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1. 基于安全和能量密度上的優(yōu)勢，固態(tài)電池已成為未來(lái)鋰電池發(fā)展的必經(jīng)之路。
2. 分類(lèi)：液態(tài)/凝膠態(tài)只含有液體電解質(zhì)，半固態(tài)（Half solid）液體電解質(zhì)質(zhì)量百分比<10%，準固態(tài)/類(lèi)固態(tài)（Nearly solid）液體電解質(zhì)質(zhì)量百分比<5%，全固態(tài)（All Solid）不含有任何液體電解質(zhì)。
3. 電解質(zhì)：準固態(tài)電池將以聚合物復合電解質(zhì)為主，薄膜固態(tài)電池以氧化物復合電解質(zhì)為主，全固態(tài)電池以硫化物復合電解質(zhì)為主。
4. 產(chǎn)業(yè)化：2020 年前采用高鎳正極+準固態(tài)電解質(zhì)+硅碳負極實(shí)現 300 Wh/Kg，2025 年前采用富鋰正極+全固態(tài)電解質(zhì)+硅碳/鋰金屬負極電池實(shí)現 400 Wh/Kg，2030 年前燃料/鋰硫/空氣電池實(shí)現 500 Wh/Kg
固態(tài)電池，是一種使用固體正負極和固體電解質(zhì)，不含有任何液體，所有材料都由固態(tài)材料組成的電池。
液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池有 7 大短板
固態(tài)電池相比于傳統的鋰離子電池，實(shí)現了安全與性能雙提升
1）目前安全性最高
2）能量密度高
一是電壓平臺提升，負極金屬鋰，正極高電勢材料，電化學(xué)窗口 5V 以上
二是減輕電池重量，電極間距可以縮短到微米級，內部串聯(lián)后簡(jiǎn)化電池外殼及冷卻系統模塊，提高系統能量密度
三是材料體系范圍大幅提升，對于鋰-硫電池，可阻止多硫化物的遷移，對于鋰-空氣電池，可以防止氧氣遷移至負極側消耗金屬鋰負極。
值得特殊說(shuō)明的是，如果不改變現有正負極體系，單純把液體電解質(zhì)更換為固體電解質(zhì)，是無(wú)法從根本上提升能量密度的。
3）循環(huán)壽命長(cháng)
4）工作溫度范圍寬
5）薄膜柔性化
6）回收方便
7）可快速充電
液態(tài)鋰電池于過(guò)度快充時(shí)會(huì )產(chǎn)生「枝晶」，引發(fā)電池短路而起火爆炸的危險，理論上固態(tài)鋰電池則可避免此危險發(fā)生，當然目前還只是理論。
8）多功能封裝
9）生產(chǎn)效率提高
2. 電池發(fā)展必經(jīng)之路
按照《中國制造2025》確定的技術(shù)目標，2020 年鋰電池能量密度到 300 Wh/kg，2025 年能量密度達到 400 Wh/kg，2030 年能量密度達到 500 Wh/kg。
基于高鎳三元+硅碳負極材料，現有體系的鋰電池的能量密度很難突破 300 Wh/kg。
鑒于安全和能量密度上的優(yōu)勢，固態(tài)電池已成為未來(lái)鋰電池發(fā)展的必經(jīng)之路。
我們認為，2020 年前高鎳正極+準固態(tài)電解質(zhì)+硅碳負極實(shí)現 300 Wh/Kg，2025 年前富鋰正極+全固態(tài)電解質(zhì)+硅碳/鋰金屬負極電池實(shí)現 400 Wh/Kg，2030 年前燃料/鋰硫/空氣電池實(shí)現 500 Wh/Kg，核聚變電池是人類(lèi)社會(huì )終極能源方式，詳情請參考上篇文章《汽車(chē)動(dòng)力電池技術(shù)路線(xiàn)圖——固態(tài)風(fēng)口，核能終結！》
