固态电池优缺点分析：安全性和能量密度提升的探讨

固态电池优缺点分析：安全性和能量密度提升的探讨

1. 固态电池的优缺点

固态电池最重要的优势是安全性和提高能量密度。

①能量密度提升角度

锂离子电池的能量密度主要由正负极的材料体系决定，在现有正负极材料体系的限制下，锂离子电池组的极限能量密度难以满足要求。如果想提高能量密度，需要更换正负极材料，比如将负极采用锂金属。但锂金属负极易产生锂枝晶，存在起火风险。固态电池可以控制锂枝晶的生长，使使用锂金属负极成为可能，减少非活性物质，无需冷却系统，提高能量密度。

以松下18650电池为例，1991年索尼首次推动锂电池商业化后，锂电池能量密度为75Wh/kg，现在量产电池能量密度为275-300Wh/kg。日产聆风、特斯拉等第一代车型，电池能量密度为100-200Wh/kg，正负极材料体系为钴酸锂+石墨或磷酸铁锂+石墨；特斯拉model s、宝马i3等第二代车型，能量密度为200-250Wh/kg，续航能力有所提升，正负极材料体系为高镍三元+石墨或中镍三元+石墨； 第三代电动汽车续航里程超过500km，对应能量密度300Wh/kg、600Wh/L，20分钟即可完成充放电，工作温度为零下40度至80度，循环寿命超过3000次，对应使用寿命10年，每度电成本0.1美元。固态电池是目前唯一能够满足以上多个指标的电池，在现有的正负极材料体系下，300Wh/kg已经是比较高的能密度了，但使用锂金属负极可以达到500Wh/kg以上，使用固态电池可以将目前的体积利用率从20%-50%提升到80-100%。

②安全（根本优势）

固态电池以电解液使用量来判断，传统锂电池一般电解液含量在15%以上，国内已经有不少企业在做固液共存电池，北京威蓝、江苏清陶、赣锋锂业、台湾辉能等龙头企业，电解液含量在10%-11%的固态电池已经实现产业化，部分已进入中试阶段。全固态电池完全没有电解液，主要是因为更安全，目前锂电池中的有机溶剂暴露在空气中易燃。

③ 低温性能

由于不使用电解质，固态电池材料不会像液态电池那样随着温度下降而结冰，导致电池停止工作。理论上，温度范围更广。目前，证明全固态电池具有良好低温性能的公司并不多。他们证明了他们的固态电池在零下 40 到零下 80 度都能正常工作，但这是他们的广告词，还有待验证。总体来说，固态电池的低温和高温性能比现有的液态电池要好。

固态电池的缺点：在电池循环过程中，固-固界面容易出现接触不良，这给固态电池的量产带来了较大的难度，无法像锂离子电池那样快速实现产业化。例如，导电性最高的固态电池材料硫化物体系与锂金属负极、氧化物正极材料存在着不相容性和不稳定性。另外，固态电池制备工艺比较新，没有形成产业链。面对产业链各个环节的缺失，固态电池的生产成本较高，产业化依然任重道远。

目前固液混合电池产品已经投放市场，预计3-5年内这批固液混合电池成本将大幅下降，纯固态电池价格约5-10年内将下降。目前包括等公司都预计2025年实现硫化物全固态电池量产，成本再消化1-2年再逐渐下降。

2、固态电池主要技术路线及分类

目前全固态锂电池主要分为三种不同的技术路线，有机固体材料为聚合物，无机固体材料主要为氧化物和硫化物，其研究发展历史悠久。聚合物最早研究于1973年在PEO上，氧化物始于1953年，从碳酸锂氧化物到1977年的（锗酸锌锂），1976-1988年的超快钠离子导体。2003年开始研究氧化物固态电池材料，主要为锂镧钛氧化物，到2007年主要采用锂镧锆氧化物材料。目前比较流行和广泛使用的材料主要是锂镧锆氧化物和LATP（磷酸铝钛锂）。硫化物最早研究于1981-1991年在玻璃基硫化锂和五硫化锂的固态电池材料体系上。 1991年人们开始关注以玻璃陶瓷为基础的固态电池材料，2000年左右逐渐转向纯晶体基固态电池材料。2001年，首个硫基超快锂离子导体问世，锂电导率达到2.2毫西弗/厘米水平。2011年和2016年，日本团队分别研发出离子电导率达到12和25毫西弗/厘米的材料，至今仍保持着世界纪录。

1聚合物全固体

2012年全固态电池在法国投入商业化，由公司生产，主要应用于小型出租车和公共汽车，材料体系主要为聚环氧乙烷（PEO）体系。

主要优点是易于加工，可用于制备大容量电池，机械性能相对较软，与目前使用的电解质（本质上是有机溶剂）性能相似，工艺流程与现有锂电池类似，是最容易利用现有设备通过改造实现量产的固态电池。

主要缺点：（1）离子电导率最低，必须加热到60或85℃以上才能将离子电导率提高到接近10-3S/cm，因此汽车需要时刻处于带电、高温状态。（2）易短路（由于聚合物比较软，锂枝晶容易穿透固态电解质，造成短路）。（3）能量密度受限。由于聚合物是有机物质，其电化学稳定性不佳，不如其他无机固态电池材料。与磷酸铁锂兼容，但与三元材料不兼容，导致无法提高能量密度。

2 氧化物全固态

主要优点：电导率较聚合物高，氧化物离子电导率可达10-4~10-5 S/cm，通过掺杂可达到10-3 S/cm，但不如液态电解质，典型代表有锂镧锆氧化物、LAGP、LATP等氧化物材料。

其主要缺点有：1）氧化物的力学性能较硬，如果用来制作电解质片，比较容易产生裂纹；2）与正极活性物质的固固接触不是很好，导致由面接触变成点接触，界面损失过多。以上缺点导致难以制备大容量的电池。只能将氧化物与电解质或聚合物复合，制成目前常用的固液混合电池，以减少电解质含量。

3 全固态硫化物

主要优点：硫化物具有良好的接触性，因此整体的离子电导性能非常好，是人类发明的所有固态电池材料中唯一一种能够超越液态电解质离子电导率水平的材料，也是未来全固态电池最有可能的技术路线。

主要缺点：产品成本/价格非常高，空气稳定性差。硫化物化学活性很强，与空气、有机溶剂以及正负极活性物质发生强烈反应（特别是与水接触会直接生成H2S，有毒有异味），因此界面稳定性非常差，给生产、运输、加工等环节带来很大困难，限制了它的广泛应用。液态电解质可以完全包裹正极活性物质，因此锂电导通层面非常顺畅。我们把液体换成固体之后，相当于用沙子包裹浸泡在海水中的鹅卵石，沙子与鹅卵石的逐渐接触和包裹肯定不如海水，如果沙子的离子导电性不如海水，那么固态电池（沙子）其实是无望的，硫化物材料的出现让全固态电池成为可能。