2024年固态电池行业分析：产业化进程加速材料体系迎来变革（附）

　　固态电池凭借其高安全性、高比能量优势，有望m6米乐官网 米乐M6平台入口成为下一代动力电池技术突破的关键。锂 离子电池主要分为液态与固态电池两种类型，液态锂电池包括液态电池、凝胶电解质电池， 固态锂电池包括半固态、准固态、全固态电池三种。其中，半固态锂电池（液体含量 5-10wt%） 通过减少液态电解质含量、增加固态电解质的方式，兼具安全性、能量密度和经济性，有 望成为当下液态电池向全固态电池过渡的最优选择；而准固态锂电池中液态电解质占比进 一步减少，全固态锂电池则由固态电解质完全取代原有的电解液和隔膜，有望成为液态锂 电池的终极形态。

　　受材料体系影响，传统液态锂电池存在热失控风险。传统的锂离子电池由正极材料、负极 材料、电解液和隔膜组成，其中锂离子在正极和负极之间来回移动实现充放电过程，电解 液的作用是充当锂离子的迁移通道，隔膜的作用是隔绝正负极以防止短路。受材料体系影 响，在各种诱因作用下，液态电池容易出现热失控现象，进而引发电池着火和爆炸。通常 电池热失控是从电芯内的负极 SEI 膜分解开始，继而隔膜分解熔化，导致负极与电解液发 生反应，随之正极和电解质发生分解，从而引发大规模的内短路，造成电解液燃烧，进而 蔓延到其他电芯，造成严重的热失控，甚至起火爆炸。

　　液态锂电池材料选择受限，能量密度上限或在 350Wh/kg 左右。电池能量密度的提升核心 取决于对正负极活性材料的选择，理论上要选择更高比容量的活性物质，但由于液态电解 质电化学窗口较窄，高压高比容量的正极材料存在不稳定性，锂金属负极容易形成锂枝晶 刺穿隔膜，形成电池短路造成安全隐患。当前液态高镍三元锂离子电芯能量密度理论极限 或在 350Wh/kg 左右，在现有材料体系下，能量密度提升难有较大突破。

　　半固态电池突破传统液态电池能量密度上限。我国领先的固态电池厂商清陶能源与卫蓝新 能源，通过半固态电池技术，分别将电池能量密度做到了 368Wh/kg 和 360Wh/kg 并成功 装车。

　　固态电解质结构稳定，大幅降低热失控风险。固态电池的运行原理与液态电池相同，即离 子在正负极之间来回移动实现充放电过程，而固态电解质将取代液态电解液和隔膜，作为 锂离子的迁移通道并起到隔绝电极的作用。固态电解质本身结构稳定，具有不可燃、无腐 蚀、无挥发等特性，同时能够抑制锂枝晶生长，大幅降低热失控风险、提升电池安全性。

　　固态电解质兼顾高比容量正负极材料，能量密度有望进一步提升。由于固态电解质电化学 窗口更宽（5V），可以兼具更高电势和更低还原电位的正负极材料，适配硅基、锂金属 负极等材料（硅基负极理论容量高达 3580mAh/g，远高于石墨负极的 372mAh/g）。同时， 固态电池结构更加简单，电芯内部可实现先串联后封装，减少封装材料的使用，在相同体 积下，电池能量密度进一步提升，全固态电池能量密度有望达到 500Wh/kg 以上。

　　锂电池电解质应满足以下要求：1) 锂离子电导率：作为电解质，其必须具有优异的离子导电性和电子绝缘性，使其 发挥离子传输介质的功能，同时减少本身的自放电；2) 离子迁移数：锂电池内部输运电荷依赖离子的迁移，高离子迁移数可减小电极反 应时的浓差极化，使电池产生高的能量密度和功率密度。理想的锂离子迁移数应 尽量接近 1；3) 稳定性：电解质与电极直接接触时,应尽量避免副反应的发生，这就要求电解质要 具备一定的化学稳定性和热稳定性；4) 机械强度：锂离子电池电解质需要有足够高的机械强度以满足电池的大规模生产 包装过程；5) 力学性能：由于与正负极直接接触，聚合物锂电池电解质应该具有较强的韧性， 在电池组装、储存以及使用过程中能够去承受应力的变化，不能发生脆裂。同时 作为隔膜使用，也要具有相当的机械强度去抑制锂枝晶的产生与刺穿，防止正负 极的短路。

　　电解质可分为聚合物固态和无机固态，主流四条固态电解质材料路线各有所长。根据固态 电解质的材料不同，主要可以分为聚合物、氧化物、硫化物和卤化物体系。其中，聚合物 电解质起步早，其具有良好的界面相容性和机械加工性，但常温离子电导率低（10-6S/cm）， 限制其大规模应用；氧化物电解质目前发展进度较快，其稳定性好、电化学窗口宽、机械强度高，但界面相容性差、电导率一般且加工困难；硫化物电解质最具发展潜力，其电导 率高，但化学稳定性差、成本高加工难度大；卤化物电解质具备高柔韧性、易加工、氧化 电位较高等优势，但与负极兼容性低，电导率需进一步提升。

　　聚合物电解质仅由聚合物和锂盐复合而成。固体聚合物电解质（SPE）的研究始于 1973 年 Wright 等人对聚氧化乙烯（PEO）与碱金属离子络合物导电性的发现，由于聚合物具 有质轻、成膜性好、黏弹性和稳定性均较好等优点，加上在基础研究方面的重要意义，使 这一研究有了迅速发展。聚合物易加工，但电导率低。聚合物电解质因为其本身的高弹性和柔韧性，通常具备较高 的弹性模量和良好的界面接触性能，即使在充放电过程中电极体积发生变化也能适应，且 能有效抑制锂枝晶的形成。有助于在电池的长期循环使用中维持低界面阻抗，从而增强固 态锂电池的稳定性和可靠性。此外，聚合物基固态电解质还具有质轻、成本低、对温度等 环境条件不苛刻的特点，适宜规模化生产。但聚合物电解质室温下离子导电率低，需加热 至 60℃以上，热稳定性有限，再加上高压稳定性较差、材料常温电导率低等问题，电池 能量密度难以继续提升。

　　常用的聚合物基体有聚氧化乙烯(PEO)、聚丙烯腈(PAN)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯基 吡咯烷酮(PVP)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。国内外对聚合物电解质研究最多、最广泛 的是聚氧化乙烯（PEO）类聚合物电解质，但由于 PEO 的结晶性，其室温离子电导率很 低，为 10-7～10-8 S/cm 数量级。

　　氧化物电解质是含有锂、氧以及其他成分（磷/铝/铜/锗/锌/锆）的化合物。传统的氧化物 固体电解质包括 Li2O·xAI203、钙钛矿型、石榴石型、NASICON 型、LISICON 型和非晶 态氧化物。当前市场应用较多的为石榴石型（LLZO 为代表）和 NASICON 型（LATP 为 代表）。

　　兼具电导率和稳定性，较多玩家选择此路线。氧化物电解质导电性和稳定性好、电化学稳 定窗口宽、机械强度高。氧化物电解质离子电导率比聚合物电解质更高，热稳定性可达 1000℃，可以与高电压正极材料匹配。氧化物电解质各方面的性能表现较为均衡，较多玩 家采用此路线。目前我国领先的半固态电池路线基本围绕氧化物+聚合物复配的技术路线 硫化物：高电导率和化学窗口，加工成本高难米乐M6 米乐平台度大