根據結構設計的差別，全固態(tài)鋰電池可分為薄膜型和大容量型。
傳統的液態(tài)鋰電池被人們形象地稱(chēng)為“搖椅式電池”，搖椅的兩端為電池的正負兩極，中間為電解質(zhì)（液態(tài)）。而鋰離子就像優(yōu)秀的運動(dòng)員，在搖椅的兩端來(lái)回奔跑，在鋰離子從正極到負極再到正極的運動(dòng)過(guò)程中，完成電池的充放電過(guò)程。
固態(tài)電池的原理與之相同，只不過(guò)其電解質(zhì)為固態(tài)，具有的密度以及結構可以讓更多帶電離子聚集在一端，傳導更大的電流，進(jìn)而提升電池容量。
電解質(zhì)材料是全固態(tài)鋰電池技術(shù)的核心，電解質(zhì)材料很大程度上決定了固態(tài)鋰電池的各項性能參數，如功率密度、循環(huán)穩定性、安全性能、高低溫性能以及使用壽命，應滿(mǎn)足以下要求：
室溫電導率 >10^(-4) S/cm
電子絕緣（Li+ 遷移數近似為 1）
電化學(xué)窗口寬（> 5.5V vs. Li/Li+）
與電極材料相容性好
熱穩定性好、耐潮濕環(huán)境、機械性能優(yōu)良
原料易得，成本較低，合成方法簡(jiǎn)單
目前固體電解質(zhì)的研究主要集中在三大類(lèi)材料：聚合物、氧化物和硫化物。
5. 聚合物高溫性能好，率先實(shí)現商業(yè)化
聚合物固態(tài)電解質(zhì)(SPE)由聚合物基體(如聚酯、聚酶和聚胺等)和鋰鹽(如LiClO4、LiPF6、LiBF4等)構成，鋰離子以鋰鹽的形式「溶于」聚合物基體(「固態(tài)溶劑」)，傳輸速率主要受到與基體相互作用及鏈段活動(dòng)能力的影響。
在高溫條件下，聚合物離子電導率高，容易成膜，最先實(shí)現了小規模商業(yè)化生產(chǎn)。
目前量產(chǎn)聚合物固態(tài)電池中聚合物電解質(zhì)的材料體系是聚環(huán)氧乙烷（PEO），
室溫電導率一般在 10^(-5) S/cm。
PEO 的氧化電位在 3.8 V，鈷酸鋰、層狀氧化物、尖晶石氧化物等高能量密度正極難以與之匹配，需要對其改性；其次，PEO 基電解質(zhì)工作溫度在 60～85℃, 電池系統需要熱管理；再次，倍率特性也有待提高。
目前聚合物室溫電導率較低以及較低的電壓其大規模產(chǎn)業(yè)化發(fā)展仍有限制。
氧化物固體電解質(zhì)按照物質(zhì)結構可以分為晶態(tài)和非晶態(tài)兩類(lèi)，晶態(tài)電解質(zhì)包括鈣鈦礦型、NASICON型（Na快離子導體）、石榴石型、LISICON型等，玻璃態(tài)(非晶態(tài))氧化物的研究熱點(diǎn)是用在薄膜電池中的 LiPON 型電解質(zhì)和部分晶化的非晶態(tài)材料。
氧化物晶態(tài)固體電解質(zhì)化學(xué)穩定性高，部分樣品可以在 50C 下工作, 循環(huán) 45000 次后, 容量保持率達95%以上。
氧化物的低室溫電導率是主要障礙，目前改善方法主要是元素替換和異價(jià)元素摻雜。
LiPON 是全固態(tài)薄膜電池的標準電解質(zhì)材料，并且已經(jīng)得到了商業(yè)化應用。
7. 硫化物電導率最高，是未來(lái)主要方向
硫化物主要包括 thio-LISICON、LiGPS、LiSnPS、LiSiPS、Li2S-P2S5、Li2S-SiS2、Li2S-B2S3等，室溫離子電導率可以達到10-3~10-2 S/cm，接近甚至超過(guò)有機電解液，同時(shí)具有熱穩定高、安全性能好、電化學(xué)穩定窗口寬(達5V以上)的特點(diǎn)，在高功率以及高低溫固態(tài)電池方面優(yōu)勢突出。
