动力电池及电气系统系列报告(117):全固态电池电解质技术路线逐步向硫化物收敛.pdf

全固态电池研发加快,产品逐渐从实验室走向中试线。头部电池厂也已实现中试线级别生产,车端预计26年将实现陆续装车。目前硫化物电解质成为全固态电池主要方向,行业专注于LSPC路线,硫化锂是性能和成本的关键,目前小批量主要采用固相法,液相法如果纯度得到进步也有规模应用潜力。
口全固态电池产业化加速,近几年全固态电池发展显著加速,主流参与者纷纷开始大力度投入。宁德时代预计2027年全固态小批量生产,30年前后有望大批量应用。比亚迪弗迪电池研发硫化物复合电解质体系,预计2027年小批量装车、2030年大规模量产,目前已实现中试线生产。亿纬锂能、国轩高科、孚能科技等企业也陆续开始贯通中试线。车企方面,上汽、广汽、奇瑞、比亚迪、东风等车企预计26年开始陆续实现全固态电池装车。此外evtol,机器人等新兴市场,也带来了固态电池的边际需求。
□全固态电解质路线逐渐向硫化物收敛。固态电解质取代电解液是固态电池最
大的材料变化,早年固态电池氧化物、聚合物、硫化物多种路线齐头并进,目前逐渐向硫化物路线收敛。目前硫化物电解质离子电导率已接近液态锂电池水平,电性能已基本满足需求,但因在空气中易与水接触生成有毒气体硫化氢,环境要求很高,同时固-固界面问题需要等静压设备工艺,推高了产业化难度。折中的方式,即以硫化物为主,多种电解质混用可能成为发展方向,如以卤化物电解质包覆正极表面从而提高离子电导率和接触性能。
口硫化锂制备路线较多,量产壁垒高。硫化锂是硫化物电解质主要原材料,是决定其性能和成本的关键。硫化锂生产工艺难度高,当前市价超300万元/吨,在电芯成本占比中超过50%(传统锂电池电解液成本占比仅5%)。目前国内硫化锂厂商多属于中试线规模,未来围绕硫化氢的环评要求或壁垒,可能是量产过程中的重要难题。硫化锂理论上的工艺路线比较多,在纯度、颗粒度、形貌、排放方面差异较大,目前实际使用的以固相法为主:液相法具有能耗低、连续化生产等优势,理论上成本优势明显,如果纯度等问题解决,有应用潜力。
□推荐与关注:上海洗霸(公用)、天赐材料、华盛锂电、有研新材(电子)、
厦钨新能(有色)、容百科技、国瓷材料(化工)、道氏技术(汽车)、光华科技、星源材质、恩捷股份、信字人,
□风险提示:下游需求不及预期、产品降本不及预期、技术进步不及预期。

一、固态电池产业化加速
固态电解质分类
固态电池是锂电行业发展的大方向,锂电行业对高能量密度与绝对安全性的追求是持续不断的。传统液态锂离子电池因电解液存在多重局限:能量密度受限于电解液特性难以突破,有机电解液安全性低、电化学窗口窄,无法兼容金属锂负极及高电势正极,大电流下因浓差极化导致性能下降,工作温度仅局限于0-40℃安全区间,且与负极反应生成SEI层会持续消耗材料、造成容量衰减。而固态电池以固态电解质替代电解液与隔膜,既能兼容现有正极材料体系,更凭借高电化学窗口适配更高电压正极,从根本上提升能量密度与安全性。
固态电池分为全固态电池与半固态电池。半固态电池中仍保留部分液态电解液(<10wt%,<5wt%也称准固态电池),但含量大幅降低,提升了一定的安全性和能量密度,同时对现有电池产线改动较小。全固态电池内部采用固体电解质,不含有机液体,安全性大幅提升,同时机械强度高,可适配金属锂负极,抑制锂枝晶生长,能量密度可达500Wh/kg以上,但对现有产线改动较大,技术、工艺难度显著提升。目前部分企业选择跳过半固态电池的开发,直接攻克全固态电池。
固体电解质又称快离子导体,主要包括聚合物固体电解质和无机固体电解质两大类。其中无机固体电解质又包括:硫化物固体电解质,氧化物固体电解质,硼氢化物固体电解质以及卤化物固体电解质等。目前产业化程度较高的是聚合物电解质、硫化物电解质和氧化物电解质,聚合物电解质工艺最为成熟,但存在性能缺陷,制约发展;氧化物电解质分为薄膜和非薄膜类,前者开发重点在于扩容与规模化生产,后者综合性能较好,是当前研发的重点方向;硫化物体系发展空间广阔,但仍存在安全与界面问题。
氧化物固体电解质:具有安全性能高、稳定性良好、成本低廉、环境友好等优点,是储能应用的研究热点。氧化物固体电解质主要包括NASICON(sodium superionic conductor)型结构氧化物电解质、石榴石结构氧化物电解质LLZO(锂镧锆氧)和钙钛矿结构氧化物电解质。
硫化物固体电解质:在室温下具有较高的离子电导率,范围从107到10²S/cm。由于硫化物固体电解质具有可忽略的电子电导率和良好的力学性能,有利于全固态电池中电极/电解质形成良好的固-固接触界面,从而优化全固态电池的循环稳定性。因此,许多工作从硫化物固体电解质体系入手,致力于开发出具有高离子电导率,宽电化学窗口,具有良好化学稳定性和空气稳定性的理想固体电解质材料。目前锂硫银锗矿型材料(如(Li-xPSs-xX₁+x,X=Cl和Br)因其突出的性能受到了广泛关注。
固体聚合物电解质:相较于无机固体电解质,聚合物电解质能溶解锂盐,具有柔韧性好、质量轻、成本低以及易于加工等优势,但窄的电化学窗口及较高的工作温度(室温下离子电导率低),限制其大规模应用。其中,PEO固态聚合物体系含有乙氧基链段,对锂盐具有高的溶解能力,是研究最为广泛的聚合物基体材料。
此外,星源材质采用特色的刚性骨架膜,试制全固态电池专用电解质复合膜,其厚度薄至25μm,离子电导率≥0.5ms/cm,拉伸强度等性能优越,可以兼容现有的锂电产线,为固态电解质应用路线带来了新的选择。

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