中科院欧阳明高-全球固态电池技术发展展望

CIBCIBF2024ConferantheFreontierTechno完进电池前油技术明完进电池前油技术明册国外全固态电池技术趋势：日本全固态电池技术路线图20205下普及期2025年推广模式2030年推广模式(电解质类型)第1代全固态LIB(硫化物系)下一代全固态LIB(高离子传导性硫化物系或氧化物系)400公里200公里480公里240公里1.5万日元/kWh1万日元/kWh15年2000次和汽油车同等的可确保安全性和汽油车同等的可确保安全性电池组充电时间(快速充电)20分钟10分钟20分钟10分钟(先化需果第1世代革新型蓄池20-02015事果员始诗点三元系高性能石固系電解-小型单展电池一连续制备高Ni三元系、R用离子系碘黄系等203020352040-中型居压电池一连续制备/全图体LIB破化物系電解贸20202025单层电池备国外全固态电池技术趋势：日本全固态电池技术路线图2020普及期2025年推广模式2030年推广模式蓄电池种类(电解质类型)第1代全固态LIB(硫化物系)正极：三元系等负极：碳系等下一代全固态LIB(高离子传导性硫化物系或氧化物系)车辆种类PHEVPHEV电动行驶距离400公里200公里480公里240公里电池组容量成本1,5万日元/kWh1万日元/kWh电池组重量电池组重量能量密度400Wh/kg电池组体积电池组体积能量密度600Wh/L800Wh/L电池组重量输出密度2000W/kg2500W/kg电池组日历寿命10年15年电池组循环寿命1500次2000次车辆环境温度-30-60℃-30-60℃电池组安全性和汽油车同等的可确保安全性和汽油车同等的可确保安全性电池组充电时间(快速充电)20分钟10分钟20分钟10分钟(液系LIB)(硫化物柔)0-電解質高性能Si合金系、一连续制备一批量制备一连续制备第1世代CS扫描全能王国外全固态电池技术趋势：德国全固态电池技术路线图20222021/22shorttermEUgoal:Gen3costatpacklevel<100hEUgoa:Gen.4400-500+Vhkg,800-1000+WM(ostatpaclevel<756Wh对于轿车应用而言，1000瓦时/升比500瓦时/公斤重要的多锂金属/氧化物/(NCM:凝胶)[imev[oxideSE]/[Gelcatholyte,NMC]eralues:315Whikg,1020WM锂金属/氧化物/(NCM:硫化物)+硅碳/硫化物/(NCM:硫化物)[siC]/ideSE]/sulfideSC,NMC][umetal]/[SulfideSE]J/|SulfideSC,NMC][umetal]/[SulfideSE]J/|SulfideSC,NMC][umetall/[PolymerSE]/[PolymerSC,LFP]锂金屑/聚合物/(LFP:聚合物)est.values440Whvkg,900Whl银金厂/聚合构/(NCM:聚合物)国外全固态电池技术趋势：研发现状关健设计数400Whkg固态电池参数QuannumScapeSKOni三星SDI丰田日产活性材料Li金属无负极Li厚度20μm周态电解质密度2.0g/cm³~1.5~1.3~1.3致密性>96%厚度25μm离子电导率2mS/cm1正极克容量215mAh/g//面容量4.5mAh/cm²3.0~4.0/容量Ah级4-5可提高25%循环至80%5000圈1工作温度25℃/能量密度400Whkg氧化物硫化物聚合物第一代全固态电池(NCM:硫化物：石墨)全固态电池试点工厂建设全固态电池量产(NCM:硫化物：锂金属)1000瓦时/升扫描全能王~1Ah样品全固态电池生产建设20Ah原型电池40Ah原型电池202720282029(NCA:硫化物：带功能层的无负极结构)原型电池400Wh/kg,800Wh/L丰田&松下三星电池量产国内固态电池技术趋势：动力电池技术路线图■中国还没有正式发布国家级全固态电池技术路线图■以重量比能量为标志的中国动力电池材料体系研发与产业化发0全固态电池全固态材料体系①固态电解质②高镍/超高镍、宜锂正极全固态材料体系①固态电解质②高镍/超高镍、宜锂