固态电池是理想的电池形态
思瀚产业研究院    2024-11-19

1、传统液态电池体系成熟，但难以出现大幅性能突破

锂离子电池已经得到广泛应用，体系成熟：锂离子电池是一种在储能领域、动力电池及便携式电子设备中均得到广泛应用的一种储能器件，具有开路电压高、能量密度大、使用寿命长、无记忆效应、无污染及自放电小等优点，是目前综合性能最好的电池产品，也是可适用范围最广的电池产品。

锂离子电池体系成熟，由正极、负极、电解液、隔膜等部分组成，其工作原理为：锂离子电池在充放电过程中，锂离子在正负极之间嵌入和脱出，同时伴随着电子在外电路中进行移动而形成外部电路的电流。充电时，电池正极生成锂离子，经过电解液移动到负极

传统液态锂离子电池无法同时满足安全和更高能量密度的要求：电动汽车和储能等领域对电池的需求日益增长，这对电池能量密度和安全性能也提出了越来越高的要求。根据工信部 2020 年制定的《节能与新能源汽车技术路线图 2.0》，单体电芯比能量要在2025 年达到 400Wh/kg，2030 年达到 500Wh/kg。

尽管目前电池的研究和工业化已经取得了阶段性的成功，但是锂电池的能量密度仍不满足需求；目前行业内通常采用高镍正极和掺硅负极的搭配来提升能量密度。然而，一方面高镍体系会带来安全性能的降低，另一方面即使采用高镍体系，传统的液态锂离子电池体系也难以满足 400Wh/kg 的单体电芯能量密度需求。此外从安全性能的角度来看，常规的液态有机电解质具有易燃、易泄漏等缺点，容易引发起火、爆炸等安全问题。

2、固态电池具有技术颠覆的性能潜力

锂金属负极是打破能量密度瓶颈的关键：提高电池系统的能量密度可以通过提升成组效率和电芯单体能量密度来实现，宁德时代的 CTP 方案和比亚迪的刀片电池方案即通过提升成组效率来提升能量密度，而提高电池单体能量密度极具前景的策略之一就是使用质量更轻的锂金属（相对原子质量为 6.941，密度为 0.534g/cm-3）作为负极材料。

锂金属作为负极材料具有高达 3860mAh/g 的理论比容量，是石墨负极的 10 倍，同时还具有最低的电极电势（-3.04V vs．Li/Li+），是下一代可充电电池最有前景的电极材料。然而，极度活跃的锂金属化学稳定性差，且在循环过程中锂金属不均匀沉积和剥离可能形成锂枝晶，进一步刺穿隔膜从而造成电池内短路引发安全问题。

使用固态电解质才能从根本上解决安全问题及提升对锂金属的兼容性：使用液态电解液的锂离子电池，不可避免地存在热失控问题，这也是近年来大多数纯电动汽车发生严重自燃、爆炸事故的罪魁祸首。一方面，目前商用锂离子电池使用的电解液一般由有机碳酸酯类有机溶剂与锂盐组成，这些有机溶剂包括碳酸丙烯酯(PC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)和碳酸乙烯酯(EC)等，在使用时均存在氧化分解、挥发和泄漏的风险;另一方面，若采用锂金属负极，活泼的锂金属在循环过程中容易与电解液发生副反应，持续消耗电解液和电极材料，在电池容量下降的同时诱生锂枝晶，进而造成严重的安全问题。

目前电池单体的热失控难以杜绝，而电池系统级别的防止热扩散设计也仅能防止单体电芯热失控蔓延。如果要从根本杜绝安全问题，则要用新的材料替代当前的液态有机电解液，而使用不可燃且坚固的固态电解质来代替有机液态电解液不仅可以消除燃烧爆炸的风险，同时也可以大幅提升对锂金属的兼容性和电池的能量密度。

固态电池兼顾能量密度和安全性，具有技术颠覆的潜力：从兼顾高能量密度和本征安全性两方面出发，以锂金属作为负极，使用稳定、不易燃烧的固态电解质的全固态锂离子电池将成为未来最有技术颠覆潜力的电池。双极堆叠的可能性、锂金属负极的使用能保证其具备大幅领先的能量密度，固态电解质则能够保证优秀的安全性能。

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