寧德時代柳娜：EV用固態鋰電池研發進展及挑戰

技術創新是企業生存和發展的基本前提。隨著電子技術和新能源應用的快速發展，加強電池領域的技術創新，是電池企業加強發展能力、應對市場競爭的必然選擇。

在電動汽車領域，如何通過不斷提高動力電池的能量密度來提高單次充電的續航里程，已成為工業界和學術界面臨的問題和挑戰之一。

“如果能量密度進一步提高到500 WHr/kg以上，從現在起我們必須考慮對固態鋰電池、鋰空氣電池、鋰硫電池等新型電化學系統的探索和研究。”中國工程院陳立權院士表示，電動汽車行業的中長期發展需要技術儲備，固態電池有望成為中國下一代車用動力電池的主導技術路線。

事實上，高科技鋰電池的研究發現，包括豐田、松下、三星、當代安培技術有限公司等在內的一大批國際領先企業已經積極開始進行固態電池的研發。

在最近于江蘇省中關村舉行的鋰電池技術論壇上，當代安培科技有限公司的新能源劉娜博士發表了題為“電動汽車用固態鋰電池研發的進展與挑戰”的演講，介紹了固態電池國際研發的最新進展，并對當代安培科技股份有限公司在該領域的布局和研發路徑進行了深入闡述。

鋰離子電池作為一種能量密度高、循環壽命長、無記憶效應的電化學儲能裝置，經歷了近30年的工業發展，已廣泛應用于消費電子等領域。

如今，鋰離子電池正在電動汽車、儲能等應用領域逐步普及。對于電動汽車的應用來說，如何通過不斷提高動力電池的能量密度來延長單次充電的續航里程是學術界和工業界面臨的共同問題和挑戰之一。

目前，包括中國在內的許多國家都制定了進一步提高動力電池能量密度至300~400 WHr/kg的中長期戰略目標。

據估計，由高壓層狀過渡金屬氧化物和石墨作為陽極和陰極活性材料組成的液體鋰離子動力電池的重量和能量密度極限約為280Wh/kg。在引入硅基合金代替純石墨作為負極材料后，鋰離子動力電池的能量密度預計將在300Wh/kg以上，其上限約為350Wh/kg。

為了實現更高的能量密度目標，以金屬鋰為負極的鋰金屬電池已成為必然的選擇。這是因為鋰金屬的容量為3860mAh/g，約為石墨的10倍。由于它是一種鋰源，陰極材料的選擇范圍很廣，可以分別是含有或不含有鋰、硫或硫化物甚至空氣的嵌入化合物，以形成具有更高能量密度的鋰硫和鋰空氣電池。

工業化面臨的問題

鋰金屬電池的研究可以追溯到20世紀60年代。然而，液體電池中的鋰金屬陽極仍存在一系列技術問題，如鋰金屬與液體電解質界面存在許多副反應，SEI膜分布不均勻不穩定導致循環壽命差，鋰金屬沉積和溶解不均勻導致鋰枝晶和空穴形成不均，這導致了安全問題。

基于上述原因，許多研究人員希望通過使用固體電解質來解決鋰金屬陽極的應用問題。其主要思想是避免液體電解質中的連續副反應，同時利用固體電解質的機械和電學特性抑制鋰枝晶的形成。

因此，與同樣使用鋰作為負極的液體電池相比，全固態電池具有更好的安全性和可靠性，以及更長的循環和使用壽命。同時，鋰金屬與固體電解質的匹配……

還顯著提高了動力電池的重量和體積能量密度。

國內外研究與發展趨勢

目前，全固態電池仍處于研發的早期階段，許多公司已經投入了相關的研發，不僅包括知名的大公司，也包括一些初創公司。

全球全固態電池企業研發分布圖

Bolloré在歐洲很有名，它使用聚合物電解質系統。三星使用硫化物電解質系統。美國兩家初創企業Solid Energy和Quantum Scape分別基于聚合物離子液體復合電解質和陶瓷凝膠復合電解質。

相對而言，法國的博樂、美國的Sakti3和日本的豐田的技術成熟度更高，技術沉淀更深。這三家公司也代表了聚合物、氧化物和硫化物的典型技術發展方向。

無論使用哪種固體電解質，都無法避免傳質這一關鍵問題。特別是，離子傳導，包括電解質體內的離子傳導、電極中的離子傳導以及電極與電解質界面處的離子傳導，對全固態鋰金屬電池的性能至關重要。

