全固态电解质研发及产业化进展

全固态电解质研发及产业化进展01

全固态电解质发展背景02

全固态电解质技术路线与主要挑战03

全固态电解质研发进展与思考目录C

O

N

T

E

N

T

S01全固态电解质发展背景•固态锂电池在世界范围内尚处于研发和中试阶段，中、

日、韩在固态锂电池开发领域处于技术领先地位；•欧美政府和多家企业寄希望于通过固态锂电池改变现有动力和储能电池格局，竞争日趋激烈；•中国因为产业链成熟与选择混合固液电解质电池而率先规模量产。●美国SolidPower、QuantumScape、Factorial、SolidEnergySystems、Sakti3、IonicMaterials、卫蓝、清陶、赣锋、国联、一汽、东风、上汽、辉能、有研稀土、宁德时代、比亚迪、中创新航、蜂巢能源、远景动力、国轩高科、孚能、亿纬锂能、马车动力、中汽创智、SEVC等中国韩国LG化学、三星SDI、SKOn 发展背景-固态锂离子电池已在世界范围内引发广泛关注日本丰田、

日产、本田、

日立、松下、物质材料研究机构、

日立造船、出光兴产、三井金属、东丽、汤浅、TDK等Bosch、大众、宝马、奔驰、Bollore（BlueSolutions）欧盟英国Dyson、Ilika、RicardoHydro-Quebec、Glabat加拿大4200160120804002024-2035中国全固态电池需求（GWh)202220232024E2025F~2027F~2030F~2035F 发展背景-消费者对动力电池提出了更高要求体积比能量产业布局机械强度质量比能量安全性湿空气耐受高能量密度和高安全兼得的动力电池是主要研发方向全固态电池在能量密度和安全性等方面表现优异全固态电池市场需求量逐年攀升工艺成熟度离子电导5《锂电池行业规范条件〈2024年本〉》《关于推动能源电子产业发展的指导意见》《科技支撑碳达峰碳中和实施方案〈2022-2030年〉》《“十四五”新型储能发展实施方案》《新能源汽车产业发展规划〈2021-2035年〉》日本韩国美国欧盟《电池产业战略》《2023二次电池产业发展战略》《锂电池2021-2030年国家蓝图》《电池战略研究议程》 研究背景-世界各国将全固态电池提升至战略高度中国、

美国、

日本、

韩国、

欧盟均出台相关发展规划和战略中国6东风

东风岚图蔚来赛力斯上汽集团广汽埃安长安汽车东风日产丰

田本

田大众宝

马奔驰固态电解质聚合物固态电池氧化物固态电池硫化物固态电池电池企业和车企纷纷加入，中国逐步建立全固态电池产业链，参与企业全球最多正极材料

负极材料 研究背景-全固态电解质赛道设备铝塑膜7中游：全固态电池加工制备镧源锂源镍源钴源锰源锆源其它上游：基础材料及设备下游应用全固态电解质技术路线与主要挑战02在安全底座保证的前提下提高能量密度能量密度

40%安全

全固态核心价值安全

能量密度9无机固态-氧化物优点：机械和热稳定性好；缺点：离子电导率低、

易脆裂、

界面问题严重。无机固态-硫化物优点：离子电导率高，高柔韧性；缺点：稳定性差、

成本高，电化学窗口窄。无机固态-卤化物优点：高柔韧性，容易加工，氧化电位较高；缺点：还原电位不够低、

材料成本高。聚合物电解质优点：高柔韧性，容易加工，良好的界面接触；缺点：离子电导率低（需要高温）、

电化学窗口窄、

高压下会被氧化。没有任何一种固态电解质十全十美，硫化物路线或率先突破 研究现状-不同类型固态电解质优缺点101、

包覆层不恰当至离子传输受阻2、

电解质/正极晶格错配3、

界面反应钝化4、

晶格膨胀收缩至界面失效5、

固固界面接触差固固界面硬接触，机械和电化学稳定性显著影响全固态锂电池的循环性能和倍率性能

全固态电解质主要挑战1：固固界面锂负极界面问题液

态

固

态11如图(a)所示：锂离子的

“络合-解络合-再络合

”过程的反复进行并随聚合物链段运动在不同络合位置跃迁，从而实现锂离子实现长距离传导。如图(b)中所示，离子传导有三个主要因素：离子沿链的链间运动

(τ1）聚合物段的松弛

(τ2）一个链到另一个链的链内跳跃

(τ3

）

全固态电解质主要挑战2：离子电导率问题-以聚合物为例离子输运机制，固态电解质中的离子迁移能垒较高，导致离子电导率较低，限制了全固态电池的充放电速度和循环性能。Xue

Z,et

al.J.Mater.

