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          固態(tài)電池大幅提升電池安全,固態(tài)電池優(yōu)缺點(diǎn)分析

          固態(tài)電池大幅提升電池安全,打破液態(tài)電池能量密度瓶頸。固態(tài)電池采用固態(tài)電解質(zhì),部分或全部替代液態(tài)電解質(zhì),可大幅提升電池的安全性、能量密度,是現(xiàn)有材料體系長(zhǎng)期潛在技術(shù)方向。依據(jù)電解質(zhì)分類,電池可細(xì)分為液態(tài)(25wt%)、半固態(tài)(5-10wt%)、準(zhǔn)固態(tài)(0-5wt%)0

          一、固態(tài)電池:大幅提升電池安全,打破能量密度瓶頸
          液態(tài)電池中,有機(jī)溶劑具有易燃性,且抗氧化性較差,目前已接近能量密度上限。鋰離子電池目前基本采取液態(tài)電解質(zhì),由溶劑、鋰鹽、添加劑組成,起到輸送離子、傳導(dǎo)電流的作用。但液態(tài)電解質(zhì)中,有機(jī)溶劑具有易燃性、高腐蝕性,同時(shí)抗氧化性較差、無(wú)法解決鋰枝晶問(wèn)題,因此存在熱失控風(fēng)險(xiǎn),也限制了高電壓正極、鋰金屬負(fù)極等高能量材料的使用,預(yù)計(jì)理論能量密度上限為300Wh/kg。
          固態(tài)電池大幅提升電池安全,打破液態(tài)電池能量密度瓶頸。固態(tài)電池采用固態(tài)電解質(zhì),部分或全部替代液態(tài)電解質(zhì),可大幅提升電池的安全性、能量密度,是現(xiàn)有材料體系長(zhǎng)期潛在技術(shù)方向。依據(jù)電解質(zhì)分類,電池可細(xì)分為液態(tài)(25wt%)、半固態(tài)(5-10wt%)、準(zhǔn)固態(tài)(0-5wt%)和全固態(tài)(0wt%)四大類,其中半固態(tài)、準(zhǔn)固態(tài)和全固態(tài)三種統(tǒng)稱為固態(tài)電池。車企采用固態(tài)電池,安全性為短期驅(qū)動(dòng)因素,能量密度為長(zhǎng)期驅(qū)動(dòng)因素。
          二、高安全性:固態(tài)電解質(zhì)不可燃燒,大幅降低熱失控風(fēng)險(xiǎn)
          隨著電池能量密度的日益提升,電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。從熱失控角度看,電池應(yīng)在低于60℃運(yùn)行工作,但由于內(nèi)部短路、外部加熱、機(jī)械濫用等因素,使電池溫度升至90℃,此時(shí)負(fù)極表面的SEI膜開(kāi)始溶解,造成嵌鋰碳直接暴露在電解液中,二者發(fā)生反應(yīng)迅速放熱,產(chǎn)生大量可燃?xì)怏w,隔膜進(jìn)而熔化,電池形成內(nèi)短路,溫度迅速升高至200℃,促使電解液氣化分解、正極分解釋氧,電池發(fā)生劇烈燃燒或爆炸。
          固態(tài)電池具備本質(zhì)安全性,為車廠短期主要考量因素。1)不可燃性、熱穩(wěn)定性:液態(tài)電解質(zhì)易燃、易揮發(fā),分解溫度約200℃(隔膜160℃),并存在腐蝕和泄露的安全隱患。而固態(tài)電解質(zhì)具有不可燃、無(wú)腐蝕、無(wú)揮發(fā)等特性,分解溫度大幅提升,可在更高倍率和更高溫度運(yùn)行,同時(shí)內(nèi)部無(wú)液體不流動(dòng),電池可承受穿釘、切開(kāi)、剪開(kāi)、折彎,從而大幅降低熱失控風(fēng)險(xiǎn)。2)鋰枝晶:液態(tài)電池中,鋰枝晶的生長(zhǎng)容易刺破隔膜,從而造成短路,而固態(tài)電解質(zhì)具備高機(jī)械強(qiáng)度,鋰枝晶生長(zhǎng)緩慢且難刺透,進(jìn)而提升電池安全性能。
          三、高能量密度:兼容高比容量正負(fù)極,大幅提升能量密度
          固態(tài)電解質(zhì)兼容高比容量的正負(fù)極,大幅提升電池的能量密度,為車廠長(zhǎng)期主要考量因素。固態(tài)電池在兼顧安全性的基礎(chǔ)上,可實(shí)現(xiàn)能量密度的突破,液態(tài)電池可達(dá)250Wh/kg+,半固態(tài)可達(dá)350Wh/kg+,準(zhǔn)固態(tài)可實(shí)現(xiàn)400Wh/kg+,全固態(tài)可突破500Wh/kg,從而提升續(xù)航水平,有望解決電動(dòng)車?yán)锍?、安全兩大核心痛點(diǎn)。
          材料端看:固態(tài)電解質(zhì)本身不能提升能量密度,但由于具備更穩(wěn)定、更安全,電化學(xué)窗口寬(5V以上)等性質(zhì),因此可以兼容高比容量的正負(fù)極,比如高電壓正極、富鋰錳基、硅負(fù)極、鋰金屬負(fù)極等材料,進(jìn)而大幅提升電芯能量密度;結(jié)構(gòu)端看:固態(tài)電解質(zhì)將電解液的隔膜功能合二為一,大幅縮小正負(fù)極間距,從而降低電池厚度,因此提升電芯能量密度;
          Pack端看:固態(tài)電解質(zhì)的非流動(dòng)性,可以實(shí)現(xiàn)電芯內(nèi)部的串聯(lián)、升壓,可以降低電芯的包裝成本,并提升體積能量密度。固態(tài)電解質(zhì)的安全性,可以減少系統(tǒng)熱管理系統(tǒng)需求,成組效率大幅提升,從而提升Pack能量密度。
          四、缺點(diǎn):離子電導(dǎo)率低,循環(huán)壽命差,制約商業(yè)化進(jìn)程
          固態(tài)電池界面為固-固接觸,離子電導(dǎo)率低、界面穩(wěn)定性差,存在循環(huán)、快充等問(wèn)題,制約其商業(yè)化進(jìn)程。
          材料端離子電導(dǎo)率低:固態(tài)電池中,電極與電解質(zhì)之間的界面接觸由固-液接觸變?yōu)楣?固接觸,由于固相無(wú)潤(rùn)濕性,因此接觸面積小,形成更高的界面電阻。同時(shí)固體電解質(zhì)中有大量的晶界存在,且晶界電阻往往高于材料本體電阻,不利于鋰離子在正負(fù)極之間傳輸,從而影響快充性能和循環(huán)壽命;
          循環(huán)壽命差:固-固接觸為剛性接觸,對(duì)電極材料體積變化更為敏感,循環(huán)過(guò)程中容易造成電極顆粒之間以及電極顆粒與電解質(zhì)接觸變差,造成應(yīng)力堆積,導(dǎo)致電化學(xué)性能衰減,甚至導(dǎo)致裂縫的出現(xiàn),造成容量迅速衰減,導(dǎo)致循環(huán)壽命差的問(wèn)題。
          五、高成本:固態(tài)電解質(zhì)含稀有金屬,成本明顯高于液態(tài)電池
          固態(tài)電池成本高于液態(tài)電池,主要體現(xiàn)在固態(tài)電解質(zhì)和正負(fù)極。固態(tài)電解質(zhì)目前難以輕薄化,用到的部分稀有金屬原材料價(jià)格較高,氧化物電解質(zhì)含鋯、硫化物電解質(zhì)含鍺,疊加為高能量密度使用的高活性正負(fù)極材料尚未成熟,銅鋰復(fù)合帶價(jià)格1萬(wàn)元/kg,全固態(tài)對(duì)生產(chǎn)工藝、成本和質(zhì)量控制也提出了更嚴(yán)苛的要求,生產(chǎn)設(shè)備替換率大,全固態(tài)電池成本預(yù)計(jì)明顯高于現(xiàn)有液態(tài)電池。
          六、逐級(jí)迭代:固態(tài)電解質(zhì)→新型負(fù)極→新型正極
          固態(tài)電池技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用預(yù)計(jì)將呈現(xiàn)梯次滲透趨勢(shì)。預(yù)計(jì)液態(tài)電池到固態(tài)電池的技術(shù)迭代路徑大致遵循“固態(tài)電解質(zhì)→新型負(fù)極→新型正極”順序。
          階段一:引入固態(tài)電解質(zhì),保留少量電解液,正負(fù)極仍為三元+石墨/硅負(fù)極,并采用負(fù)極預(yù)鋰化等技術(shù)提高能量密度;
          階段二:用固態(tài)電解質(zhì)逐步至完全取代電解液,用金屬鋰取代石墨/硅負(fù)極,正極仍為三元材料;
          階段三:逐漸減薄固態(tài)電解質(zhì)的厚度,并用硫化物/鎳錳酸鋰/富鋰錳基等材料取代正極。
          七、半固態(tài):兼具安全、能量密度與經(jīng)濟(jì)性,率先進(jìn)入量產(chǎn)階段

