 2005年，日本KANAMURA小组开始设计以钙钛矿结构Li-La-Ti-O材料为固态电解质的全固态电池。 2011年，法国最大的电动汽车项目运营商博洛雷集团，正式推出了“Autolib”乘用车，这是世界上首次用于EV的商业化固态电池案例。 2012年，美国苹果公司开始布局固态电池的应用研发；同年，中国科技部将固态储能锂电池列入“十二五”的“863”计划进行支持。 2017年，锂电池发明人JOHN GOODENOUGH提出了玻璃状介质技术，开始为全固态电池商业化、量产化做准备。 2018年，中国科技部将对动力及储能应用的固态电池列入国家重点研发计划进行支持。 2020年，Bollore与奔驰联合进行搭载44KWh金属锂聚合物电池的公共汽车研发；同年，Quantum Space宣布将于2026年开发出有20GWh产能的固态电池生产线。 2021年，本田宣布固态电池将于2030年实现商业化量产；同年，中国科学技术大学研发出的新材料氯化锆锂，突破了固态电解质材料生产成本和综合性能难以兼得的重大瓶颈；哈佛大学研究团队在《Nature》上发表的论文表示新型固态电池可重复使用1万次，充电速度最快达3分钟。 长远角度来看，全固态电池的普及还不甚明朗。虽然它也可以兼容液态锂电池正、负极材料、电极极片制备等工艺流程，但还需要诸多额外工艺，技术瓶颈很高。所以，当下市场显然对半固态电池更有信心一些，尤其国内市场，半固态电池量产进度很快。 产业布局方面，电池企业、学术初创企业以及汽车企业等都在积极推动半固态电池的研发和产业化进程，部分企业及进展如下： 
商业应用方面，东风、蔚来等车企也已开始着手布局其中，部分车企及进展如下： 
除国内进展外，全球第三大动力电池生产商LG新能源计划在2026年实现半固态电池商业化，并宣布将在韩国本土建立半固态电池基地。而美国电池开发商SES也在近期宣布，已与一家车企签署半固态电池B样品协议，有望在2025年实现量产。 最近，大众汽车和Quantum Scape合作开发进展不顺，转而与法国固态电池供应商Blue Solutions寻求合作的事件，被业界认为是全固态电池产业化进程并不顺利的信号之一 。 对此，真锂研究创始人墨柯老师认为，全固态电池赛道发展确实存在不小的挑战，当务之急就是解决界面问题。与液态电池中的固-液界面不同，固态电解质与电极之间是固–固界面，这会带来两个重要挑战：第一：电极和电解质之间为点接触，容易产生裂缝和气孔，限制界面处锂离子传输；第二，界面处的(电)化学副反应导致固–固界面稳定性降低，增大界面阻抗。 与全固态电池技术体系不同的是，半固态电池仍含有电解液，“这和现有电解液技术一脉相承”，因此，半固态电池成为现阶段最现实的技术方案。且预计随着蔚来等车企批量搭载半固态电池，今年半固态电池赛道的关注度将进一步提升。 当然，全固态电池依然是产业进阶的终极目标，只是在此路途中，会面临诸多挑战，也会涌现出无数机遇。尤其对电解质企业来说，只有完全摒除过往技术经验和思路的“断臂”勇气，才能在下一代电池技术中获得“求生”力量。“这种情况下，某些新入局的企业或许更有优势，老电解质企业也要尽 总的来说，2024将是半固态电池大放异彩的一年，产业内相关企业需认准时机，拥抱风口。您认为半固态电池今年在应用层是否会迎来飞跃式发展？全固态电池距离我们又有多遥远？ 固态电池在能量密度和安全性能方面有较大优势。目前固态电池产业化条件尚未成熟，诸多困难仍需挑战克服。在未来，有望迎来固态电池的快速发展。 ©文章来源于固态电池SSB
来源：锂电那些事
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首次发布时间：2024-02-01
最近编辑：10月前