聚合物固體鋰金屬電池

聚合物固體鋰金屬電池的發展主要以Bolloré、當代安培技術有限公司和東北師范大學為代表。目前，PEO聚合物電解質用于大規模生產的聚合物固態電池。PEO在高溫下具有高離子導電性，易于成膜，易于加工，可以與正極結合形成連續的離子導電通道，對鋰金屬具有高穩定性，因此成為第一個實現工業化的技術方向。

當代安培技術有限公司也在這個方向上做了一些研究，主要是提高導電性和可加工性。基于上述改進設計，制備了容量為325mAh的聚合物電池，其顯示出良好的高溫循環性能。同時，也驗證了聚合物基固體鋰金屬電池在安全性能方面的優異性能，不僅在釘扎、剪切、彎曲等濫用條件下不冒煙、不起火，還能持續放電。

然而，聚合物固體電解質仍有許多缺點，其中最明顯的是室溫下離子電導率低。PEO基電解質的工作溫度通常為60~85℃，因此這種電池系統需要加熱元件，從而降低整體能量密度。此外，為了滿足啟動加速時高功率輸出的要求，需要匹配超級電容器或鋰離子電池。因此，其電池組級別的能量密度僅為每公斤100瓦時，與傳統的液體電解質鋰電池系統相比沒有任何優勢。

聚合物基電解質的另一個缺點是電化學窗口窄，PEO的氧化電位為3.8V。除了LFP、鈷酸鋰、NCA、尖晶石氧化物和其他高能量密度正極很難與之匹配。因此，聚合物基鋰金屬電池很難超過每公斤300瓦時的能量密度，這是基于聚合物的系統的另一個限制。未來，有必要重點開發具有寬電化學穩定性窗口和高導電性的聚合物電解質。

鋰氧化物金屬固態電池

鋰氧化物金屬固態電池的發展主要以橡樹嶺國家實驗室、量子Scape、Sakti3和中國科學院為代表。目前，已經小批量生產的固態電池主要是以非晶LiPON為電解質的薄膜電池。

LiPON的特點是易于大面積制備薄膜，耐壓性高，化學、電化學和熱穩定性好。從薄膜電池的循環數據可以看出，當陰極厚度控制在0.05微米時，循環性能非常優異，經過數萬次循環后沒有明顯的容量衰減，但當厚度增加到2微米左右時，循環特性明顯惡化。可以想象，如果大容量電力電池……

隨著幾十甚至數百安培小時的實現，界面和傳質問題將更加突出，其困難和挑戰可見一斑。Sakti3聲稱，mWh級薄膜電池可以通過串聯堆疊單元組裝成kWh級電動汽車電池。

氧化物基電解質的主要缺點是室溫下離子電導率低，這導致固態電池的倍率性能差和功率密度低。此外，最重要的問題是接口問題。由于氧化物電解質顆粒的硬度高，如果使用漿料涂布法，當涂布厚度大時，電解質與正極之間的界面接觸不良。如果采用氣相沉積法制備電解質薄膜，將面臨成本和大規模生產效率的雙重挑戰。因此，目前純氧化物基固態電池的開發難度特別大，還處于非常早期的研究階段。

硫化物固態電池

硫化物固態電池的開發主要以豐田、三星、本田和當代安培技術有限公司為代表。其中，豐田技術最為先進，他們發布了安培小時Demo電池和電化學性能。同時，他們還使用在室溫下具有高導電性的LGPS作為電解質來制備更大的電池。

硫化物基固體電解質的優點是類似于液體電解質的離子導電性、更寬的電化學窗口以及SEI膜形成后更好的界面穩定性。同時，硫化物相對較軟，更容易加工，這也是當代安培技術有限公司選擇硫化物系統的重要原因之一。

然而，硫化物基固態電池的發展也存在一系列問題和挑戰，主要體現在以下幾點。首先是接口問題。一方面，正極在充電和放電過程中的大體積變化會使其與電解質之間的界面惡化。其次，由于空間電荷層效應，正極側的界面電阻增加。

當代安培技術有限公司的主要策略是：陰極材料的表面涂層改性、固體電解質改性和引入界面緩沖層；由于有效接觸面積小，固體電解質與陽極和陰極之間的界面電阻較大，可以考慮熱壓工藝和電解質本身的摻雜改性來提高界面電阻。