          半固態(tài)電池通過(guò)減少液態(tài)電解質(zhì)含量、增加固態(tài)電解質(zhì)涂覆,兼具安全性、能量密度和經(jīng)濟(jì)性,率先進(jìn)入量產(chǎn)階段。全固態(tài)電池工藝并不成熟,仍處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段,而半固態(tài)電池已經(jīng)進(jìn)入量產(chǎn)階段。半固態(tài)電池保留少量電解液,可以緩解離子電導(dǎo)率問(wèn)題,同時(shí)使用固化工藝,將液態(tài)電解質(zhì)轉(zhuǎn)化為聚合物固態(tài)電解質(zhì),疊加氧化物固態(tài)電解質(zhì)涂覆正極/負(fù)極/隔膜,提升了電池的安全性/能量密度,同時(shí)兼容傳統(tǒng)鋰電池的工藝設(shè)備,達(dá)到更易量產(chǎn)較低成本的效果,預(yù)計(jì)半固態(tài)電池規(guī)?;慨a(chǎn)后,成本比液態(tài)鋰電池高10-20%。

          想了解更多固態(tài)電池相關(guān)資訊和內(nèi)容,請(qǐng)關(guān)注中研網(wǎng)2023-2028年中國(guó)固態(tài)電池行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)與投資研究報(bào)告。

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