新一代新能源電池及材料 ——固態(tài)電池發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)
表1 液態(tài)鋰離子電池及半固態(tài)和全固態(tài)電池材料對(duì)比表
名稱 | 液態(tài)（傳統(tǒng)） | 半固態(tài) | 全固態(tài) |
正極 | 三元/磷酸鐵鋰 | 三元高鎳/超高鎳 | 三元高鎳、富鋰錳基、硫/空氣 |
負(fù)極 | 石墨為主，可以摻硅 | 硅基負(fù)極/鋰金屬負(fù)極 | 鋰金屬負(fù)極 |
隔膜 | 濕法/干法隔膜 | 濕法+涂覆，孔徑更大 | 不需要隔膜 |
電解質(zhì) | 液態(tài)占比10%-20% | 液態(tài)占比1%-10% | 固態(tài)電解質(zhì) |
表2 固態(tài)電池材料發(fā)展趨勢(shì)表
名 稱 | 類 型 | 電解液 | 隔 膜 | 正 極 | 產(chǎn)業(yè)化時(shí)間 |
第一代 | 半固態(tài) | 部分替換為固態(tài)電解質(zhì) | 不變 | 三元 | 2022年后 |
第二代 | 全固態(tài) | 全部替換為固態(tài)電解質(zhì) | 取消（少數(shù)方案保留） | 三元 | 2023-2024年 |
第三代 | 全固態(tài) | 全部替換為固態(tài)電解質(zhì) | 取消（少數(shù)方案保留） | 三元 | 2025年后 |
第四代 | 全固態(tài) | 全部替換為固態(tài)電解質(zhì) | 取消（少數(shù)方案保留） | 硫化物/鎳錳酸鋰/富鋰錳基 | 2030年后 |
（二）技術(shù)迭代路徑
固態(tài)電池技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用預(yù)計(jì)將呈現(xiàn)梯次滲透趨勢(shì)，將按照半固態(tài)—全固態(tài)迭代，電解質(zhì)—負(fù)極—正極梯次升級(jí)的技術(shù)迭代路徑發(fā)展，大致遵循“固態(tài)電解質(zhì)→新型負(fù)極→新型正極”三個(gè)階段（見(jiàn)下圖）。
固態(tài)電池技術(shù)迭代基于液態(tài)體系，順序遵循固態(tài)電解質(zhì)—新型負(fù)極—新型正極。主流廠商按照半固態(tài)到全固態(tài)的發(fā)展路徑布局，核心變化在于引入固態(tài)電解質(zhì)，電解質(zhì)預(yù)計(jì)從聚合物+氧化物的半固態(tài)路線，向氧化物半/全固態(tài)路線，再向硫化物全固態(tài)路線迭代；負(fù)極從石墨，向硅基負(fù)極、含鋰負(fù)極，再向金屬鋰負(fù)極升級(jí)；正極從高鎳三元，向高電壓高鎳三元、超高鎳三元，再向尖晶石鎳錳酸鋰、層狀富鋰錳基等新型正極材料迭代；隔膜從傳統(tǒng)隔膜，向氧化物涂覆隔膜，再向固態(tài)電解質(zhì)膜升級(jí)。
（三）材料體系創(chuàng)新與固態(tài)電池發(fā)展趨勢(shì)
2024年8月31日，中國(guó)科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授歐陽(yáng)明高表示，從中國(guó)動(dòng)力電池前景展望看，高比能全固態(tài)電池與低成本、長(zhǎng)壽命鋰離子電池對(duì)中國(guó)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)同等重要。我國(guó)固態(tài)電池正處于推廣發(fā)展期，在關(guān)鍵原材料、關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)瓶頸突破、規(guī)模化量產(chǎn)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用等領(lǐng)域面臨挑戰(zhàn)。
◆第一步：重點(diǎn)攻關(guān)固態(tài)電解質(zhì)
2025年：以200Wh/kg和400Wh/L為目標(biāo)，打通全固態(tài)電池技術(shù)鏈，三元和石墨正負(fù)極基本不變，確立主體電解質(zhì)；
