全固態(tài)技術(shù)路線中，目前更接近產(chǎn)業(yè)化的路線主要有兩條，一是硫化物，離子電導(dǎo)率有天然優(yōu)勢(shì)，但在材料穩(wěn)定性、生產(chǎn)控制和成本上仍存在較大壓力；二是聚合物路線，加工性更優(yōu)，可與氧化物和硫化物等材料復(fù)合，也可匹配超高鎳和富鋰錳基正極，負(fù)極可升級(jí)為硅基材料和鋰金屬或者無(wú)鋰負(fù)極。

這也是中國(guó)目前有關(guān)固態(tài)電池研發(fā)的現(xiàn)狀，原先部分單一技術(shù)路線逐漸往聚合物方向發(fā)展，硫化物科研項(xiàng)目驟增，部分行業(yè)高層提倡在包覆技術(shù)上采用鹵化物、聚合物、硫化物等不同材料，可因具體需求進(jìn)行研發(fā)。

總之，中國(guó)市場(chǎng)發(fā)展固態(tài)電池的整體方向是以市場(chǎng)為主導(dǎo)進(jìn)行研發(fā)，科研機(jī)構(gòu)成果轉(zhuǎn)化，車企與電池企業(yè)合力協(xié)作。

但是，社會(huì)各界有關(guān)材料、安全設(shè)計(jì)、整車要求、生產(chǎn)工藝、成本等方面的問(wèn)題以及進(jìn)展不盡相同。“2024年第四屆xEV電池技術(shù)論壇暨第二屆固態(tài)電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)大會(huì)”上，NE時(shí)代邀請(qǐng)行業(yè)各界相關(guān)人員，就固態(tài)電池相關(guān)話題展開(kāi)交流與討論。

01.

固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化難點(diǎn)

上海汽檢新能源先進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)室主任謝先宇對(duì)目前固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化遇到的重難點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié):

上海汽檢新能源先進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)室主任謝先宇

材料層面，高電導(dǎo)率、高界面穩(wěn)定性、高材料穩(wěn)定性是全固態(tài)電池材料的三個(gè)核心指標(biāo)，現(xiàn)階段材料存在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差、體積膨脹大、接觸界面過(guò)小、界面接觸失效、鋰枝晶生長(zhǎng)等材料學(xué)問(wèn)題；

固態(tài)電解質(zhì)雖然比液態(tài)電池理論安全系數(shù)更高，但不等同于絕對(duì)安全，電池系統(tǒng)存在依舊存在熱失控和熱擴(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn)，需要提高電芯級(jí)別熱失控預(yù)警能力和系統(tǒng)級(jí)別的熱擴(kuò)散防護(hù)能力；

與整車的融合設(shè)計(jì)。與液態(tài)動(dòng)力電池相比，全固態(tài)電池需要外部提供較高的束縛壓力，以保證固固界面下的電池反應(yīng)。此外，全固態(tài)電池對(duì)于整車的熱管理設(shè)計(jì)、CTB/CTP/CTC等集成設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)、全生命周期監(jiān)測(cè)與管理提出新的需求，需要整車企業(yè)協(xié)同，同步跟進(jìn)。

工藝層面，全固態(tài)電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)可采取串聯(lián)方式，沒(méi)有內(nèi)部極耳，可以提高制造效率；外部結(jié)構(gòu)以疊片+軟包形式為主，可以更好地施加界面束縛壓力，以保證電池的穩(wěn)定反應(yīng)，沿用濕法工藝制造的固態(tài)電池，可以沿用液態(tài)電池70%產(chǎn)業(yè)鏈資源，干法工藝部分設(shè)備依賴定制化開(kāi)發(fā)，正負(fù)極、隔膜等生產(chǎn)設(shè)備需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)；

成本上，當(dāng)前固態(tài)電池材料成本較高，且處于前期樣品階段，合格率低，未來(lái)在制造上成本會(huì)進(jìn)一步增加，疊加工藝變化，設(shè)備層面的成本也會(huì)相應(yīng)增加，需要整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)分?jǐn)偝杀尽?/p>

針對(duì)以上問(wèn)題，面向2027年小批量上車的目標(biāo)，各企業(yè)有哪些應(yīng)對(duì)方案，以及進(jìn)展如何？

在本次大會(huì)上，中科固能董事長(zhǎng)吳凡介紹了與李泓和肖睿娟團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的新型“2114”硫化物固態(tài)電解質(zhì)（可參照新型高濕度穩(wěn)定型硫化物固態(tài)電解質(zhì)），通過(guò)陽(yáng)離子摻雜手段提高硫化物空氣穩(wěn)定性和離子電導(dǎo)率。