相對于氧化物，硫化物由于相對較軟，更容易加工，通過(guò)熱壓法可以制備全固態(tài)鋰電池，但還存在空氣敏感，容易氧化，遇水容易產(chǎn)生硫化氫等有害氣體的問(wèn)題。
8. 電極材料：固固界面問(wèn)題
電解質(zhì)由液態(tài)換成固體之后，鋰電池體系由電極材料-電解液的固液界面向電極材料-固態(tài)電解質(zhì)的固固界面轉化，固固之間無(wú)潤濕性，界面接觸電阻嚴重影響了離子的傳輸，造成全固態(tài)鋰離子電池內阻急劇增大、電池循環(huán)性能變差、倍率性能差。
正極材料一般采用復合電極，除了電極活性物質(zhì)外還包括固態(tài)電解質(zhì)和導電劑，在電極中起到傳輸離子和電子的作用。
負極材料目前主要集中在金屬鋰負極材料、碳族負極材料和氧化物負極材料三大類(lèi)，其中金屬鋰負極材料因其高容量和低電位的優(yōu)點(diǎn)成為全固態(tài)鋰電池最主要的負極材料之一。
9. 工藝路線(xiàn)：基于目前電池工藝改進(jìn)
相對液態(tài)電池而言，性能更先進(jìn)的固態(tài)電池結構更簡(jiǎn)單，核心構件正極、負極、固態(tài)電解質(zhì)。
至于生產(chǎn)成本，目前遠超三元、磷酸鐵鋰等主流電池，但隨著(zhù)產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程，憑借結構簡(jiǎn)單這一天然優(yōu)勢必會(huì )使制造成本低于目前主流電池。
10. 技術(shù)路線(xiàn)：半固態(tài)→準固態(tài)→全固態(tài)
將已出現的跟固態(tài)鋰電池相關(guān)的概念進(jìn)行了梳理，并進(jìn)行總結。
液態(tài)/凝膠態(tài)鋰電池：電芯在制造過(guò)程中不含有固體電解質(zhì)，只含有液體/凝膠電解質(zhì)的鋰電池。
半固態(tài)（Half solid）鋰電池：電芯電解質(zhì)中，液體電解質(zhì)質(zhì)量百分比<10%。
準固態(tài)/類(lèi)固態(tài)（Nearlysolid）鋰電池：液體電解質(zhì)質(zhì)量百分比<5%，液體電解質(zhì)的質(zhì)量或體積小于固體電解質(zhì)的比例。
全固態(tài)（All Solid）鋰電池：電芯由固態(tài)電極和固態(tài)電解質(zhì)材料構成，不含有任何液體電解質(zhì)。
總結而言，鋰電池根據電解質(zhì)不同可以分為液態(tài)、半固態(tài)、準固態(tài)、全固態(tài)四大類(lèi)，后三種可統稱(chēng)為固態(tài)電池。
2017 年，關(guān)于固態(tài)鋰電池分別有 1198 篇文獻與 117 篇專(zhuān)利，其中 1096 篇文獻集中在金屬鋰負極、固態(tài)電解質(zhì)以及固態(tài)電解質(zhì)與正負極界面等基礎問(wèn)題研究。
在固體鋰電池方面中國發(fā)表的文章數量占據第一位，國際發(fā)明專(zhuān)利方面日本占據一半以上，其中豐田以 26 篇占據了第一位。
豐田專(zhuān)利集中在對硫化物體系固態(tài)電解質(zhì)進(jìn)行研究，以提高電池的能量密度、電導率、循環(huán)壽命、安全性能等性能。
13. 固態(tài)電池：50 年歷史，50 多家研發(fā)團隊