同時，硫化物基固體電解質仍存在空氣敏感性、易氧化、遇水易產生H2S等有害氣體等問題。這個問題可以通過復合氧化物或摻雜硫化物在一定程度上得到改善。此外，硫化物電解質材料的穩定性和可制造性也是一個巨大的挑戰。

為了當代安培技術有限公司硫化物系統的開發，為了提高陰極與固體電解質之間的界面相容性，我們對鈷酸鋰陰極材料的表面進行了改性。涂層改性后，界面電阻引起的極化顯著降低，陰極材料的容量顯著提高。

此外，當代安培技術有限公司開發了一種更先進的混合工藝，在鈷酸鋰的陰極中形成穩定均勻的電子和離子傳輸網絡，以減少極化，提高循環性能。同時，通過摻雜改性提高了硫化物在空氣中的穩定性，改性后的電解液在干燥室中放置約兩天后仍能保持相對穩定的狀態，這也意味著電池的制造成本有望降低。將改性的LCO、LPS和金屬Li組裝到實驗電池中，在0.1C充放電速率下200次循環后，容量保持率仍高于80%。

此外，針對材料體系的特點和大規模生產的要求，當代安培技術有限公司同步探索了全固態電池的制造工藝，初步提出了以下工藝路線：陰極材料和離子導體的均勻混合和涂覆；在一輪預熱壓力之后，形成連續的離子傳導通道；

在LPS的二次涂覆之后，可以在熱壓和全固態之后去除孔隙。在涂覆緩沖層之后，將其與鋰金屬復合。這種工藝與傳統的鋰離子電池工藝截然不同。然而，憑借多年的工程技術積累和電池制造經驗，當代安培科技有限公司有信心在這方面走上自己獨特的創新之路。

鋰金屬電池是重量和能量密度為300wh/kg的動力電池的必然選擇。當代安培科技股份有限公司正在加快電動汽車全固態鋰金屬電池的開發，并分別在聚合物和硫化物基固態電池方向開展了相關研發工作，并取得了初步進展。根據材料系統的特點和大規模生產的要求，當代安培技術有限公司同步設計和探索了全固態電池的制造工藝路線。當代安培科技股份有限公司將圍繞全固態鋰金屬電池的基礎科學問題以及對相關工程技術問題的理解和突破，繼續推動和深化與學術界的共同發展，加快實現產業化應用。技術創新是企業生存和發展的基本前提。隨著電子技術和新能源應用的快速發展，加強電池領域的技術創新，是電池企業加強發展能力、應對市場競爭的必然選擇。

在電動汽車領域，如何通過不斷提高動力電池的能量密度來提高單次充電的續航里程，已成為工業界和學術界面臨的問題和挑戰之一。

“如果能量密度進一步提高到500 WHr/kg以上，從現在起我們必須考慮對固態鋰電池、鋰空氣電池、鋰硫電池等新型電化學系統的探索和研究。”中國工程院陳立權院士表示，電動汽車行業的中長期發展需要技術儲備，固態電池有望成為中國下一代車用動力電池的主導技術路線。

事實上，高科技鋰電池的研究發現，包括豐田、松下、三星、當代安培技術有限公司等在內的一大批國際領先企業已經積極開始進行固態電池的研發。

在最近于江蘇省中關村舉行的鋰電池技術論壇上，當代安培科技有限公司的新能源劉娜博士發表了題為“電動汽車用固態鋰電池研發的進展與挑戰”的演講，介紹了固態電池國際研發的最新進展，并對當代安培科技股份有限公司在該領域的布局和研發路徑進行了深入闡述。

鋰離子電池作為一種能量密度高、循環壽命長、無記憶效應的電化學儲能裝置，經歷了近30年的工業發展，已廣泛應用于消費電子等領域。

如今，鋰離子電池正在電動汽車、儲能等應用領域逐步普及。對于電動汽車的應用來說，如何通過不斷提高動力電池的能量密度來延長單次充電的續航里程是學術界和工業界面臨的共同問題和挑戰之一。

目前，包括中國在內的許多國家都制定了進一步提高動力電池能量密度至300~400 WHr/kg的中長期戰略目標。

據估計，由高壓層狀過渡金屬氧化物和石墨作為陽極和陰極活性材料組成的液體鋰離子動力電池的重量和能量密度極限約為280Wh/kg。在引入硅基合金代替純石墨作為負極材料后，鋰離子動力電池的能量密度預計將在300Wh/kg以上，其上限約為350Wh/kg。