正极③离硅/纯硅、锂金属负极子电池先进液态材料体系①高电压、富俚正极②高硅、锽金民负移低成本材料体系①氧化物、聚阴离子②碳、软碳负极③改进电解液长寿命低成本材料体系①磷酸锰铁锂正极村料②镍忆酸锂正极材料20302035高比能电池口2022-2025年：高镍三元等正极，石墨和硅碳负极，发展新型电解液和添加剂，实现车规级单体350Wh/kg的口2025-2030年：高镍三元、富锂正极和高硅、金属锂负极，液态电解质或固态电解质(二者其一或二者都行),口2030-2035年：高镍三元和富锂锰正极、锂金属负极和固态电解质、金属/空气及锂硫材料体系的成功应用，实现车规级500Wh/kg的目标低成本电池口磷酸铁锂、镍锰酸锂、磷酸锰铁锂及其与三元掺混金属空气电池体系等CS扫描全能王国内固态电池技术趋势：研发现状■相比国外，重点以半固态(固/液混合)为特色，固/液混合电池布局早，产业链完整，企业正尝试装车■对全固态认知不一，技术方案多元，主流技术路线尚未确定，舆论上一般均以宣传高比能量凸显清华大学北京大学物理所北航物理所北航卫蓝新能源国联动力有研稀土中电科十八所有研稀土中电科十八所东南大学中汽创智远景动力屹锂新能源上海交通大学东方理工大学宁德时代辉能辉能马车动力广汽埃安厦门大学厦门大学南方科技大学孚能科技确立面向2030年全固态电池技术路线的总体原则全固态电池的技术现状小结·从产业化计划最落实的丰田、日产和SDI看，均采用高镍三元正极，硫化物电解质，差别只在负极·目前国内外还没有开发出大于400瓦时/公斤，满足综合性能要求，能够商业化的全固态车用电池·总体看全固态电池需攻克一系列工程难题，目前技术方案百花齐放，主流技术路线尚未完全统一确立面向2030年全固态电池技术路线的总体原则全固态电池的技术现状小结·从产业化计划最落实的丰田、日产和SDI看，均采用高镍三元正极，硫化物电解质，差别只在负极·目前国内外还没有开发出大于400瓦时/公斤，满足综合性能要求，能够商业化的全固态车用电池·总体看全固态电池需攻克一系列工程难题，目前技术方案百花齐放，主流技术路线尚未完全统一已有技术路线的回顾与总结·新能源汽车技术路线：国际燃料电池轿车与中国纯电驱动轿车、日本油电混动与中国插电式混动·动力电池的技术路线：早期国际镍氢中国锂电、后来国际三元电池为主与中国磷酸铁锂电池为主·我国新能源汽车和液态锂离子电池技术路线引领全球，应当在全固态电池开发中也建立起中国技术路线·保优势防颠覆，攻克全固态，兼顾优化液态；重点攻关负极，突破锂金属，兼顾硅碳(固态/液态共用)·近期面向300瓦时/公斤：600瓦时/升目标，打通全固态动力电池全技术链，实现现有轿车动力电池换代·中期面向500瓦时/公斤：1000瓦时/升目标，突破高比能量全固态动力电池，实现未来交通的全面电动化*目标时间为规模产业业n+问近期指3-5年；中期指5-10年材料开发表面包覆技术、材料开发表面包覆技术、超薄电解质膜、高性能固态电解质、结构设硅碳负极、高固态电解质、复合正负极、项目克容量(mAh/g)电芯容量(Ah)电芯重量(g)与现有轿车用高镍三元申池相比安全性能大幅提升，并全面改善其他性能，并为比能量提升一倍打下基础图扫#王□固态电解质：自主开发了一系列硫化物固态电解质，基础材料离子电导率超过10mS/cm,可进行纳米级粒径调控，已实现单批次公斤级稳定制备。o=9.2mS/cm°41.0cm基础型w,J040020J040020Z'1Ω2TLcta/dktreZ'1Ω掺杂型2Thcta/degrre一纳米型纳米型2Teta/dcgre0=3.2mS/cm2Teta/dcgre0=3.2mS/cm扫描全能王扫描全能王分析预测硫化物电解质价格，并考虑回收，未来全固态电芯的成本有希望低至0.4元/Wh当前硫化物材料价格昂贵的原因：1、硫化物全固态电池目前尚处于产业化探索阶段，材料需求量不大，属于小众市场。2、相关工艺设备尚不成熟，材料制备等摊销很大。3、工艺门槛较高，掌握关键技术的单每吨Li₂S的BOM成本构成基于目前国内主主要原料辅料/耗材流的碳热还原工艺进行核算。