目前，全球范圍內約有 50 多家制造企業(yè)、初創(chuàng )公司和高?？蒲性核铝τ诠虘B(tài)電池技術(shù)。
法國 Bollore
聚合物固態(tài)電解質(zhì)領(lǐng)域領(lǐng)軍企業(yè)，全球首個(gè)固態(tài)電池電動(dòng)車(chē)商業(yè)化的公司
早在2011年10月，Bolloré就開(kāi)始利用自主開(kāi)發(fā)的電動(dòng)汽車(chē)“Bluecar”和電動(dòng)巴士“Bluebus”在法國巴黎及其郊外提供汽車(chē)共享服務(wù)“Autolib”，幾年來(lái)已累計投入了 3000 輛搭載 30 kWh的由 BatScap 制造的固態(tài)電池。
正極材料采用 LFP 和 LixV2O8，負極材料采用金屬鋰，電解質(zhì)采用聚合物（PEO等）薄膜，但其能量密度僅為 100 Wh/kg，而且工作溫度要求 60~80℃，必須持續性將電動(dòng)車(chē)電池加熱至 60°C 以上來(lái)維持電池內部的導電能力。
英國戴森+美國Sakit 3
美國 Sakti3 是全球氧化物固態(tài)電池龍頭
2008 年，密歇根大學(xué)工程學(xué)教授瑪麗·塞思特里創(chuàng )辦了 Sakti3，塞思特里致力于電池技術(shù)的研究已有 20 年，并且擁有 70 余項專(zhuān)利。
2015 年 10 月，被真空吸塵器創(chuàng )新者戴森以 9000 萬(wàn)美金的價(jià)格全資收購，以解決應用在其產(chǎn)品中的可充電鋰離子電池續航時(shí)間不夠長(cháng)、安全性有限的問(wèn)題。
Sakti3 目前存在的最大問(wèn)題是其采用薄膜沉淀工藝的制造技術(shù)，簡(jiǎn)而言之就是將薄膜進(jìn)行一層層的堆積。這就造成其成本居高不下，且在未來(lái)降低成本的可能性也不算太大。
日本 38 家機構聯(lián)合研發(fā)全固態(tài)鋰電池，豐田是龍頭
2018 年 4 月，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省與日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機構（NEDO）宣布啟動(dòng)新一代高效電池“全固體電池”核心技術(shù)的開(kāi)發(fā)。該項目預計總投資 100 億日元（約合 5.8 億元人民幣），豐田、本田、日產(chǎn)、松下等 23 家汽車(chē)、電池和材料企業(yè)，以及京都大學(xué)、日本理化學(xué)研究所等 15 家學(xué)術(shù)機構將共同參與研究，計劃到 2022 年全面掌握全固態(tài)電池相關(guān)技術(shù)。
豐田是現階段硫化物固態(tài)電池龍頭
2010 年，豐田就推出了硫化物固態(tài)電池，2014 年有消息稱(chēng)，豐田實(shí)驗原型固態(tài)電池能量密度已達400 Wh/kg。
2017 年 2 月，豐田固態(tài)電池專(zhuān)利數量已達 30 件，遠超其它企業(yè)。
2017 年 10 月，豐田宣布投入200余人加速研發(fā)固態(tài)電池技術(shù)。同年 12 月，豐田聯(lián)合松下對外宣布，將聯(lián)合開(kāi)發(fā)全固態(tài)電池。
15. 國內五小龍：CATL、江蘇清陶、珈偉股份、贛鋒鋰業(yè)、北京衛藍
CATL