為了實現更高的能量密度目標，以金屬鋰為負極的鋰金屬電池已成為必然的選擇。這是因為容量……

f鋰金屬為3860mAh/g，約為石墨的10倍。由于它是一種鋰源，陰極材料的選擇范圍很廣，可以分別是含有或不含有鋰、硫或硫化物甚至空氣的嵌入化合物，以形成具有更高能量密度的鋰硫和鋰空氣電池。

工業化面臨的問題

鋰金屬電池的研究可以追溯到20世紀60年代。然而，液體電池中的鋰金屬陽極仍存在一系列技術問題，如鋰金屬與液體電解質界面存在許多副反應，SEI膜分布不均勻不穩定導致循環壽命差，鋰金屬沉積和溶解不均勻導致鋰枝晶和空穴形成不均，這導致了安全問題。

基于上述原因，許多研究人員希望通過使用固體電解質來解決鋰金屬陽極的應用問題。其主要思想是避免液體電解質中的連續副反應，同時利用固體電解質的機械和電學特性抑制鋰枝晶的形成。

因此，與同樣使用鋰作為負極的液體電池相比，全固態電池具有更好的安全性和可靠性，以及更長的循環和使用壽命。同時，鋰金屬與固體電解質的匹配也可以顯著提高動力電池的重量和體積能量密度。

國內外研究與發展趨勢

目前，全固態電池仍處于研發的早期階段，許多公司已經投入了相關的研發，不僅包括知名的大公司，也包括一些初創公司。

全球全固態電池企業研發分布圖

Bolloré在歐洲很有名，它使用聚合物電解質系統。三星使用硫化物電解質系統。美國兩家初創企業Solid Energy和Quantum Scape分別基于聚合物離子液體復合電解質和陶瓷凝膠復合電解質。

相對而言，法國的博樂、美國的Sakti3和日本的豐田的技術成熟度更高，技術沉淀更深。這三家公司也代表了聚合物、氧化物和硫化物的典型技術發展方向。

無論使用哪種固體電解質，都無法避免傳質這一關鍵問題。特別是，離子傳導，包括電解質體內的離子傳導、電極中的離子傳導以及電極與電解質界面處的離子傳導，對全固態鋰金屬電池的性能至關重要。

聚合物固體鋰金屬電池

聚合物固體鋰金屬電池的發展主要以Bolloré、當代安培技術有限公司和東北師范大學為代表。目前，PEO聚合物電解質用于大規模生產的聚合物固態電池。PEO在高溫下具有高離子導電性，易于成膜，易于加工，可以與正極結合形成連續的離子導電通道，對鋰金屬具有高穩定性，因此成為第一個實現工業化的技術方向。

當代安培技術有限公司也在這個方向上做了一些研究，主要是提高導電性和可加工性。基于上述改進設計，制備了容量為325mAh的聚合物電池，其顯示出良好的高溫循環性能。同時，也驗證了聚合物基固體鋰金屬電池在安全性能方面的優異性能，不僅在釘扎、剪切、彎曲等濫用條件下不冒煙、不起火，還能持續放電。

然而，聚合物固體電解質仍有許多缺點，其中最明顯的是室溫下離子電導率低。PEO基電解質的工作溫度通常為60~85℃，因此這種電池系統需要加熱元件，從而降低整體能量密度。此外，為了滿足啟動加速時高功率輸出的要求，需要匹配超級電容器或鋰離子電池。因此，其電池組級別的能量密度僅為每公斤100瓦時，與傳統的液體電解質鋰電池系統相比沒有任何優勢。

聚合物電解質的另一個缺點是……

電化學窗口窄，PEO的氧化電位為3.8V。除了LFP、鈷酸鋰、NCA、尖晶石氧化物和其他高能量密度正極很難與之匹配。因此，聚合物基鋰金屬電池很難超過每公斤300瓦時的能量密度，這是聚合物基系統的另一個限制。未來，有必要重點開發具有寬電化學穩定性窗口和高導電性的聚合物電解質。

鋰氧化物金屬固態電池

鋰氧化物金屬固態電池的發展主要以橡樹嶺國家實驗室、量子Scape、Sakti3和中國科學院為代表。目前，已經小批量生產的固態電池主要是以非晶LiPON為電解質的薄膜電池。