Chem.A,

2015,

3,

19218-1925312Naturematerials

18(10),

1105-11111、充电过程不均匀沉积导致枝晶2、放电过程锂扩散缓慢导致空穴与极化

全固态电解质主要挑战3：锂枝晶问题-以锂金属负极为例尽管固态电解质具有高机械强度，但锂枝晶的生长仍然是一个关键问题。13湿法工艺存在电性能衰减问题干法工艺存在膜片分散性、

均匀性挑战

全固态电解质主要挑战4：加工和制造挑战孔隙缺陷，致密度低受压导致搭接短路核心工艺在于固态电极和电解质成膜环节，极片结构很大程度影响电池性能电芯高效致密化成型面临挑战制造工艺不成熟14Li2

S

P2

S5

LiCl电解质固态电解质合成成本高、量产工艺不成熟

全固态电解质主要挑战5：环境控制及成本问题原料成本（元/kg)50000

40000

30000

20000

10000 0硫化物电解质空气稳定性差问题

硫化物电解质空气稳定性研究框架硫化物固态电解质空气稳定性问题-生成有毒物质硫化氢气体1503全固态电解质研发进展与思考半固态电池技术方案固态电解质电极添加剂或包覆正极固态电解质涂覆隔膜原位聚合/固化固态电解质种类氧化物/聚合物等氧化物/聚合物/硫化物等聚合物半固态电池特点与现状特点：电化学原理与锂离子电池不同，不属于颠覆性技术，只是提升安全性的技术之一现状：半固态电池正在试装车，但良品率、电池成本、充电倍率、循环寿命等还需解决风险：与十几年前汽车电动化转型初期是选择油电混动还是纯电驱动的情形类似。;;当前中国固态电池技术路线多元化、

以固/液混合为主

固/液混合电池布局早，产业链完整，各企业正在尝试或部分已经装车

从行业全局看，既要发展渐进性半固态技术路线，又要防范激进型全固态技术路线带来的颠覆性风险

固液混合技术路线17通过调节聚酯聚合物骨架结构和液态电解液配方，优化凝胶态电解质的离子传输性能、

机械性能、

温度适用范单体设计电解液优化

前驱体配制电池组装及聚合宽温域应用围和电化学性能等，采用原位聚合方法装配准固态锂/钠离子电池18含氧骨架调控及电解液优化

储锂/钠动力学和稳定性

工艺路线：聚酯基聚合物骨架原位固化原位热聚合2h宽温域应用(-20~70

℃)物理属性（FT-GT057）水分≤20ppm离子迁移率≥0.8游离酸≤50ppm密度1.2

±0.03g/mL色度≤20Hazen机械性能2GPa粘度≤3mPa•s氧化电位5.5V电导率（25℃)8-11mS/cm热稳定性180℃固化后电导率4-6mS/cm运输储存温度5-15℃电化学性能（NCM622+AG，4.3V）25℃循环1C/1C，循环1800周，容量保持率＞85%55℃循环1C/1C，循环1200周，容量保持率＞80%60℃存储30d容量恢复率96%，体积膨胀率＜8%一、

耐高温高安全性半固态电解质（中高镍三元电池、

磷酸铁锂电池、

钴酸锂电池）

半固态电解质相关产品介绍19半固态电池针刺测试：不起火不爆炸安全性测试测试项目标准要求GB32141-2022电池安全性能针刺/5mm，针刺速度25mm/s热滥用（

130±2）℃保持1h150℃保持1h挤压0.1mm/s，挤压力13±0.78kN0.15mm/s，17kN过充4.7V5.2V一、

耐高温高安全性半固态电解质（中高镍三元电池、

磷酸铁锂电池、

钴酸锂电池）

半固态电解质相关产品介绍液态电池针刺测试：易起火20物理属性（FT-GT017）水分≤20ppm离子迁移率≥0.8游离酸≤50ppm密度1.2

±0.03g/mL色度≤20Hazen机械性能2GPa粘度≤3mPa•s氧化电位5.5V电导率（25℃)8-11mS/cm热稳定性150℃固化后电导率4-6mS/cm运输储存温度5-15℃电化学性能（NCM622+AG，4.3V）25℃循环1C/1C，循环2000周，容量保持率＞85%55℃循环1C/1C，循环1300周，容量保持率＞80%-10℃容量保持放电＞80%81.21%

80.07%-10℃

55℃二、

宽温域半固态电解质（磷酸铁锂电池、

钴酸锂电池、

中高镍三元锂电池）

半固态电解质相关产品介绍120.00%100.00%80.00%60.00%40.00%20.00%0.00%液态

半固态110.49%111.18%21物理属性（FT-GT024）水分≤20ppm离子迁移率≥0.8游离酸≤50ppm密度1.2

±0.03g/mL色度≤20Hazen机械性能2GPa粘度≤3mPa•s氧化电位5.8V电导率（25℃)8-11mS/cm热稳定性150℃固化后电导率4-6mS/cm运输储存温度5-15℃60℃7天容量保持率%容量恢复率%95.0%99.7%

HC610P

221102-3凝胶

221102-3A凝胶

221102-3B凝胶80.0%

85.0%

90.0%

95.0%

100.0%电化学性能（NCM622+AG，4.4V）25℃循环1C/1C，循环1500周，容量保持率＞80%55℃循环1C/1C，循环1100周，容量保持率＞80%60℃储存7d容量保持＞95%三、

高电压半固态电解质（钴酸锂电池、

中镍三元电池、

富锂锰基电池）

半固态电解质相关产品介绍液态

半固态1C120.00%100.00%80.00%60.00%40.00%20.00%0.00%90.1%92.1%93.8%93.9%95.1%96.5%220.33C0.5C3C2C5C中等效果良好润湿性中等效果提高聚合物电解质性能的关键

：（

1）锂盐（LiX）的解离

；（

2）锂离子的迁移。PEO的熔点较高（~65℃)

,

通过加入塑化剂（如纳米SiO2

，Al2O3等）

，可降低该聚合物电解质的玻璃化温度。集流体涂覆聚合物电解质活性物质1.注入液态电解质A:硬凝胶B:布丁状“软性”

固体

思考1：全固态聚合物体系优化电芯组装和热“愈合”2.原位聚合23Single

Lithium-IonConduct