2030年：以300Wh/kg和600Wh/L為目標(biāo)，特種商用車應(yīng)用為主要場(chǎng)景，三元和硅碳正負(fù)極，優(yōu)化固態(tài)電解質(zhì)體系（主體電解質(zhì)+補(bǔ)充電解質(zhì)），實(shí)現(xiàn)在電池層面大于4C的倍率性能和5000次的循環(huán)壽命。
◆第二步：重點(diǎn)攻關(guān)高容量復(fù)合負(fù)極
2030年：以400Wh/kg和800Wh/L為目標(biāo)，高性能乘用車應(yīng)用為主要場(chǎng)景，進(jìn)一步發(fā)展高比容量實(shí)現(xiàn)在電池層面大于3C的倍率性能和1500次的循環(huán)壽命；
2035年：以500Wh/kg和1000Wh/L為目標(biāo)，進(jìn)一步發(fā)展高比容鋰金屬負(fù)極（鋰金屬載體或功解層）。
◆第三步：重點(diǎn)攻關(guān)高容量復(fù)合正極
2035年：以500Wh/kg和1000Wh/L為目標(biāo)，進(jìn)一步發(fā)展高電壓高比容量富鋰正極；
2040年：以700Wh/kg為目標(biāo)，發(fā)展鋰硫和鋰空氣電池。
（四）我國(guó)典型企業(yè)的固態(tài)電池技術(shù)路線
固態(tài)電池的創(chuàng)新主體企業(yè)分為電池端企業(yè)、固態(tài)電解質(zhì)企業(yè)、負(fù)極企業(yè)、隔膜企業(yè)、整車企業(yè)。在產(chǎn)業(yè)鏈的分布企業(yè)大致如下：
電池端：企業(yè)主要有寧德時(shí)代（見(jiàn)表3）、比亞迪、衛(wèi)藍(lán)新能源、清陶能源、億緯鋰能、贛鋒鋰業(yè)、輝能科技、國(guó)軒高科、孚能科技、蜂巢能源等（見(jiàn)表4）。
表3 寧德時(shí)代固態(tài)電池相關(guān)專利表
序號(hào) | 中 文 標(biāo) 題 | 公開(kāi)（公告）日 |
1 | 固態(tài)電解質(zhì)膜片及鋰離子電池 | 2015-06-03 |
2 | 鋰離子電池的固態(tài)電解質(zhì)材料 | 2016-08-10 |
3 | 電解液及電化學(xué)儲(chǔ)能裝置 | 2020-09-11 |
4 | 電極片及電化學(xué)儲(chǔ)能裝置 | 2020-11-06 |
5 | 全固態(tài)鋰離子二次電池用粘結(jié)劑、電解質(zhì)膜片、電極膜片、電池及制備方法 | 2020-11-10 |
6 | 電解液及電化學(xué)儲(chǔ)能裝置 | 2020-12-11 |
7 | 電解液及電化學(xué)儲(chǔ)能裝置 | 2021-01-15 |
8 | 一種固態(tài)電池材料回收的處理方法 | 2021-01-22 |
9 | 電解液及電化學(xué)儲(chǔ)能裝置 | 2021-02-02 |
10 | 電芯加熱控制裝置及方法、電芯烘烤設(shè)備和計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì) | 2021-02-12 |
11 | 金屬-水-空氣電池 | 2021-04-30 |
12 | 電解液及電化學(xué)儲(chǔ)能裝置 | 2021-05-04 |
13 | 離子交換材料及其制備方法、電解質(zhì)薄膜、二次電池 | 2021-06-22 |
14 | 一種具有快速加熱功能的熱阻復(fù)合箔材、及采用其的電芯和電池 | 2021-07-02 |
15 | 硫化物固態(tài)電解質(zhì)及全固態(tài)鋰二次電池 | 2021-07-13 |
16 | 一種負(fù)極片、其富鋰負(fù)極片和鋰離子二次電池及制備方法 | 2021-09-21 |
17 | 一種具有快速加熱功能的復(fù)合負(fù)極極片、及采用其的電芯和電池 | 2021-09-21 |
18 | 一種固態(tài)電解質(zhì)的制備方法 | 2021-09-28 |
19 | 一種電池 | 2021-10-01 |
20 | 一種硫化物固態(tài)電解質(zhì)片及其制備方法 | 2021-10-22 |
21 | 失效電池單元的處理方法、電池模塊、電池組和裝置 | 2021-12-07 |
