下一代动力电池技术：固态锂离子电池技术前景几何？
发布日期：2023-09-22 11:36:39 浏览次数：3 评论：0
导读
固态锂离子电池被认为是破解传统锂离子电池能量密度和安全性“魔咒”的下一代动力电池技术，一旦突破产业化障碍，有望颠覆传统锂离子电池产业，可能极大冲击传统电解液和隔膜产业链，进一步对正负极材料及其上下游产业链产生影响
中国石化很早就开始关注新能源汽车及锂离子电池产业发展态势并提前布局
作为核心组件，固态电解质很大程度上决定了固态锂离子电池关键性能指标。可以说，固态锂离子电池能否实现产业化与固态电解质能否实现产业化突破息息相关。目前，全固态电池尚有多个技术难点亟须突破，半固态电池是现阶段更为现实的方案。当前，全球约有50余家企业致力于固态电池的技术开发。总体而言，日韩处于技术领先地位，欧美企业广泛布局，国内少数企业掌握部分核心技术
自1991年日本索尼公司推出第一款商用锂离子电池后，锂离子电池在全球范围内迅速普及，很快成为便携式电子产品的首选。随着全球新能源汽车的蓬勃发展，作为“三电”（电池、电机和电控）核心的锂离子电池迎来重大发展机遇，而传统电池能量密度不足带来的“里程焦虑”、安全性能不足带来的“安全焦虑”等问题也愈发凸显，已成为限制新能源汽车快速发展的障碍。固态锂离子电池（以下简称“固态锂电池”），由于其优异的安全性能和高能量密度，被认为是破解当前锂离子电池“魔咒”的下一代动力电池解决方案。
固态锂电池被认为是下一代动力电池技术
随着汽车电动化与能源体系变革的加速推进，全球新能源汽车发展势头迅猛。根据《中国新能源汽车行业发展白皮书（2023）》统计，2022年全球新能源汽车销售量达1082.4万辆，同比增长61.6%。我国新能源汽车销量达688.7万辆，动力电池累计装车量294.6吉瓦时（GWh），同比增长90.7%。动力电池产值规模超千亿，催生了多个独角兽企业，包括市值过万亿的宁德时代（证券代码：300750）。随着新能源汽车快速崛起，对动力锂离子电池需求将持续增长，预计到2030年全球锂离子电池产能将达到7亿太瓦时（TWh）。
传统锂离子电池主要由正极、负极、电解液、隔膜等组成，主要靠锂离子（Li+）在正负极之间的定向移动实现电池的充放电。常用的电池正极材料包括磷酸铁锂、镍钴锰三元材料、镍钴铝三元材料，负极材料主要为天然和人造石墨，隔膜材料主要是以聚乙烯、聚丙烯为基材的涂覆膜，电解液体系主要是以碳酸乙烯酯、碳酸二甲（乙）酯等有机液为溶剂、六氟磷酸锂等锂盐为溶质及特定功能的添加剂等组成。当前，动力锂离子电池的正极材料以磷酸铁锂和镍钴锰三元材料为主，负极材料以人造石墨为主。目前，主流磷酸铁锂电池能量密度在200瓦时/千克（Wh/kg）以下，三元锂电池能量密度在200至300瓦时/千克，已接近当前电池电化学体系上限。
中国石化很早就开始关注新能源汽车及锂离子电池产业发展态势并提前布局。2010年，国务院国资委牵头成立“中央企业电动车产业联盟”，中国石化是16家发起单位之一。2018年，集团公司党组提出应对“四大革命”，其中“电动革命”即指新能源汽车和锂电池的快速发展可能对燃油车及传统化石能源带来颠覆式冲击。围绕锂离子电池核心材料，中国石化也进行了一系列布局：扬子石化攻克了特高分子量聚乙烯专用料技术、填补了国内空白，是国内市场综合性能最优的隔膜原材料之一；金陵石化与资本公司联合通过合资合作布局针状焦和高端石墨，年产5万吨煅后针状焦、1.86万吨负极材料的装置已完成中交。此外，在三元正极材料前驱体、掺硅负极材料、高性能电解液的研发等方面也取得了良好进展。
电解液作为传统锂离子电池的“血液”，对电池容量、工作温度范围、循环性能及安全性等有重要影响。目前锂离子电池多采用液态有机物和锂盐作为电解液，液体溶剂多数沸点和闪点较低，在较低温度下即会闪燃，一旦漏液或者热失控极容易着火或爆炸，带来“安全焦虑”。同时，液态电解液体系限制了高电压正极材料的使用，进一步限制电池能量密度提升，由此带来“里程焦虑”。大量研究表明，传统锂离子电池能量密度越高，稳定性往往越差，潜在的安全隐患也越大：提高电池能量密度往往需要使用高镍正极材料，而镍对液态电解质的分解催化作用很强，镍含量越高，可引发的电解液副反应就越多，放热量越大，从而进一步诱导更多副反应，最终引发热失控，这也是多数动力锂电池发生安全事故的根本原因。
固态锂电池被认为是破解传统锂离子电池能量密度和安全性“魔咒”的下一代动力电池技术。与传统锂离子电池最大的不同在于，固态锂电池采用固体电解质替代传统电解液体系和隔膜，有望显著提升电池安全性、能量密度和使用寿命，已经成为全球产业链相关企业重点布局方向之一，多个国家将其列为重点发展产业并明确了发展规划和目标。我国很早即制定了动力电池发展路线图：到2025年动力电池单体能量密度400瓦时/千克，系统能量密度300瓦时/千克，电池寿命3500次/12年；到2030年时单体能量密度达500瓦时/千克，系统能量密度350瓦时/千克，电池寿命4000次/12年，开发本征安全的全固态电池。近日，工信部等六部门联合印发《关于推动能源电子产业发展的指导意见》（工信部联电子〔2022〕181号），在“新型储能电池产品及技术供给能力提升行动”中明确提出推进固态电池研发和应用，固态锂电池进入快速发展期。
固态锂电池的正负极材料与目前锂离子电池大致相同，区别主要在电解质和电解液。根据电池中电解液含量不同，可将固态锂电池分为半固态、准固态和全固态。根据所用固态电解质不同，又可分为聚合物固态电池、硫化物固态电池、氧化物固态电池。聚合物电解质主要由聚合物基体与锂盐构成，具有高温时离子电导率高、易于加工、电解质/电极的界面阻抗可控等优点，是最早产业化的技术路线。其主要缺点在于低温时离子电导率低。氧化物电解质室温电导率相对较高、电化学稳定性好、循环性能良好，但电解质与正负极材料界面接触差导致界面阻抗高；硫化物电解质的室温电导率最高，但电解质与电极材料界面稳定性较差，电解质易氧化。
在半固态电池领域，日韩领先、欧美广泛布局，国内少数企业掌握部分核心技术