LiPON的特點是易于大面積制備薄膜，耐壓性高，化學、電化學和熱穩定性好。從薄膜電池的循環數據可以看出，當陰極厚度控制在0.05微米時，循環性能非常優異，經過數萬次循環后沒有明顯的容量衰減，但當厚度增加到2微米左右時，循環特性明顯惡化。可以想象，如果要實現幾十甚至幾百安培小時的大容量動力電池，其界面和傳質問題將更加突出，其困難和挑戰可見一斑。Sakti3聲稱，mWh級薄膜電池可以通過串聯堆疊單元組裝成kWh級電動汽車電池。

氧化物基電解質的主要缺點是室溫下離子電導率低，這導致固態電池的倍率性能差和功率密度低。此外，最重要的問題是接口問題。由于氧化物電解質顆粒的硬度高，如果使用漿料涂布法，當涂布厚度大時，電解質與正極之間的界面接觸不良。如果采用氣相沉積法制備電解質薄膜，將面臨成本和大規模生產效率的雙重挑戰。因此，目前純氧化物基固態電池的開發難度特別大，還處于非常早期的研究階段。

硫化物固態電池

硫化物固態電池的開發主要以豐田、三星、本田和當代安培技術有限公司為代表。其中，豐田技術最為先進，他們發布了安培小時Demo電池和電化學性能。同時，他們還使用在室溫下具有高導電性的LGPS作為電解質來制備更大的電池。

硫化物基固體電解質的優點是類似于液體電解質的離子導電性、更寬的電化學窗口以及SEI膜形成后更好的界面穩定性。同時，硫化物相對較軟，更容易加工，這也是當代安培技術有限公司選擇硫化物系統的重要原因之一。

然而，硫化物基固態電池的發展也存在一系列問題和挑戰，主要體現在以下幾點。首先是接口問題。一方面，正極在充電和放電過程中的大體積變化會使其與電解質之間的界面惡化。其次，由于空間電荷層效應，正極側的界面電阻增加。

當代安培技術有限公司的主要策略是：陰極材料的表面涂層改性、固體電解質改性和引入界面緩沖層；

由于有效接觸面積小，固體電解質與陽極和陰極之間的界面電阻較大，可以考慮熱壓工藝和電解質本身的摻雜改性來提高界面電阻。

同時，硫化物基固體電解質仍存在空氣敏感性、易氧化、遇水易產生H2S等有害氣體等問題。這個問題可以通過復合氧化物或摻雜硫化物在一定程度上得到改善。此外，硫化物電解質材料的穩定性和可制造性也是一個巨大的挑戰。

為了當代安培技術有限公司硫化物系統的開發，為了提高陰極與固體電解質之間的界面相容性，我們對鈷酸鋰陰極材料的表面進行了改性。涂層改性后，界面電阻引起的極化顯著降低，陰極材料的容量顯著提高。

此外，當代安培技術有限公司開發了一種更先進的混合工藝，在鈷酸鋰的陰極中形成穩定均勻的電子和離子傳輸網絡，以減少極化，提高循環性能。同時，通過摻雜改性提高了硫化物在空氣中的穩定性，改性后的電解液在干燥室中放置約兩天后仍能保持相對穩定的狀態，這也意味著電池的制造成本有望降低。將改性的LCO、LPS和金屬Li組裝到實驗電池中，在0.1C充放電速率下200次循環后，容量保持率仍高于80%。

此外，針對材料體系的特點和大規模生產的要求，當代安培技術有限公司同步探索了全固態電池的制造工藝，初步提出了以下工藝路線：陰極材料和離子導體的均勻混合和涂覆；在一輪預熱壓力之后，形成連續的離子傳導通道；在LPS的二次涂覆之后，可以在熱壓和全固態之后去除孔隙。在涂覆緩沖層之后，將其與鋰金屬復合。這種工藝與傳統的鋰離子電池工藝截然不同。然而，憑借多年的工程技術積累和電池制造經驗，當代安培科技有限公司有信心在這方面走上自己獨特的創新之路。

鋰金屬電池是重量和能量密度為300wh/kg的動力電池的必然選擇。當代安培科技股份有限公司正在加快電動汽車全固態鋰金屬電池的開發，并分別在聚合物和硫化物基固態電池方向開展了相關研發工作，并取得了初步進展。根據材料系統的特點和大規模生產的要求，當代安培技術有限公司同步設計和探索了全固態電池的制造工藝路線。當代安培科技股份有限公司將圍繞全固態鋰金屬電池的基礎科學問題以及對相關工程技術問題的理解和突破，繼續推動和深化與學術界的共同發展，加快實現產業化應用。

標簽：豐田本田世紀發現

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