固态锂电池指电池电解质部分采用固态材料的锂二次电池。固态电池与传统锂离子电池不同在于固态电池以固态电解质替代了传统锂离子电池的电解液、电解质盐、隔膜。
固态锂电池具有两方面潜在优势
一、安全性高。采用有机电解液的传统锂离子电池,在过度充电、内部短路等异常情况下容易导致电解液发热,有自燃甚至爆炸的危险。而全固态锂电池基于固态材料不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液问题;
二、能量密度高。固态电解质无需隔膜与电解液,可以节约近40%的体积和25%的质量。如果配套新的正负极材料(锂金属负极)可以使得电化学窗口达到5V以上,有望将能量密度提高至500Wh/Kg。
此外,固态电池还具有循环寿命长、工作温度范围宽、可快速充电等优点。
固态锂离子电池与传统锂离子电池对比
资料来源：恒大研究院
固态电池分类
按照电解质材料的不同,固态电池可以分为聚合物、氧化物和硫化物三大体系。其中聚合物电解质属于有机电解质,氧化物和硫化物属于无机陶瓷电解质。总体来说,聚合物电解质技术最成熟,已经率先实现小规模量产,但是理论能量密度不及其他两类电解质;氧化物电解质性能优于聚合物电解质,但薄膜型氧化物电池容量较小、只能应用于消费类电子领域,非薄膜型氧化物电池技术相对还不够成熟;硫化物电解质理论上最适合于电动汽车领域,但是开发难度最大。
按照正负极材料的不同,固态电池还可以进一步分为固态锂离子电池(沿用当前锂离子电池材料体系,如石墨+硅碳负极、三元正极等)和固态锂金属电池(以金属锂为负极)。由于固态锂离子电池与当前的电池体系最为接近,日韩本身又拥有成熟的锂电产业链,因此目前日韩企业大多采用硫化物+固态锂离子电池的路线。而欧美初创企业则立足于颠覆性的技术,大多采用聚合物/氧化物+固态锂金属电池的路线。
固态电池分类
资料来源：恒大研究院
固态电池专利现状
从数量上来看,固态电池领域专利数目由2007年26件增长至2017年273件,增长超过10倍,同时全固态电池专利数目占比由零提升至近一半,说明固态电池尤其是全固态电池的研发越来越受到各方面的重视。
固态电池及全固态电池专利数量统计
资料来源：DerwentInnovationIndex
固态电池及全固态电池各国情况统计
资料来源：DerwentInnovationIndex
从地域上看,日本目前拥有固态电池专利916件,占比接近一半,领先优势较大。其次美国和中国分别拥有398件、362件,身位接近。韩国拥有100件位居第四。全固态电池方面,日本拥有专利657件,占比75%,领先优势更加明显。中国、韩国分别拥有专利128件、37件;美国在全固态电池领域稍弱,仅拥有29件专利。
国内固态电池进展
国内固态电池研发主要依托于中科院等科研机构,不过近几年部分企业开始尝试进行科研成果的产业转化,例如赣锋锂业与中科院宁波材料所许晓雄团队合作、中科院物理所与卫蓝新能源合作等。总体来看,国内的固态电池研发呈现较为分散的格局,而且国内产业界(包括整车企业与电池企业)在固态电池领域的积累远不及丰田等国外竞争对手。
国内主要固态电池研发进展及应用情况
资料来源：恒大研究院
中科院青岛能源所储能院崔光磊团队长期从事复合聚合物固态电解质研究,目前已研制出全海深高能量密度高安全固态锂电池动力系统,能量密度达300Wh/Kg,并且在马里亚纳海沟完成1万米的高压环境下完成深海测试。
中科院宁波材料所许晓雄团队从事氧化物与硫化物固体电解质研究,已经开发出能量密度达到260Wh/Kg的10Ah固态单体电池。借助宁波材料所的技术,江西赣锋锂业在宁波当地投资5亿元人民币筹建亿瓦时固态动力锂电池生产线。第一代固态锂电池技术通过中汽研汽车检验中心检验,放电容量约13Ah,能量密度约245Wh/Kg,循环1000次后容量保持率大于90%。
固态电池可满足2030年新能源汽车技术政策目标
由中国汽车工程学会研究编制的《节能与新能源汽车技术路线图》要求:2020/2025/2030年单体比能量分别达到350/400/500瓦时/公斤,系统比能量分别达到250/280/350瓦时/公斤。
中科院院士、国家“863”计划节能与新能源汽车重大项目总体专家组组长欧阳明高教授指出,2020年的目标可以依靠高镍三元正极材料与硅碳负极材料的组合实现,2025年的目标可以依靠正极材料由高镍三元向高容量富锂锰基材料转变实现,但基本到达极限。而要实现2030年目标,固体电解质层面的突破是一条必由之路。