硫酸锂碳源用量(吨)/吨价(万元)/总价(万元)3材料锂含量计算分类锂含量(质量)锂盐LI₂S30,1%LIOH28.9%Ll₂CO₃LIClLI₂SO₄硫化物固态电解质Li₆PS₅ClLIs.APS4ACl1.6Ll₉.54Sl1.74P1.44S11.7Clo.312.1%Ll₃PS₄Li₇P₃S119.8%LI₇P₂S₈l9.8%未来硫化物关键材料的价格趋势判断：1、随着硫化物全固态电池走向产业化，规模化效应将导致生产成本的大幅降低。2、随着技术成熟，工艺门槛降低，原材料 (元素)价格将成为生产成本的决定因素。硫化锂中的锂元素含量高于其他锂盐，且对环境、设备、储运的要求更高，必然是一种高价格锂盐；但由于硫化物固态电解质中的锂元素含量远低于硫化锂，其吨价将很可能低于硫化锂。每吨L₅PS₄CL₆的BOM成本构成进行核算.主要原料辅料/耗材硫化锂用量(吨)1吨价(万元)/总价(万元)2总BOM(万元)28.6CS扫描全能王■固态电解质：采取粘结剂设计改性、溶剂适配、粒度匹配等措施，研发了超薄高机械强度硫化物固态电解质膜，厚度薄至25um,并在软包电池体系中实现了验证厚度■固态电解质：研究硫化物电解质热稳定性，揭示了硫化物电解质与高镍正极存在两种不同失效机理：气固反应、固固反应O,espeTLO◆5uldet~YuS(s)·Pnosch{L)·△HSuiides+O₂LPSCILOPsLPSS/LPS7ooOsMsznfe固固反应Temperature(℃)iVDonn★IiV食45C.Ups,POfIC0oLo23LNO,PD田1740919~r生20门S—Ps,soccFOFOPS.4yC>LPS7/LPS3电解质在较低的温度下与正极释放的O₂发生反应，属于气固反应失效路径。LPSC/LGPS硫化物与正极的热失效反应为固固反应，反应发生的温度比较高，安全性大幅改善■复合正极：通过前驱体结构设计及结构调控，制备了匹配硫化物全固态电池的Ni90高镍正极，全固态电池体系下容量超过235mAh/g,1C稳定循环超过1000圈，5C下循环超过10000圈传统多晶正极一次颗粒结构稳定性较差超细晶粒高离子扩散率高结构稳定性2.8-2.8-——NCM——NCM902.0-□Dischargecapacity口全固态Ni90正极首圈放电比容量达到235.2mAh/g,1C放电比容量达到195.54mAh/g,□1C循环1000周容量保持率达到□5C循环10000圈容量保持率达NCM-NCM-超细品粒00扫描全能王理论分析理论分析微观表征■复合正极：通过活性材料、电解质等尺寸及比例设计，开发了高压实复合达到业内领先水平124P81.32%200样品首效(%)面容压实密度普通正极高压实正极1高压实正极2欧阳明高院士工作站-华宜清创公司创新性提出硅碳负极材料的一步法制备技术华宜渭创结构优化低成本低成本自蔓廷反应前驱体自蔓廷反应前驱体44th界面成分化化严物收果严物收果界面改性吐盖真极材轩长寿命高比容量高首效长寿命高比容量扫全的王■复合负极：通过采用高锂离子导率、低电子导率的材料作为界面修饰材料，提高硅碳负极材料和硫化物电解质的界面稳定性，改善硅碳负极材料的循环性能。2500000华宜渭创HYoCNawMaterlas400循环，容量保持率为96%0硅烷沉积多孔碳代表性企业80循环，容量保持率为77%500-0o000界面修饰的硅碳负极材料应用于硫化物全固态电池，硅碳负极材料的首次放电比容量为1500mAh/g,首次充电比容量为1350mAh/g,首次库伦效率为89%,1000次循环后材料的容量保持率为82%。扫描舍的王四I新源车创新中心工作温度区间相较于传统液态电池安全性有大幅提升。硫化物全固态电池热滥用测试硫化物全固态电池热滥用测试400200——正面中心一—反面中心热箱，220℃维持26min后电池失效0时间/mnH₂SH₂S气体检测传感器0Tine(min)·失效瞬间释放少量于10ppm失效瞬间I4——Yoltage0000时间/s叫间/sSol-4-SuUnDncy雷原位界面固化人工SEI2D打印微胶囊修复缺陷原位界面固化人工SEI2D打印微胶囊修复缺陷恩雨全相王■制造工艺：正在与头部设备厂商合作，共同开发专用设备，打通了全固态电芯的连续装配工艺流程，将建设全固态电池生产线，可实现每年至少650万个60Ah电芯的产量，对应1.4GWh的产能消升MSUneFFD容量年产量1.4年产量只得河LIU目录1.