固态电池行业报告（37页）

行业报告下载 2024年06月23日 08:48 管理员

除高安全性及能量密度，固态电池具有更好的低温性能。液态电池在低温下，由于电解液粘度增加，锂离子电导率降低，电池内阻上升，容量损失较大，甚至可能因电解液凝固导致电池无法正常工作。固态电池由于使用固态电解质，避免了液态电解质的这些问题，根据《Tailoring polymer electrolyte ionic conductivity for production of lowtemperature operating quasi-all-solid-state lithium metal batteries》，聚合物固态电池在-20℃的表现远优于液态电池，且在-50℃条件下仍能正常工作。纵使固态电池具有高安全、高能量密度、优秀的低温性能等一系列优势，其产业化进程仍存一定阻碍，一方面由于生产工艺复杂、成本高，另一方面由于固态电池仍然存在科学问题，根据《全固态电池的研究进展与挑战》，固态电解质离子输运机制、锂金属负极枝晶生长机制、多场耦合体系失控/失效机制为固态电池三大核心科学问题，先进表征技术、原理机制创新、新型材料创制成为固态电池进一步发展重要途径。根据不同的电解质类型，固态电池主要包括聚合物、氧化物、硫化物三种技术路线。其中聚合物固态电池具有良好的机械性能，但常温下离子电导率较低；氧化物固态电池离子电导率较高，热稳定性好，适合大规模生产，但界面接触差，为目前半固态电池主要技术路线；硫化物电解质离子电导率最高，电化学窗口宽，柔度和可塑性好，或最终为全固态电池主要路径，但其生产要求高，且硫化锂前驱体昂贵，短时制约其商业化。氧化物电解质主要包括石榴石型、钙钛矿型、NASICON、LISICON 等，其中 LLZO 为代表的石榴石型氧化物固态电解质与锂负极接触稳定性高，同时拥有较宽的电化学窗口，但空气中不稳定，界面相容性较差；NASICON 型固态电解质对空气环境稳定性更高，但在固态电池循环中 Ti4+与锂金属负极接触易被还原，导致对锂金属电化学稳定性较差。目前石榴石型电解质为氧化物半固态电池主流选择。硫化物固态电解质中的 S 2-半径比氧化物固态电解质中的 O 2-大，且极化用强，用硫元素代替氧元素，可以增加电解质内部的晶胞体积、扩大 Li+的传输路径，提高离子电导率，但硫化物固态电解质对生产环境要求极高，导致了工艺成本升高。硫化物固态电解质主要包括玻璃、玻璃陶瓷、Thio-LISICON 型、LGPS 型和硫银锗矿型。玻璃态硫化物电解质是最早被研究的快离子导体之一，由于玻璃态电解质没有晶粒，有效消除了晶界阻抗，使玻璃态硫化物电解质比相同组分的晶态硫化物电解质离子电导率高 1-2 个数量级，且玻璃态硫化物电解质合成工艺与当前多种技术兼容，有扩展到商业应用的潜力；玻璃陶瓷相是通过对玻璃态硫化物电解质进行高温析晶而得，析出的微晶超离子导锂晶相可以通过非晶态玻璃基体连接而形成连续的传导网络，是玻璃陶瓷具有较强的离子传导能力；Thio-LISICON 型材料具有较好的电化学稳定性，但离子电导率较低，在固态电池中的应用受到限制；LGPS 型硫化物电解质离子电导率高，但其中的 Ge 元素成本高且对锂金属不稳定，Sn、Si、Al 等元素对 Ge 的替代可有效降低成本，并进一步提升离子电导率；硫银锗矿型电解质在高温下具有高离子电导率，但热稳定性较差。

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