固態(tài)鋰電池指電池電解質(zhì)部分采用固態(tài)材料的鋰二次電池。固態(tài)電池與傳統(tǒng)鋰離子電池不同在于固態(tài)電池以固態(tài)電解質(zhì)替代了傳統(tǒng)鋰離子電池的電解液、電解質(zhì)鹽、隔膜。

固態(tài)鋰電池具有兩方面潛在優(yōu)勢

一、安全性高。采用有機(jī)電解液的傳統(tǒng)鋰離子電池,在過度充電、內(nèi)部短路等異常情況下容易導(dǎo)致電解液發(fā)熱,有自燃甚至爆炸的危險。而全固態(tài)鋰電池基于固態(tài)材料不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液問題;

二、能量密度高。固態(tài)電解質(zhì)無需隔膜與電解液,可以節(jié)約近40%的體積和25%的質(zhì)量。如果配套新的正負(fù)極材料(鋰金屬負(fù)極)可以使得電化學(xué)窗口達(dá)到5V以上,有望將能量密度提高至500Wh/Kg。

此外,固態(tài)電池還具有循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬、可快速充電等優(yōu)點。

固態(tài)鋰離子電池與傳統(tǒng)鋰離子電池對比

資料來源：恒大研究院

固態(tài)電池分類

按照電解質(zhì)材料的不同,固態(tài)電池可以分為聚合物、氧化物和硫化物三大體系。其中聚合物電解質(zhì)屬于有機(jī)電解質(zhì),氧化物和硫化物屬于無機(jī)陶瓷電解質(zhì)?？傮w來說,聚合物電解質(zhì)技術(shù)最成熟,已經(jīng)率先實現(xiàn)小規(guī)模量產(chǎn),但是理論能量密度不及其他兩類電解質(zhì);氧化物電解質(zhì)性能優(yōu)于聚合物電解質(zhì),但薄膜型氧化物電池容量較小、只能應(yīng)用于消費類電子領(lǐng)域,非薄膜型氧化物電池技術(shù)相對還不夠成熟;硫化物電解質(zhì)理論上最適合于電動汽車領(lǐng)域,但是開發(fā)難度最大。

按照正負(fù)極材料的不同,固態(tài)電池還可以進(jìn)一步分為固態(tài)鋰離子電池(沿用當(dāng)前鋰離子電池材料體系,如石墨+硅碳負(fù)極、三元正極等)和固態(tài)鋰金屬電池(以金屬鋰為負(fù)極)。由于固態(tài)鋰離子電池與當(dāng)前的電池體系最為接近,日韓本身又擁有成熟的鋰電產(chǎn)業(yè)鏈,因此目前日韓企業(yè)大多采用硫化物+固態(tài)鋰離子電池的路線。而歐美初創(chuàng)企業(yè)則立足于顛覆性的技術(shù),大多采用聚合物/氧化物+固態(tài)鋰金屬電池的路線。

固態(tài)電池分類

資料來源：恒大研究院

固態(tài)電池專利現(xiàn)狀

從數(shù)量上來看,固態(tài)電池領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)目由2007年26件增長至2017年273件,增長超過10倍,同時全固態(tài)電池專利數(shù)目占比由零提升至近一半,說明固態(tài)電池尤其是全固態(tài)電池的研發(fā)越來越受到各方面的重視。

固態(tài)電池及全固態(tài)電池專利數(shù)量統(tǒng)計

資料來源：DerwentInnovationIndex

固態(tài)電池及全固態(tài)電池各國情況統(tǒng)計

資料來源：DerwentInnovationIndex

從地域上看,日本目前擁有固態(tài)電池專利916件,占比接近一半,領(lǐng)先優(yōu)勢較大。其次美國和中國分別擁有398件、362件,身位接近。韓國擁有100件位居第四。全固態(tài)電池方面,日本擁有專利657件,占比75%,領(lǐng)先優(yōu)勢更加明顯。中國、韓國分別擁有專利128件、37件;美國在全固態(tài)電池領(lǐng)域稍弱,僅擁有29件專利。

國內(nèi)固態(tài)電池進(jìn)展

國內(nèi)固態(tài)電池研發(fā)主要依托于中科院等科研機(jī)構(gòu),不過近幾年部分企業(yè)開始嘗試進(jìn)行科研成果的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化,例如贛鋒鋰業(yè)與中科院寧波材料所許曉雄團(tuán)隊合作、中科院物理所與衛(wèi)藍(lán)新能源合作等。總體來看,國內(nèi)的固態(tài)電池研發(fā)呈現(xiàn)較為分散的格局,而且國內(nèi)產(chǎn)業(yè)界(包括整車企業(yè)與電池企業(yè))在固態(tài)電池領(lǐng)域的積累遠(yuǎn)不及豐田等國外競爭對手。

國內(nèi)主要固態(tài)電池研發(fā)進(jìn)展及應(yīng)用情況

資料來源：恒大研究院

中科院青島能源所儲能院崔光磊團(tuán)隊長期從事復(fù)合聚合物固態(tài)電解質(zhì)研究,目前已研制出全海深高能量密度高安全固態(tài)鋰電池動力系統(tǒng),能量密度達(dá)300Wh/Kg,并且在馬里亞納海溝完成1萬米的高壓環(huán)境下完成深海測試。

中科院寧波材料所許曉雄團(tuán)隊從事氧化物與硫化物固體電解質(zhì)研究,已經(jīng)開發(fā)出能量密度達(dá)到260Wh/Kg的10Ah固態(tài)單體電池。借助寧波材料所的技術(shù),江西贛鋒鋰業(yè)在寧波當(dāng)?shù)赝顿Y5億元人民幣籌建億瓦時固態(tài)動力鋰電池生產(chǎn)線。第一代固態(tài)鋰電池技術(shù)通過中汽研汽車檢驗中心檢驗,放電容量約13Ah,能量密度約245Wh/Kg,循環(huán)1000次后容量保持率大于90%。

固態(tài)電池可滿足2030年新能源汽車技術(shù)政策目標(biāo)

由中國汽車工程學(xué)會研究編制的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》要求:2020/2025/2030年單體比能量分別達(dá)到350/400/500瓦時/公斤,系統(tǒng)比能量分別達(dá)到250/280/350瓦時/公斤。

中科院院士、國家“863”計劃節(jié)能與新能源汽車重大項目總體專家組組長歐陽明高教授指出,2020年的目標(biāo)可以依靠高鎳三元正極材料與硅碳負(fù)極材料的組合實現(xiàn),2025年的目標(biāo)可以依靠正極材料由高鎳三元向高容量富鋰錳基材料轉(zhuǎn)變實現(xiàn),但基本到達(dá)極限。而要實現(xiàn)2030年目標(biāo),固體電解質(zhì)層面的突破是一條必由之路。