22 | 固態(tài)電解質(zhì)膜片及固態(tài)鋰金屬電池 | 2022-02-18 |
23 | 電池箱及裝置 | 2022-03-01 |
24 | 復(fù)合無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)膜及其鋰金屬電池 | 2022-03-18 |
25 | 電池單體、電池模塊、電池組、使用電池單體作為電源的裝置及電池單體的組裝方法 | 2022-07-01 |
26 | 電解液及電化學(xué)儲(chǔ)能裝置 | 2022-07-12 |
27 | 一種固態(tài)電解質(zhì)及其全固態(tài)鋰金屬電池 | 2023-03-17 |
28 | 復(fù)合正極活性材料及其制備方法、和包含其的用電裝置 | 2023-06-20 |
29 | 硫化物固態(tài)電池正極極片及硫化物固態(tài)電池 | 2023-07-18 |
30 | 鋰金屬負(fù)極、其制備方法及其相關(guān)的鋰金屬電池和裝置 | 2023-10-17 |
31 | 電池極片及其制備方法、電極組件以及電池和用電裝置 | 2023-10-20 |
32 | 錳酸鋰正極活性材料及包含其的正極極片、二次電池、電池模塊、電池包和用電裝置 | 2023-10-27 |
33 | 錳酸鋰正極活性材料及包含其的正極極片、二次電池、電池模塊、電池包和用電裝置 | 2023-11-07 |
34 | 極片及其制備方法、電池單體、電池、用電裝置 | 2023-11-17 |
35 | 電池單體、電池模塊、電池組、使用電池單體作為電源的裝置及電池單體的組裝方法 | 2024-01-02 |
36 | 一種耐燒蝕氣凝膠復(fù)合材料及其制備方法 | 2024-01-26 |
37 | 固態(tài)電解質(zhì)漿料、固態(tài)電解質(zhì)膜、固態(tài)電池及用電裝置 | 2024-03-26 |
38 | 電解液、鈉二次電池和用電裝置 | 2024-04-09 |
39 | 含硫聚合物、制備方法、負(fù)極極片、二次電池及用電裝置 | 2024-04-09 |
40 | 粘結(jié)劑、制備方法、負(fù)極漿料、負(fù)極極片、固態(tài)電池及用電裝置 | 2024-04-09 |
41 | 鋰金屬電池及其制備方法、包含鋰金屬電池的裝置和負(fù)極極片 | 2024-06-07 |
42 | 正極活性材料組合物、正極極片、電池及用電裝置 | 2024-08-09 |
數(shù)據(jù)來(lái)源：incopat專利數(shù)據(jù)庫(kù)
表4 國(guó)內(nèi)典型企業(yè)的固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)路線及發(fā)展目標(biāo)表
企業(yè)名稱 | 技術(shù)路線 | 發(fā) 展 目 標(biāo) |
寧德時(shí)代新能源科技股份有限公司 | 硫化物 | 重點(diǎn)布局硫化物全固態(tài)路線，但距離商業(yè)化仍需5年以上。以全固態(tài)鋰金屬電池為發(fā)展目標(biāo)，不斷提升能量密度與安全性。 |
比亞迪股份有限公司 | 氧化物/ 硫化物 | 深耕固態(tài)電解質(zhì)多年，專利數(shù)量多覆蓋范圍廣，技術(shù)儲(chǔ)備豐富。研發(fā)涵蓋多種路線，技術(shù)不斷更新迭代；技術(shù)儲(chǔ)備豐富，后續(xù)或升級(jí)固態(tài)+短刀+CTC體系。 |
北京衛(wèi)藍(lán)新能源科技股份有限公司 | 氧化物/ 聚合物 | 承接物理所核心專利，工藝技術(shù)全面領(lǐng)先；孵化并成立中科院物理所，掌握原位固態(tài)化核心工藝；與蔚來(lái)、吉利等眾多車企達(dá)成合作，2023年下半年裝車上線；遠(yuǎn)期規(guī)劃產(chǎn)能超50gwh，形成完善產(chǎn)業(yè)鏈布局。 |
