固态电池专题(一):全固态电池:锂电池的下一代解决方案.pdf

全固态电池相比传统锂离子电池具有显著优势,传统锂离子电池能量密度接近理论上限,且有机电解液易燃导致热失控问题难以根除而全固态电池正极材料沿用高镍三元,因此负极是提升固态电池能量密度的关键,其能适配高比例硅基负极或锂金属负极,能量密度有望突破500Wh/kg.全固态电池采用固态电解质,在抑制锂枝品生长与穿透、具备不可燃性及拥有更高耐热极限方面显著优于液态电池。
固态电解质主要分为聚合物、氧化物、硫化物、卤化物四大类。聚合物加工性好但离子电导率低;氧化物稳定性高,不过加工性能较差;卤化物稳定性较强,却存在界面接触性差、成本高且易吸潮的问题;硫化物离子电导率最高,但其电化学稳定性和空气稳定性欠佳,易与水分反应产生H₂S气体,但工艺突破后有望成为未来主流路线。目前,硫化物在国内外均被作为重点攻关方向,丰田、华为、宁德时代等企业均布局了相关技术。
全固态电池面临的核心问题是固固界面润湿性,包括化学/电化学界面的电化学稳定窗口窄、元素扩散和空间电荷层等问题,以及物理界面的接触不良、体积变化导致的阻抗增加等,进而引发锂枝品生长和循坏寿命缩短。
全固态电池部分环节有明显变化,工艺上干法电极因适配疏化物电解质成为关键,等静压设备可增强界面接触,是全固态的核心增量环节:正极短期沿用高镍三元,长期向低成本锰酸锂和高性能富锂锰基等锰系材料发展;负极中期转向硅基以提升容量,远期将采用锂金属负极;集流体由于硫化物的腐蚀性问题,镍铁合金有望成为主流路线。
政策托底,消费→低空→动力,产业化节奏明确。工信部2024年投入约60亿元支持头部电池厂和车厂的固态电池研发,产业化节奏方面,我们预计消费领域2025-2026年规模化、eVTOL领域2026-2028年打开中长期市场、动力领域2027年后量产装车,2030年后规模化的节奏逐步推进,市场空间广阔。
风险提示:新技术进展不及预期、下游需求不达预期及技术路线改变等风险

传统锂离子电池能量密度已经接近理论上限。当前高镍三元体系的单体电芯,搭配10%硅基负极,能量密度接近300Wh/kg,现有锂电池的材料体系基本使得能量密度逼近上限,因此近年来电池能量密度捉升速度放缓。
热失控难以根除。有机电解液有较强的易燃性,过充电、过放电、电池内部短路、外部短路和电池外部受热等条件均可以引起电池热失控。电池在热失控情况下,正负极电极材料和电解液间发生剧烈的化学反应,放出大量热。电解液溶剂的主要成分是有机碳酸酯,闪点和沸点较低,在一定条件下会燃烧甚至发生爆炸。

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