确立全固态电池技术路线2.打通全固态电池的技术链(面向300瓦时/公斤：600瓦时/升目标，实现现有轿车动力电池换代)3.突破高比能量全固态电池(面向500瓦时/公斤：1000瓦时/升目标，实现未来交通的全面电动化)攻克面向500瓦时/公斤电池的高容量锂金属负极技术4硫硫高压400高压石墨高压层状氧化物石墨高压层状氧化物锂金属负极优势：极高的理论比容量(3860mAh/g)极低的电极电势(-3.04V.相对标准氢电极)锂金属负极挑战：形成锂枝晶、“死锂”巨大的体积膨胀，界面高反应活性攻克面向500瓦时/公斤电池的高容量锂金属负极技术方向1构建三维复合骨架方向1构建三维复合骨架三维金属基骨架碳球结构碳纤维材料方向2开展亲锂表面改性Dendrito-freeLi·均化锂离子分布·抑制锂枝晶产生方向3引入人工界面层方向3引入人工界面层非原位人工界面层刮涂等方法引入包括含氟、含硫等界面层，通过化学反应等方法引入·提高负极循环效率.攻克面向500瓦时/公斤电池的高容量锂金属负极技术□复合金属锂负极应用：面向高能量密度电池400-300-201920192020智环寿命1000圈。:三星公司披露的全固态电池体积能智环寿命1000圈。CS扫描全能王攻克面向500瓦时/公斤电池的高容量锂金属负极技术快充提升安全性(锂金属熔点180C)攻克面向500瓦时/公斤电池的高容量锂金属负极技术■采用锂金属负极的500瓦时/公斤：1000瓦时/升高比能量全固态电池产业化科学技术难题高镍正极硫化物电解质超薄硫化物电解质膜锂金属负极一关键材料电极/电解质界面溶出Au不可逆口韩尽层从H电压上限中间相晶恪失配体积膨胀大机械稳定性AN裂不可逆相变电极释氧复合电极电芯性能过过A电压信率增加动力性▲容盟套被次至CS扫描全能王建立基于人工智能的全固态电池新型研发范式■人工智能正在改变材料研发范式，将大幅加速全固态电池研发速度经验科学第一范式观察实验理论科学化学等计算材料学(模拟科学)第三范式机理模型数据驱动(人工智能)大数据机器学习模式识别可视化学习假设问题文本ErtusA一ARSSGoogleDeepMind利用Al+DFT计算发现了220万个可能稳定结构美国加州大学伯克利分校A-Lab自主设计合成新材料CS扫描全能王建立基于人工智能的全固态电池新型研发范式□国内缺少固态电池核心技术数据库，不利于明晰关键技术环节，难以集中研发力量■自GPT3.5、垂类大模型涌现，基于大数据与大模型的科学发现成为新一代研发范式■国际上开始用AI筛选固态电解质，国内急需大数据大模型提供智能服务，助力科研突破美国利用人工智能和高性能云计算美国利用人工智能和高性能云计算筛选全固态电池电解质微软与PNNL合作，从3200万种无机材料中选出1种固态电解质，完成预测到实验的闭环血AaLzz)6三1金属idomitsu妇且LE(1分LNBtA3NnCyBuAISInLB近酸大学sIrNISSANBDHP大n4实验验证福井大学大阳公白大?10P其寻nite柽涤产粱省活世ん己大TOPPAN△人三力几E员化Paen'e固态电解质筛选过程6范意月而夕它ン夕一&西

食I山◆住友化oNoAoEKA又uelGSTu産KOMATuM促文部科学省aAIST大DAIIATSU8f大大学21会人?mmRataa□号四mDL2BB-扫描金王建立基于人工智能的全固态电池新型研发范式■全产业链技术谱系及知识产权数据库建设全产业链全产业链基于已有谱系经验电解质卤化物氧化物锂诞施玻璃态电解质电解质墙预电解质疏化锂(U₂S)基电解质复合电解质复合电解质功能性修饰硫化彻电解质①谱系模组/系统工艺/装备自U₂SP₂SsU₁GoP₂S1(LGPS)LSiS₃高能显空度型高信率型高安全型②全球技术专利来源全产业链知识产权数据库子数据库I子数据库Ⅱ子数据库Ⅲ表表征分析多尺度问题计算仿真建立基于人工智能的全固态电池新型研发范式赛科检测宏观安全性可靠性力学性质物理性质化学性质电学、热学BTSARCIBCEISLSVCVSTADSC波谱、光谱、色谱、质谱HPLCGCICICPMSIRRamanNMR能谱、衍射能谱、衍射XRFND