宁德时代柳娜：EV用固态锂电池研发进展及挑战

技术创新是企业生存和发展的基本前提。随着电子技术和新能源应用的快速发展，加强电池领域的技术创新，是电池企业加强发展能力、应对市场竞争的必然选择。

在电动汽车领域，如何通过不断提高动力电池的能量密度来提高单次充电的续航里程，已成为工业界和学术界面临的问题和挑战之一。

“如果能量密度进一步提高到500 WHr/kg以上，从现在起我们必须考虑对固态锂电池、锂空气电池、锂硫电池等新型电化学系统的探索和研究。”中国工程院陈立权院士表示，电动汽车行业的中长期发展需要技术储备，固态电池有望成为中国下一代车用动力电池的主导技术路线。

事实上，高科技锂电池的研究发现，包括丰田、松下、三星、当代安培技术有限公司等在内的一大批国际领先企业已经积极开始进行固态电池的研发。

在最近于江苏省中关村举行的锂电池技术论坛上，当代安培科技有限公司的新能源刘娜博士发表了题为“电动汽车用固态锂电池研发的进展与挑战”的演讲，介绍了固态电池国际研发的最新进展，并对当代安培科技股份有限公司在该领域的布局和研发路径进行了深入阐述。

锂离子电池作为一种能量密度高、循环寿命长、无记忆效应的电化学储能装置，经历了近30年的工业发展，已广泛应用于消费电子等领域。

如今，锂离子电池正在电动汽车、储能等应用领域逐步普及。对于电动汽车的应用来说，如何通过不断提高动力电池的能量密度来延长单次充电的续航里程是学术界和工业界面临的共同问题和挑战之一。

目前，包括中国在内的许多国家都制定了进一步提高动力电池能量密度至300~400 WHr/kg的中长期战略目标。

据估计，由高压层状过渡金属氧化物和石墨作为阳极和阴极活性材料组成的液体锂离子动力电池的重量和能量密度极限约为280Wh/kg。在引入硅基合金代替纯石墨作为负极材料后，锂离子动力电池的能量密度预计将在300Wh/kg以上，其上限约为350Wh/kg。

为了实现更高的能量密度目标，以金属锂为负极的锂金属电池已成为必然的选择。这是因为锂金属的容量为3860mAh/g，约为石墨的10倍。由于它是一种锂源，阴极材料的选择范围很广，可以分别是含有或不含有锂、硫或硫化物甚至空气的嵌入化合物，以形成具有更高能量密度的锂硫和锂空气电池。

工业化面临的问题

锂金属电池的研究可以追溯到20世纪60年代。然而，液体电池中的锂金属阳极仍存在一系列技术问题，如锂金属与液体电解质界面存在许多副反应，SEI膜分布不均匀不稳定导致循环寿命差，锂金属沉积和溶解不均匀导致锂枝晶和空穴形成不均，这导致了安全问题。

基于上述原因，许多研究人员希望通过使用固体电解质来解决锂金属阳极的应用问题。其主要思想是避免液体电解质中的连续副反应，同时利用固体电解质的机械和电学特性抑制锂枝晶的形成。

因此，与同样使用锂作为负极的液体电池相比，全固态电池具有更好的安全性和可靠性，以及更长的循环和使用寿命。同时，锂金属与固体电解质的匹配……

还显著提高了动力电池的重量和体积能量密度。

国内外研究与发展趋势

目前，全固态电池仍处于研发的早期阶段，许多公司已经投入了相关的研发，不仅包括知名的大公司，也包括一些初创公司。

全球全固态电池企业研发分布图

Bolloré在欧洲很有名，它使用聚合物电解质系统。三星使用硫化物电解质系统。美国两家初创企业Solid Energy和Quantum Scape分别基于聚合物离子液体复合电解质和陶瓷凝胶复合电解质。

相对而言，法国的博乐、美国的Sakti3和日本的丰田的技术成熟度更高，技术沉淀更深。这三家公司也代表了聚合物、氧化物和硫化物的典型技术发展方向。

无论使用哪种固体电解质，都无法避免传质这一关键问题。特别是，离子传导，包括电解质体内的离子传导、电极中的离子传导以及电极与电解质界面处的离子传导，对全固态锂金属电池的性能至关重要。

聚合物固体锂金属电池

聚合物固体锂金属电池的发展主要以Bolloré、当代安培技术有限公司和东北师范大学为代表。目前，PEO聚合物电解质用于大规模生产的聚合物固态电池。PEO在高温下具有高离子导电性，易于成膜，易于加工，可以与正极结合形成连续的离子导电通道，对锂金属具有高稳定性，因此成为第一个实现工业化的技术方向。

当代安培技术有限公司也在这个方向上做了一些研究，主要是提高导电性和可加工性。基于上述改进设计，制备了容量为325mAh的聚合物电池，其显示出良好的高温循环性能。同时，也验证了聚合物基固体锂金属电池在安全性能方面的优异性能，不仅在钉扎、剪切、弯曲等滥用条件下不冒烟、不起火，还能持续放电。

然而，聚合物固体电解质仍有许多缺点，其中最明显的是室温下离子电导率低。PEO基电解质的工作温度通常为60~85℃，因此这种电池系统需要加热元件，从而降低整体能量密度。此外，为了满足启动加速时高功率输出的要求，需要匹配超级电容器或锂离子电池。因此，其电池组级别的能量密度仅为每公斤100瓦时，与传统的液体电解质锂电池系统相比没有任何优势。

