固態(tài)電池的性能及應用

固態(tài)電池具有技術(shù)顛覆的潛力：傳統液態(tài)電池體系成熟，但難以出現大幅性能突破。從兼顧高能量密度和本征安全性?xún)煞矫娉霭l(fā)，以鋰金屬作為負極，使用穩定、不易燃燒的固態(tài)電解質(zhì)的全固態(tài)鋰離子電池將成為未來(lái)最有技術(shù)顛覆潛力的電池。雙極堆疊的可能性、鋰金屬負極的使用能保證其具備大幅領(lǐng)先的能量密度，其能量密度可以輕松突破400Wh/kg，固態(tài)電解質(zhì)則能夠保證優(yōu)質(zhì)的安全性能。

固態(tài)電解質(zhì)是固態(tài)電池成功應用的關(guān)鍵：理想的固態(tài)電解質(zhì)應該具有小到可以忽略不計的電子電導率、優(yōu)良的Li⁺電導率、良好的化學(xué)兼容性、寬的電化學(xué)穩定窗口、優(yōu)異的熱穩定性以及能夠低成本的大規模生產(chǎn)等特點(diǎn)。通常來(lái)說(shuō)，具有代表性的固態(tài)電解質(zhì)包括硫化物固態(tài)電解質(zhì)、氧化物固態(tài)電解質(zhì)、金屬鹵化物固態(tài)電解質(zhì)和聚合物固態(tài)電解質(zhì)。

固態(tài)電解質(zhì)各有特點(diǎn)，復合固態(tài)電解質(zhì)可以實(shí)現優(yōu)勢互補，是較具發(fā)展潛力的方向：聚合物電解質(zhì)具有良好的界面相容性和機械加工性，但室溫離子電導率低，限制其應用溫度；無(wú)機氧化物電解質(zhì)電導率較高，但存在剛性界面接觸的問(wèn)題以及嚴重的副反應，且加工困難；硫化物電解質(zhì)電導率高，但化學(xué)穩定性差，可加工性不良。針對這些問(wèn)題，目前復合固態(tài)電解質(zhì)是較具發(fā)展潛力的體系，一方面，可以在聚合物電解質(zhì)中引入惰性無(wú)機納米粒子，改善聚合物電解質(zhì)性能；另一方面，可以通過(guò)氧化物陶瓷或硫化物與聚合物進(jìn)行復合，實(shí)現優(yōu)勢互補。復合固態(tài)電解質(zhì)具有更高的離子電導率和力學(xué)性能，同時(shí)與電極具有更好的兼容性。

離子運輸機制、鋰枝晶生長(cháng)機制、固-固界面問(wèn)題是固態(tài)電池面臨的三大問(wèn)題：明確高離子電導率的實(shí)現條件是發(fā)展高性能固態(tài)電解質(zhì)、提高全固態(tài)電池充放電速度的關(guān)鍵，目前主要通過(guò)摻雜、開(kāi)發(fā)納米尺度結構以及界面工程等手段來(lái)改善離子電導率，但目前業(yè)界對于離子運輸機制的理解程度還不夠，這對于充放電速度提升是一個(gè)挑戰；此外，固態(tài)電解質(zhì)雖然具有高機械強度，但仍然難以完全抑制鋰枝晶的生長(cháng)和實(shí)現鋰金屬的均勻沉積，鋰金屬可能在負極表面形成枝晶，甚至在固態(tài)電解質(zhì)內部成核，導致電池短路，從而引發(fā)安全風(fēng)險，這對固態(tài)電池的安全是一個(gè)較大的挑戰；同時(shí)，由于缺少電解液的浸潤，固-固界面問(wèn)題直接影響固態(tài)電池的循環(huán)壽命等性能，盡管目前在工藝和材料維度有一些改進(jìn)措施，但界面問(wèn)題仍是固態(tài)電池較大的挑戰。

全固態(tài)電池有望2027年開(kāi)始量產(chǎn)裝車(chē)：2022年以來(lái)，固態(tài)電池的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化取得了明顯的進(jìn)展，尤其是以衛藍新能源和贛鋒鋰電等為代表的中國企業(yè)的半固態(tài)電池量產(chǎn)裝車(chē)，標志著(zhù)半固態(tài)電池已實(shí)現了產(chǎn)業(yè)化。我們預計固態(tài)電池的大規模生產(chǎn)和裝車(chē)應用將在2027年左右開(kāi)始到來(lái)。

2030年固態(tài)電池市場(chǎng)規模超2500億元：預計到2030年全球固態(tài)電池的出貨量將達到614.1GWh，在整體鋰電池中的滲透率預計在10%左右，其市場(chǎng)規模將超過(guò)2500億元，主要出貨電池仍然是半固態(tài)電池。作為固態(tài)電池最重要的組成部分，固態(tài)電解質(zhì)在2030年的需求將超6萬(wàn)噸，市場(chǎng)規模超過(guò)60億元。