清陶新能源材料研究院有限公司 | 氧化物/ 復(fù)合物 | 率先實(shí)現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn)，一體化布局氧化物電解質(zhì)；孵化并成立清華大學(xué)材料學(xué)院，率先實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池量產(chǎn)；電池產(chǎn)品性能突出，致力量產(chǎn)全固態(tài)電池；遠(yuǎn)期規(guī)劃產(chǎn)能35GWH，一體化布局固態(tài)電解質(zhì)。 |
贛鋒鋰業(yè)集團(tuán)股份有限公司 | 氧化物 | 打造垂直整合業(yè)務(wù)模式，加速半固態(tài)電池量產(chǎn)；與下游車企深度合作，推動(dòng)固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化；遠(yuǎn)期規(guī)劃產(chǎn)能超40GWH，推動(dòng)鋰產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)。 |
輝能科技股份有限公司 | 氧化物 | 專注氧化物固態(tài)電池路線，三大核心技術(shù)構(gòu)筑護(hù)城河。①M(fèi)AB：多軸向雙極電池技術(shù)，采用CTP+內(nèi)部串聯(lián)方式，大幅提升封裝效率；②LCB：通過(guò)Ceramion內(nèi)導(dǎo)技術(shù)降低內(nèi)阻、Logithium封裝技術(shù)提升加工性能，進(jìn)而解決氧化物電解質(zhì)的導(dǎo)電性和脆性問(wèn)題；③ASM：主動(dòng)隔斷高溫產(chǎn)熱及釋放，鈍化正負(fù)極，提升安全性。預(yù)計(jì)可憑借核心技術(shù)，在生產(chǎn)規(guī)模達(dá)7GWH后，價(jià)格實(shí)現(xiàn)與液體電池Pack持平。綁定奔馳團(tuán)隊(duì)進(jìn)行深度合作，遠(yuǎn)期規(guī)劃產(chǎn)能120GWH。 |
蜂巢能源科技股份有限公司 | 硫化物 | 開(kāi)發(fā)半固態(tài)短刀電池，布局硫化物全固態(tài)路線；與寧波材料所深度合作，開(kāi)發(fā)果凍電池、硫系全固態(tài)電池。 |
億緯鋰能 | 暫無(wú)公告 | 擁有半固態(tài)+全固態(tài)技術(shù)，半固態(tài)產(chǎn)品2022年率先裝車驗(yàn)證；首代全固態(tài)電池基于鹵化物路線，將運(yùn)用于高端消費(fèi)電池領(lǐng)域；重點(diǎn)布局氧化物、硫化物、鹵化物全固態(tài)路線，進(jìn)一步提升能量密度及安全性。 |
國(guó)軒高科股份有限公司 | 硫化物 | 采用氧化物包覆+原位固態(tài)化工藝，半固態(tài)產(chǎn)品2023年批量交付；目標(biāo)2025年量產(chǎn)全固態(tài)電池，打造高電壓無(wú)模組電池包。 |
孚能科技股份有限公司 | 氧化物/ 硫化物 | 搭載嵐圖追光率先量產(chǎn)裝車，推出SPS全新解決方案；預(yù)計(jì)2023年起規(guī)模放量，全固態(tài)電池預(yù)計(jì)2030年推出。 |
固態(tài)電解質(zhì)：企業(yè)主要有天目先導(dǎo)、藍(lán)固新能源、奧克股份、上海洗霸、金龍羽、瑞泰新材等。
固態(tài)電解質(zhì)前驅(qū)體鋯源/鍺源：企業(yè)有東方鋯業(yè)、三祥新材、云南鍺業(yè)、馳宏鋅鍺等。
負(fù)極：企業(yè)有蘭溪致德、貝特瑞、翔豐華等；正極企業(yè)有容百科技、當(dāng)升科技等。
隔膜：企業(yè)有恩捷股份等。
整車：企業(yè)以自研或增資入股等方式積極入局，代表公司有比亞迪、理想、蔚來(lái)等。
三、貴州省固態(tài)電池技術(shù)發(fā)展情況
貴州相關(guān)企業(yè)已入局固態(tài)電池。從公開(kāi)論文來(lái)看，貴州大學(xué)在LATP調(diào)控制備及其在復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)中的應(yīng)用、NASICON型-固體電解質(zhì)的摻雜改性及界面修飾等方面開(kāi)展了研究。貴州梅嶺電源有限公司聯(lián)合特種化學(xué)電源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，對(duì)固態(tài)電池的關(guān)鍵材料固態(tài)電解質(zhì)的高離子電導(dǎo)率進(jìn)行研發(fā)。從專利布局來(lái)看，貴州梅嶺電源有限公司、中偉新材料股份有限公司、貴州振華新材料有限公司、貴州省材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院、貴州大學(xué)、貴州理工學(xué)院等機(jī)構(gòu)在固態(tài)電池材料已有布局（見(jiàn)表5）。
