固态电池大幅提升电池安全，固态电池优缺点分析
机电yjbzj220132023/8/18
一、固态电池：大幅提升电池安全，打破能量密度瓶颈
液态电池中，有机溶剂具有易燃性，且抗氧化性较差，目前已接近能量密度上限。锂离子电池目前基本采取液态电解质，由溶剂、锂盐、添加剂组成，起到输送离子、传导电流的作用。但液态电解质中，有机溶剂具有易燃性、高腐蚀性，同时抗氧化性较差、无法解决锂枝晶问题，因此存在热失控风险，也限制了高电压正极、锂金属负极等高能量材料的使用，预计理论能量密度上限为300Wh/kg。
固态电池大幅提升电池安全，打破液态电池能量密度瓶颈。固态电池采用固态电解质，部分或全部替代液态电解质，可大幅提升电池的安全性、能量密度，是现有材料体系长期潜在技术方向。依据电解质分类，电池可细分为液态(25wt%)、半固态(5-10wt%)、准固态(0-5wt%)和全固态(0wt%)四大类，其中半固态、准固态和全固态三种统称为固态电池。车企采用固态电池，安全性为短期驱动因素，能量密度为长期驱动因素。
二、高安全性：固态电解质不可燃烧，大幅降低热失控风险
随着电池能量密度的日益提升，电池热失控风险呈现上升趋势。从热失控角度看，电池应在低于60℃运行工作，但由于内部短路、外部加热、机械滥用等因素，使电池温度升至90℃，此时负极表面的SEI膜开始溶解，造成嵌锂碳直接暴露在电解液中，二者发生反应迅速放热，产生大量可燃气体，隔膜进而熔化，电池形成内短路，温度迅速升高至200℃，促使电解液气化分解、正极分解释氧，电池发生剧烈燃烧或爆炸。
固态电池具备本质安全性，为车厂短期主要考量因素。1）不可燃性、热稳定性：液态电解质易燃、易挥发，分解温度约200℃（隔膜160℃），并存在腐蚀和泄露的安全隐患。而固态电解质具有不可燃、无腐蚀、无挥发等特性，分解温度大幅提升，可在更高倍率和更高温度运行，同时内部无液体不流动，电池可承受穿钉、切开、剪开、折弯，从而大幅降低热失控风险。2）锂枝晶：液态电池中，锂枝晶的生长容易刺破隔膜，从而造成短路，而固态电解质具备高机械强度，锂枝晶生长缓慢且难刺透，进而提升电池安全性能。
三、高能量密度：兼容高比容量正负极，大幅提升能量密度
固态电解质兼容高比容量的正负极，大幅提升电池的能量密度，为车厂长期主要考量因素。固态电池在兼顾安全性的基础上，可实现能量密度的突破，液态电池可达250Wh/kg+，半固态可达350Wh/kg+，准固态可实现400Wh/kg+，全固态可突破500Wh/kg，从而提升续航水平，有望解决电动车里程、安全两大核心痛点。
材料端看：固态电解质本身不能提升能量密度，但由于具备更稳定、更安全，电化学窗口宽（5V以上）等性质，因此可以兼容高比容量的正负极，比如高电压正极、富锂锰基、硅负极、锂金属负极等材料，进而大幅提升电芯能量密度；结构端看：固态电解质将电解液的隔膜功能合二为一，大幅缩小正负极间距，从而降低电池厚度，因此提升电芯能量密度；
Pack端看：固态电解质的非流动性，可以实现电芯内部的串联、升压，可以降低电芯的包装成本，并提升体积能量密度。固态电解质的安全性，可以减少系统热管理系统需求，成组效率大幅提升，从而提升Pack能量密度。
四、缺点：离子电导率低，循环寿命差，制约商业化进程
固态电池界面为固-固接触，离子电导率低、界面稳定性差，存在循环、快充等问题，制约其商业化进程。
材料端离子电导率低：固态电池中，电极与电解质之间的界面接触由固-液接触变为固-固接触，由于固相无润湿性，因此接触面积小，形成更高的界面电阻。同时固体电解质中有大量的晶界存在，且晶界电阻往往高于材料本体电阻，不利于锂离子在正负极之间传输，从而影响快充性能和循环寿命；
循环寿命差：固-固接触为刚性接触，对电极材料体积变化更为敏感，循环过程中容易造成电极颗粒之间以及电极颗粒与电解质接触变差，造成应力堆积，导致电化学性能衰减，甚至导致裂缝的出现，造成容量迅速衰减，导致循环寿命差的问题。
五、高成本：固态电解质含稀有金属，成本明显高于液态电池
固态电池成本高于液态电池，主要体现在固态电解质和正负极。固态电解质目前难以轻薄化，用到的部分稀有金属原材料价格较高，氧化物电解质含锆、硫化物电解质含锗，叠加为高能量密度使用的高活性正负极材料尚未成熟，铜锂复合带价格1万元/kg，全固态对生产工艺、成本和质量控制也提出了更严苛的要求，生产设备替换率大，全固态电池成本预计明显高于现有液态电池。
六、逐级迭代：固态电解质→新型负极→新型正极
固态电池技术发展和应用预计将呈现梯次渗透趋势。预计液态电池到固态电池的技术迭代路径大致遵循“固态电解质→新型负极→新型正极”顺序。
阶段一：引入固态电解质，保留少量电解液，正负极仍为三元+石墨/硅负极，并采用负极预锂化等技术提高能量密度；
阶段二：用固态电解质逐步至完全取代电解液，用金属锂取代石墨/硅负极，正极仍为三元材料；
阶段三：逐渐减薄固态电解质的厚度，并用硫化物/镍锰酸锂/富锂锰基等材料取代正极。
七、半固态：兼具安全、能量密度与经济性，率先进入量产阶段
半固态电池通过减少液态电解质含量、增加固态电解质涂覆，兼具安全性、能量密度和经济性，率先进入量产阶段。全固态电池工艺并不成熟，仍处于实验室研发阶段，而半固态电池已经进入量产阶段。半固态电池保留少量电解液，可以缓解离子电导率问题，同时使用固化工艺，将液态电解质转化为聚合物固态电解质，叠加氧化物固态电解质涂覆正极/负极/隔膜，提升了电池的安全性/能量密度，同时兼容传统锂电池的工艺设备，达到更易量产较低成本的效果，预计半固态电池规模化量产后，成本比液态锂电池高10-20%。
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