固態鋰電池指電池電解質部分采用固態材料的鋰二次電池。固態電池與傳統鋰離子電池不同在于固態電池以固態電解質替代了傳統鋰離子電池的電解液、電解質鹽、隔膜。

固態鋰電池具有兩方面潛在優勢

一、安全性高。采用有機電解液的傳統鋰離子電池,在過度充電、內部短路等異常情況下容易導致電解液發熱,有自燃甚至爆炸的危險。而全固態鋰電池基于固態材料不可燃、無腐蝕、不揮發、不存在漏液問題;

二、能量密度高。固態電解質無需隔膜與電解液,可以節約近40%的體積和25%的質量。如果配套新的正負極材料(鋰金屬負極)可以使得電化學窗口達到5V以上,有望將能量密度提高至500Wh/Kg。

此外,固態電池還具有循環壽命長、工作溫度范圍寬、可快速充電等優點。

固態鋰離子電池與傳統鋰離子電池對比

資料來源：恒大研究院

固態電池分類

按照電解質材料的不同,固態電池可以分為聚合物、氧化物和硫化物三大體系。其中聚合物電解質屬于有機電解質,氧化物和硫化物屬于無機陶瓷電解質。總體來說,聚合物電解質技術最成熟,已經率先實現小規模量產,但是理論能量密度不及其他兩類電解質;氧化物電解質性能優于聚合物電解質,但薄膜型氧化物電池容量較小、只能應用于消費類電子領域,非薄膜型氧化物電池技術相對還不夠成熟;硫化物電解質理論上最適合于電動汽車領域,但是開發難度最大。

按照正負極材料的不同,固態電池還可以進一步分為固態鋰離子電池(沿用當前鋰離子電池材料體系,如石墨+硅碳負極、三元正極等)和固態鋰金屬電池(以金屬鋰為負極)。由于固態鋰離子電池與當前的電池體系最為接近,日韓本身又擁有成熟的鋰電產業鏈,因此目前日韓企業大多采用硫化物+固態鋰離子電池的路線。而歐美初創企業則立足于顛覆性的技術,大多采用聚合物/氧化物+固態鋰金屬電池的路線。

固態電池分類

資料來源：恒大研究院

固態電池專利現狀

從數量上來看,固態電池領域專利數目由2007年26件增長至2017年273件,增長超過10倍,同時全固態電池專利數目占比由零提升至近一半,說明固態電池尤其是全固態電池的研發越來越受到各方面的重視。

固態電池及全固態電池專利數量統計

資料來源：DerwentInnovationIndex

固態電池及全固態電池各國情況統計

資料來源：DerwentInnovationIndex

從地域上看,日本目前擁有固態電池專利916件,占比接近一半,領先優勢較大。其次美國和中國分別擁有398件、362件,身位接近。韓國擁有100件位居第四。全固態電池方面,日本擁有專利657件,占比75%,領先優勢更加明顯。中國、韓國分別擁有專利128件、37件;美國在全固態電池領域稍弱,僅擁有29件專利。

國內固態電池進展

國內固態電池研發主要依托于中科院等科研機構,不過近幾年部分企業開始嘗試進行科研成果的產業轉化,例如贛鋒鋰業與中科院寧波材料所許曉雄團隊合作、中科院物理所與衛藍新能源合作等。總體來看,國內的固態電池研發呈現較為分散的格局,而且國內產業界(包括整車企業與電池企業)在固態電池領域的積累遠不及豐田等國外競爭對手。

國內主要固態電池研發進展及應用情況

資料來源：恒大研究院

中科院青島能源所儲能院崔光磊團隊長期從事復合聚合物固態電解質研究,目前已研制出全海深高能量密度高安全固態鋰電池動力系統,能量密度達300Wh/Kg,并且在馬里亞納海溝完成1萬米的高壓環境下完成深海測試。

中科院寧波材料所許曉雄團隊從事氧化物與硫化物固體電解質研究,已經開發出能量密度達到260Wh/Kg的10Ah固態單體電池。借助寧波材料所的技術,江西贛鋒鋰業在寧波當地投資5億元人民幣籌建億瓦時固態動力鋰電池生產線。第一代固態鋰電池技術通過中汽研汽車檢驗中心檢驗,放電容量約13Ah,能量密度約245Wh/Kg,循環1000次后容量保持率大于90%。

固態電池可滿足2030年新能源汽車技術政策目標

由中國汽車工程學會研究編制的《節能與新能源汽車技術路線圖》要求:2020/2025/2030年單體比能量分別達到350/400/500瓦時/公斤,系統比能量分別達到250/280/350瓦時/公斤。

中科院院士、國家“863”計劃節能與新能源汽車重大項目總體專家組組長歐陽明高教授指出,2020年的目標可以依靠高鎳三元正極材料與硅碳負極材料的組合實現,2025年的目標可以依靠正極材料由高鎳三元向高容量富鋰錳基材料轉變實現,但基本到達極限。而要實現2030年目標,固體電解質層面的突破是一條必由之路。