中科固能新能源快科技有限公司董事長(zhǎng)吳凡

• 界面問(wèn)題

全固態(tài)鋰金屬電池作為固態(tài)電解質(zhì)與高能量密度的鋰金屬負(fù)極結(jié)合的產(chǎn)物，在解決安全性問(wèn)題的同時(shí)提高能量密度。但是硫化物固態(tài)電解質(zhì)匹配鋰金屬會(huì)不穩(wěn)定，在電池充放電循環(huán)過(guò)程中存在鋰枝晶生長(zhǎng)和固體電極/電解質(zhì)界面不穩(wěn)定的問(wèn)題，最終會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部短路、內(nèi)阻增加甚至電池失效。

針對(duì)該問(wèn)題，中科固能董事長(zhǎng)吳凡團(tuán)隊(duì)及中科院物理研究所設(shè)計(jì)一種通過(guò)軟碳與立方相納米LLZTO復(fù)合，形成一種高鋰離子擴(kuò)散系統(tǒng)的離子/電子混合導(dǎo)電界面保護(hù)層構(gòu)建SC+LLZO界面層，在超高電流密度下，促進(jìn)鋰金屬在界面層內(nèi)部的均勻沉積，抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)；高離子電導(dǎo)率和擴(kuò)散速率的LLZTO，相對(duì)均勻分布在SC顆粒的表面和間隙中，形成快速的鋰離子傳輸通道，促進(jìn)鋰離子向SC-nanoLLZTO界面層內(nèi)部遷移；鋰離子在界面層內(nèi)LLZTO網(wǎng)絡(luò)獲得電子形成金屬鋰，從而有效組織鋰枝晶在負(fù)極和電解質(zhì)之間的界面快速沉積。

• 產(chǎn)業(yè)化相關(guān)問(wèn)題

針對(duì)氧化物全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化，佛山（華南）新材料研究院新能源器件與材料中心劉亭給出了相關(guān)技術(shù)方案，材料層面，主要方向是電極材料快速燒結(jié)、高比能負(fù)極材料及多孔碳（CVD硅碳負(fù)極），工藝層面，主要思路是降低Li源損失、陶瓷電解質(zhì)膜帶流延及干法電極的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，器件應(yīng)用上，主要面向智能可穿戴、生物醫(yī)藥和微電子器件。

佛山（華南）新材料研究院新能源器件與材料中心劉亭

劉亭表示，目前市場(chǎng)上有大量未消化的高規(guī)劃石墨產(chǎn)能，其認(rèn)為可以通過(guò)高比容材料與石墨負(fù)極復(fù)合，滿足高容量需求的同時(shí)，消化現(xiàn)有產(chǎn)能。

對(duì)于干法電極的生產(chǎn)，劉亭介紹靜電粉末噴涂法，利用高壓靜電電暈電場(chǎng)原理，噴槍頭上的金屬導(dǎo)流杯接上高壓負(fù)電，被涂工件接地形成正極。在噴槍和工件之間形成強(qiáng)靜電場(chǎng)，當(dāng)運(yùn)載氣體將粉末涂料從供粉桶經(jīng)輸粉管送到噴槍導(dǎo)流杯時(shí)，其周圍產(chǎn)生密集的電荷，粉末帶上負(fù)電荷，在靜電力和壓縮空氣的作用下，粉末均勻低吸附在工件上，經(jīng)加熱，粉體塑化成均勻、連續(xù)、平整的涂膜。

• 成本問(wèn)題

對(duì)于成本問(wèn)題，博粵新材聯(lián)合創(chuàng)始人、研究院執(zhí)行院長(zhǎng)陳小波博士表示，LATP氧化物半固態(tài)電芯具備成本優(yōu)勢(shì)。半固態(tài)電池部分核心材料為常規(guī)材料，成本低于液態(tài)電池，但由于其環(huán)境管控要求高于液態(tài)電池，制造成本相對(duì)較高。預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)顯示半固態(tài)電池大規(guī)模量產(chǎn)時(shí)，電芯BOM成本為0.5729元/Wh，略低于液態(tài)電芯。