CATL 以硫化物電解質(zhì)為主要研發(fā)方向，采用正極包覆解決正極材料與固態(tài)電解質(zhì)的界面反應問(wèn)題，采用熱壓的方式增強了電解質(zhì)和電極材料之間的接觸，降低了界面電阻，通過(guò)對硫化物進(jìn)行改性，增強了其熱穩定性。
目前容量為 325 mAh能量密度為 300 Wh/kg 的聚合物鋰金屬固態(tài)電池 300 周循環(huán)以上剩余82%。
清陶
清陶發(fā)展由清華大學(xué)南策文院士團隊投資創(chuàng )辦，2002 年開(kāi)始研發(fā)固態(tài)鋰電池；2006 年研發(fā)的 LLTO 固態(tài)電解質(zhì)材料展示出了優(yōu)異的性能；2010 年開(kāi)發(fā)的石榴石結構 LLZO 固態(tài)電解質(zhì)材料工藝成熟。
2018 年 5 月展示了即將量產(chǎn)的清陶固態(tài)電池高安全性測試視頻
珈偉股份
國珈星際是珈偉股份的子公司，技術(shù)路徑是以第二代聚合物鋰離子導體作為固態(tài)電解質(zhì)，以三元材料或磷酸鐵鋰等作為正極，以石墨作為負極。
2018 年 7 月，36Ah 類(lèi)固態(tài)軟包三元材料動(dòng)力鋰離子蓄電池通過(guò)國家機動(dòng)車(chē)質(zhì)量監督檢驗中心強制性檢驗，能量密度達到了 230 WH/kg，循環(huán)次數達 4000 次，72v 系統可用在電摩上，價(jià)格大約 1.5 元/wh。
贛鋒鋰業(yè)+中科院材料所
2017 年 8 月 18 日，贛鋒鋰業(yè)引入許曉雄博士（科技部新能源全固態(tài)鋰離子儲能電池負責人）等一批中科院的技術(shù)團隊。
2017 年 12 月 5 日，贛鋒鋰業(yè)（002460）發(fā)布公告，將設立全資子公司浙江鋒鋰，以自有資金不超過(guò) 2.5 億元投資建設一條年產(chǎn)億瓦時(shí)級的第一代固態(tài)鋰電池研發(fā)中試生產(chǎn)線(xiàn)，項目建設期 2 年。
2018 年 6 月 30 日，第一代固態(tài)鋰電池技術(shù)指標達到：?jiǎn)误w容量 10Ah，能量密度不低于 240 Wh/kg，1000 次循環(huán)后容量保持率大于 90%，電池單體具備 5C 倍率的充放電能力，同時(shí)電池研制品通過(guò)第三方機構安全檢測。
北京衛藍+中科院物理所
2016 年 8 月，北京衛藍新能源成立，依托中國科學(xué)院物理研究所，專(zhuān)注于下一代固態(tài)鋰電池研發(fā)與生產(chǎn)。
目前，北京衛藍已經(jīng)研發(fā)并掌握了固態(tài)電池技術(shù)領(lǐng)域的多項關(guān)鍵性技術(shù)，包括金屬鋰表面處理、原位形成SEI膜技術(shù)、固態(tài)電解質(zhì)、鋰離子快導體制備技術(shù)以及高電壓電池集成技術(shù)、陶瓷膜優(yōu)化技術(shù)和集流體解決方案。
固態(tài)電池商業(yè)化條件如下：
1）正極材料LFP、NCM、富鋰等產(chǎn)業(yè)化
2）負極材料硅碳、金屬鋰產(chǎn)業(yè)化
3）固態(tài)電解質(zhì)聚合物、硫化物、氧化物成熟
4）界面問(wèn)題解決
我們認為，2020 年前采用高鎳正極+準固態(tài)電解質(zhì)+硅碳負極實(shí)現 300 Wh/Kg，2025 年前采用富鋰正極+全固態(tài)電解質(zhì)+硅碳/鋰金屬負極電池實(shí)現 400 Wh/Kg，2030 年前采用燃料/鋰硫/空氣電池實(shí)現 500 Wh/Kg，核聚變電池是人類(lèi)社會(huì )終極能源方式。
