固态电池电解质、隔膜材料介绍
思瀚产业研究院    2025-02-01

1、 固态电池介绍

固态电池：与传统锂离子电池在基本电化学机制上相同，最大区别在于电解质材料。固态电池与锂离子液态电池原理上均通过正负极之间锂离子的嵌入和脱嵌来实现电能的存储和释放。二者的关键区别在于固态电池的电解质材料，不同于锂离子电池中的液态电解质，固态电池采用的是固态电解质，并剔除隔膜 ，且正负极会掺混固态电解质。

传统液态电池的主要问题在于：

1）能量密度较低：液态电池难以突破350Wh/kg的极限，目前主流的磷酸铁锂电池的能量密度在200Wh/kg以下，三元锂电池的能量密度在200-300Wh/kg之间，无法满足重大发展的需求，限制了多场景的应用；

2）液态电解质易燃易爆：液态电解质中的有机溶剂具有易燃性、高腐蚀性，在过度充电、内部短路等异常时电解液发热，有自燃甚至爆炸的危险；

3）低温衰减：在低温条件下，电解液的粘度增加，导致锂离子的迁移速率降低，进而影响电池的充放电效率；同时电解液的电导率也会随着温度的降低而显著下降，这进一步加剧了电池性能的衰减。

相比较而言，固态电解质取代了液态电池的液态电解质，缩减了电池包质量和体积，实现了更高的能量密度、更高的安全性以及在乃至-60℃条件下仍能保持优异放电容量和循环寿命表现，是行业公认的动力电池未来发展方向。

2、固态电池结构及材料选择介绍

固态电池结构：负极+电解质+隔膜（可消除）+电解质+正极。

负极：负责嵌入从正极材料中脱出的锂离子，使得电子通过外部电路流向负极，实现整个电池充电过程，放电则反之。可选择的材料包括：硅类、石墨、钛酸锂及锂金属。

正极：负责脱出锂离子，使得电子通过外部电路流向负极，实现整个电池充电过程，放电则反之。可选择的材料包括：磷酸铁锂、镍钴锰三元、镍钴铝三元等。

隔膜及电解质：电解质起到输送锂离子、传导内部电流的作用，而隔膜负责起到分离正负极的作用，短期来看仍需要隔膜，未来固态电解质可以充当隔膜的角色，从而消除隔膜。可选择的材料包括：硫化物、氧化物、聚合物以及卤化物。

3、固态电池正负极材料介绍 — 正极沿用锂镍锰，负极出现较大变化

正极方面，固态电池仍然可以沿用磷酸铁锂、三元材料等，但因为能量密度有限，富锂锰基、超高镍三元、镍锰酸锂等被认为是理想的固态电池正极材料。

负极方面，石墨负极能量密度已经达到极限，硅基负极和金属锂负极有望会成为固态电池的新负极材料。

硅负极：优点在于较传统石墨具备10倍以上的比容量，但仍需要解决易膨胀、低首效、易容量衰减及导电性差的问题。目前最有前景的方法是：

1）硅碳复合，其复合后在结构致密性，材料膨胀率，循环性能得到显著提升，但该方法的比能量设计极限约为350Wh/kg，无法实现工信部制定的《节能与新能源汽车技术路线图》中描述的的2025年达到400Wh/kg，2030年达到500Wh/kg的要求。此外，比亚迪在2024年10月29日与12月3日公开的相关专利采用的方法均为硅碳复合；

2）纯硅负极，满足长期路线要求，但现有方法工艺复杂，效率低，难以规模化应用，需要持续改进。

锂金属负极：固态电池负极的最理想材料，在碱金属中具有最负电位和最低密度，高比容量等优点，但纯锂过易产生锂枝晶，继而穿破隔膜导致短路的特性尚且无法解决。短期看，锂金属负极落地难度较大。

综合来看，正极从高镍升级到了超高镍、镍锰酸锂、富锂锰基等正极，负极方面短期以硅碳复合为主，长期更看好预锂化的纯硅/纯锂。

4、固态电池电解质、隔膜材料介绍 —— 氧化物进度快，未来硫化物或成为主流

氧化物电解质：氧化物固体电解质可分为 NASICON（钠离子导电玻璃）、石榴石、钙钛矿型以及磷酸锂氧氮化物（LiPON），氧化物电解质的优点在于具备良好的机械稳定性、化学稳定性以及较大的电化学窗口，缺点在于离子电导率没有硫化物高。

硫化物电解质：以锂和硫为主要成分，并可以由磷、硅、锗或卤化物等元素补充。优点在于较优的电导率，具备柔软性和可塑性，易于加工，缺点则在于与氧气接触后易生产有毒气体硫化氢。

聚合物电解质：可以被视为介于液态电解质和固态电解质之间的一种中间技术。目前为止最常用的聚合物基质是聚氧化乙烯（PEO）。聚合物电解质相对于固体电解质的主要优势在于成本、加工方面以及材料的灵活性；与液体电解质相比，它们具有典型的“固态”优势，但在室温下离子电导率不足，因此必须在较高温度下运行。

卤化物电解质：指含有卤原子（氟、氯、溴、碘、铥）的化合物，可以分为三类：与第3族元素（钪、钇和镥）形成的卤化物，与第13族元素（铝、镓和铟）形成的卤化物结构，以及与二价金属（例如，第一过渡金属）形成的卤化物。其优点在具备良好的机械稳定性和灵活性，并且与电极的界面稳定性比基于硫化物的电解液更好，但缺点在于加工过程中对环境中的水分敏感，离子电导率较低，并且会与锂金属发生反应导致目前商业化处在初期。

综合来看，硫化物或将成为电解质及隔膜材料的主流。