表5 貴州省固態(tài)電池授權(quán)有效發(fā)明專利一覽表
序號(hào) | 中 文 標(biāo) 題 | 公開(kāi)（公告）日 | 申請(qǐng)人 |
1 | 一種熱電池用正極材料及其制備方法 | 2020-09-08 | 貴州梅嶺電源有限公司 |
2 | 一種石榴石型固態(tài)電解質(zhì)的表面處理方法 | 2021-11-26 | |
3 | 一種熱電池用高電導(dǎo)復(fù)合隔膜材料 | 2021-08-17 | |
4 | 一種超薄涂碳隔膜的制備方法及應(yīng)用 | 2021-11-30 | |
5 | 一種鋰離子電池復(fù)合負(fù)極材料及其制備方法 | 2020-11-20 | |
6 | 一種富鋰錳基正極材料的包覆改性方法 | 2022-02-01 | |
7 | 一種熱電池用高比能復(fù)合電極片及其制備方法 | 2022-07-12 | |
8 | 一種含硫快離子導(dǎo)體包覆石墨復(fù)合材料及其制備方法 | 2022-12-06 | 暉陽(yáng)（貴州）新能源材料有限公司 |
9 | 一種高能量密度石墨復(fù)合材料及其制備方法 | 2023-08-22 | |
10 | 鈦酸鋰包覆經(jīng)表面處理石墨的負(fù)極材料、制法及其應(yīng)用 | 2016-05-04 | 天津大學(xué)、貴州振華新材料有限公司、貴州振華義龍新材料有限公司 |
11 | 預(yù)鋰化的二元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)磷/碳復(fù)合材料及制法和應(yīng)用 | 2023-08-11 | |
12 | 一種高壓實(shí)單晶三元正極材料及其制備方法、應(yīng)用 | 2021-08-10 | 中偉新材料股份有限公司 |
13 | 一種硫化物基復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)膜及其制備方法和應(yīng)用 | 2023-08-11 | 貴州省材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院 |
14 | 一種交聯(lián)微介孔碳復(fù)合材料的制備方法及其應(yīng)用 | 2024-03-01 | 貴州大學(xué) |
15 | 一種中空球殼結(jié)構(gòu)羥基氧化釩的制備方法及其應(yīng)用 | 2023-12-22 | |
16 | 抑制鋰硫電池穿梭效應(yīng)的三明治獨(dú)立正極及其制備方法 | 2022-06-17 | |
17 | 一種Na和Cl共摻雜鋰離子負(fù)極材料及其制備方法 | 2023-01-13 | |
18 | 一種Na和Br共摻雜鋰離子負(fù)極材料及其制備方法 | 2024-01-19 | |
19 | 用于鋰離子二次電池的自支撐聚合物膜材料及其制備方法 | 2020-07-07 | 貴州理工學(xué)院 |
20 | 一種基于材料改性技術(shù)的鋰電池電性能改進(jìn)及測(cè)試方法 | 2023-03-14 | |
21 | 化合物10-甲基-10-氫-9-氧雜-10-磷雜菲-10-氧化物-10-硫化物及其制備方法 | 2018-07-06 | 貴州師范大學(xué) |
22 | 一種Ni/Co-CNT/NHPC的鋰硫電池正極材料的制備方法 | 2021-11-09 | 北京科技大學(xué)、貴州中水材料科技有限公司 |
數(shù)據(jù)來(lái)源：incopat專利數(shù)據(jù)庫(kù)
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