博粵新材聯(lián)合創(chuàng)始人、研究院執(zhí)行院長(zhǎng)陳小波博士

• 補(bǔ)鋰問(wèn)題

氧化物本身鋰離子電導(dǎo)率低，首次充電過(guò)程中SEI膜形成會(huì)消耗部分活性鋰，導(dǎo)致電池可逆容量降低，充放電循環(huán)過(guò)程中，電極表面副反應(yīng)增多，循環(huán)壽命變差，所以預(yù)鋰化成為其提高能量密度、改善循環(huán)壽命的必由之路。

預(yù)鋰化包括正極補(bǔ)鋰、負(fù)極補(bǔ)鋰。正極補(bǔ)鋰方式主要是富鋰化合物、二元鋰化合物和鋰復(fù)合物，在正極勻漿過(guò)程中添加補(bǔ)鋰材料，工藝簡(jiǎn)單且成本低；負(fù)極補(bǔ)鋰方式有鋰箔補(bǔ)鋰、鋰粉補(bǔ)鋰、添加劑補(bǔ)鋰等，但是其成本較高、工藝難度高、安全性低，尚未大規(guī)模應(yīng)用。

02.

哪家企業(yè)將率先突出重圍？

有關(guān)固態(tài)電池最新研發(fā)和企業(yè)相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)展。

固芯能源總經(jīng)理郭夕峰表示，在固態(tài)電池技術(shù)路線中，正極材料將逐步過(guò)渡到富鋰錳基；負(fù)極材料從人造石墨到硅碳、單晶硅，再到金屬鋰的進(jìn)化，目前公司超高比能硅負(fù)極18650系列電池試樣在2024年4月成功達(dá)到530Wh/kg。電解質(zhì)層面，第一步將采用原位固化的聚合物半固態(tài)電池，目前公司已批量化生產(chǎn)應(yīng)用，能量密度達(dá)400Wh/kg；第二步將應(yīng)用無(wú)隔膜氧化物準(zhǔn)固態(tài)電池，當(dāng)下已經(jīng)完成實(shí)驗(yàn)線產(chǎn)品的制備，核心性能已通過(guò)測(cè)試；第三步則邁向硫化物全固態(tài)電池，基礎(chǔ)材料評(píng)測(cè)當(dāng)中，固態(tài)電解質(zhì)性能良好。

固芯能源總經(jīng)理 郭夕峰

此外，固芯能源正在開(kāi)發(fā)第二代無(wú)隔膜氧化物準(zhǔn)固態(tài)電池，通過(guò)硅負(fù)極表面構(gòu)建陶瓷固態(tài)電解質(zhì)涂層，取消現(xiàn)有易燃易收縮的隔膜，進(jìn)一步提升電池安全。

中科固能吳凡透露，目前已經(jīng)成為寧德時(shí)代一級(jí)供應(yīng)商且已有硫化物電解質(zhì)訂單，與孚能科技、億緯鋰能、清陶能源深度合作且已有固態(tài)電解質(zhì)訂單。2024年在建項(xiàng)目包括溧陽(yáng)一期基地百噸級(jí)量產(chǎn)線、百兆瓦電芯試制線、溧陽(yáng)高新區(qū)中央研究院；2025年公司將進(jìn)入市場(chǎng)開(kāi)發(fā)期，完成主要核心原材料產(chǎn)能布局，實(shí)現(xiàn)8000萬(wàn)銷售額，四川基地規(guī)劃建設(shè)年產(chǎn)5000噸硫化鋰、硫化物固態(tài)電解質(zhì)生產(chǎn)線。

03.

全固態(tài)并非一蹴而就

針對(duì)固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展路線，郭夕峰表示，液態(tài)鋰電能量密度已經(jīng)接近理論極限，但是下游應(yīng)用領(lǐng)域要求日益提升，更高比能及安全性的固態(tài)電池是鋰電發(fā)展的必經(jīng)之路。

而半固態(tài)電池基于高安全性，與現(xiàn)有產(chǎn)線的高兼容性及良好的經(jīng)濟(jì)性，成為液態(tài)電池向全固態(tài)電池過(guò)渡的最優(yōu)選擇。

青島大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師趙寧

青島大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師趙寧也認(rèn)為，液態(tài)到全固態(tài)并非一蹴而就，逐步引入固體電解質(zhì)降低液體含量，電解質(zhì)厚度逐步降低，負(fù)極從石墨到預(yù)鋰化石墨/硅碳負(fù)極再到鋰金屬過(guò)渡，正極從LFP到高鎳、超高鎳和富鋰錳基正極演化。