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【原创研究】锂电池线路之争:固态电池能否带来颠覆性变革?
来源: 高级分析师 张家祺日期:2024-04-10浏览量:1783

近年来,我国在新产业、新赛道领域的竞争优势不断彰显,特别是以电动汽车、锂电池、太阳能电池为代表的绿色低碳产业加快发展。2023年底,国家知识产权局局长申长雨在国新办举行的国务院政策例行吹风会上表示:“在锂电池,特别是固态电池领域,中国是全球主要的技术来源国之一,截至2023年5月,全球固态电池关键技术专利申请量为20798项,其中中国有7640项,占比达36.7%。近5年,我国固态电池全球专利申请量年均增长20.8%,增速位列全球第一。”

锂电池诞生以来大幅促进了电子设备的规模化发展与应用,其本身也在持续迭代,向着更小体积、更轻质量、更高安全、更高能量密度、更长寿命的方向持续进化,正负极、电解质等材料也伴随着电池在持续迭代。

但目前主流的锂电池仍是液态体系,也逐渐发展到了材料体系本身会面临的瓶颈:能量密度的瓶颈、有机物液态电解质的安全瓶颈、电池寿命瓶颈。而固态电解质对液态电解质的代替有望突破这些领域的限制,使得固态电池成为锂电重要的发展方向。

固态电池优势

1) 高安全性
液态锂电池在过充、撞击、遇水等情况下易导致热失控,在温度急剧上升时,负极表面膜溶解,暴露于电解液并反应放热,导致隔膜融化,形成短路,而温度进一步上升将使得电解液气化,带来燃烧、爆炸等风险。相比之下,固态电池有几个显著的安全特性:
● 固态电解质具有高机械强度,不易短路
● 不易燃烧、不易爆炸
● 无持续界面副反应
● 无电解液泄漏、干涸问题
● 高温寿命不受影响

智己L6光年固态电池

2)高能量密度

能量密度=工作电压×比容量,比容量受限于正负极中较低的一级。目前正极端持续迭代,由磷酸铁锂持续向多元材料升级,而负极端仍以石墨负极为主。石墨负极的比容量约370+ mA·h/g,而硅负极、锂负极可达4200、3800,固态电池对相关材料体系的适配将显著提高锂电池的能量密度。负极材料突破后,钴酸锂、镍钴锰三元、镍钴铝高镍三元、富锰锂基氧化物等材料的升级,也将为锂电池能量密度的提升发挥作用。

3)高循环次数
固体电解质有望避免液态电解质在充放电过程中持续形成和生长固体电解质界面膜的问题和锂枝晶刺穿隔膜问题,从而提升金属锂电池的循环性和使用寿命。全固态金属锂电池未来有望循环45000次,目前磷酸铁锂电池平均可做到2000次循环寿命,三元锂电池则平均为500-1000次循环寿命。
4)宽工作温度
液态电池工作温度范围较小,低温性能差。在低温条件下,电解液粘度增大,电导率降低、锂离子迁移速率降低等原因导致性能下降;在高温条件下,电解液闪点低、隔膜融化温度低,存在燃烧风险。