聚合物基电解质的另一个缺点是电化学窗口窄，PEO的氧化电位为3.8V。除了LFP、钴酸锂、NCA、尖晶石氧化物和其他高能量密度正极很难与之匹配。因此，聚合物基锂金属电池很难超过每公斤300瓦时的能量密度，这是基于聚合物的系统的另一个限制。未来，有必要重点开发具有宽电化学稳定性窗口和高导电性的聚合物电解质。

锂氧化物金属固态电池

锂氧化物金属固态电池的发展主要以橡树岭国家实验室、量子Scape、Sakti3和中国科学院为代表。目前，已经小批量生产的固态电池主要是以非晶LiPON为电解质的薄膜电池。

LiPON的特点是易于大面积制备薄膜，耐压性高，化学、电化学和热稳定性好。从薄膜电池的循环数据可以看出，当阴极厚度控制在0.05微米时，循环性能非常优异，经过数万次循环后没有明显的容量衰减，但当厚度增加到2微米左右时，循环特性明显恶化。可以想象，如果大容量电力电池……

随着几十甚至数百安培小时的实现，界面和传质问题将更加突出，其困难和挑战可见一斑。Sakti3声称，mWh级薄膜电池可以通过串联堆叠单元组装成kWh级电动汽车电池。

氧化物基电解质的主要缺点是室温下离子电导率低，这导致固态电池的倍率性能差和功率密度低。此外，最重要的问题是接口问题。由于氧化物电解质颗粒的硬度高，如果使用浆料涂布法，当涂布厚度大时，电解质与正极之间的界面接触不良。如果采用气相沉积法制备电解质薄膜，将面临成本和大规模生产效率的双重挑战。因此，目前纯氧化物基固态电池的开发难度特别大，还处于非常早期的研究阶段。

硫化物固态电池

硫化物固态电池的开发主要以丰田、三星、本田和当代安培技术有限公司为代表。其中，丰田技术最为先进，他们发布了安培小时Demo电池和电化学性能。同时，他们还使用在室温下具有高导电性的LGPS作为电解质来制备更大的电池。

硫化物基固体电解质的优点是类似于液体电解质的离子导电性、更宽的电化学窗口以及SEI膜形成后更好的界面稳定性。同时，硫化物相对较软，更容易加工，这也是当代安培技术有限公司选择硫化物系统的重要原因之一。

然而，硫化物基固态电池的发展也存在一系列问题和挑战，主要体现在以下几点。首先是接口问题。一方面，正极在充电和放电过程中的大体积变化会使其与电解质之间的界面恶化。其次，由于空间电荷层效应，正极侧的界面电阻增加。

当代安培技术有限公司的主要策略是：阴极材料的表面涂层改性、固体电解质改性和引入界面缓冲层；由于有效接触面积小，固体电解质与阳极和阴极之间的界面电阻较大，可以考虑热压工艺和电解质本身的掺杂改性来提高界面电阻。

同时，硫化物基固体电解质仍存在空气敏感性、易氧化、遇水易产生H2S等有害气体等问题。这个问题可以通过复合氧化物或掺杂硫化物在一定程度上得到改善。此外，硫化物电解质材料的稳定性和可制造性也是一个巨大的挑战。

为了当代安培技术有限公司硫化物系统的开发，为了提高阴极与固体电解质之间的界面相容性，我们对钴酸锂阴极材料的表面进行了改性。涂层改性后，界面电阻引起的极化显著降低，阴极材料的容量显著提高。

此外，当代安培技术有限公司开发了一种更先进的混合工艺，在钴酸锂的阴极中形成稳定均匀的电子和离子传输网络，以减少极化，提高循环性能。同时，通过掺杂改性提高了硫化物在空气中的稳定性，改性后的电解液在干燥室中放置约两天后仍能保持相对稳定的状态，这也意味着电池的制造成本有望降低。将改性的LCO、LPS和金属Li组装到实验电池中，在0.1C充放电速率下200次循环后，容量保持率仍高于80%。

此外，针对材料体系的特点和大规模生产的要求，当代安培技术有限公司同步探索了全固态电池的制造工艺，初步提出了以下工艺路线：阴极材料和离子导体的均匀混合和涂覆；在一轮预热压力之后，形成连续的离子传导通道；

在LPS的二次涂覆之后，可以在热压和全固态之后去除孔隙。在涂覆缓冲层之后，将其与锂金属复合。这种工艺与传统的锂离子电池工艺截然不同。然而，凭借多年的工程技术积累和电池制造经验，当代安培科技有限公司有信心在这方面走上自己独特的创新之路。

锂金属电池是重量和能量密度为300wh/kg的动力电池的必然选择。当代安培科技股份有限公司正在加快电动汽车全固态锂金属电池的开发，并分别在聚合物和硫化物基固态电池方向开展了相关研发工作，并取得了初步进展。根据材料系统的特点和大规模生产的要求，当代安培技术有限公司同步设计和探索了全固态电池的制造工艺路线。当代安培科技股份有限公司将围绕全固态锂金属电池的基础科学问题以及对相关工程技术问题的理解和突破，继续推动和深化与学术界的共同发展，加快实现产业化应用。技术创新是企业生存和发展的基本前提。随着电子技术和新能源应用的快速发展，加强电池领域的技术创新，是电池企业加强发展能力、应对市场竞争的必然选择。

在电动汽车领域，如何通过不断提高动力电池的能量密度来提高单次充电的续航里程，已成为工业界和学术界面临的问题和挑战之一。

“如果能量密度进一步提高到500 WHr/kg以上，从现在起我们必须考虑对固态锂电池、锂空气电池、锂硫电池等新型电化学系统的探索和研究。”中国工程院陈立权院士表示，电动汽车行业的中长期发展需要技术储备，固态电池有望成为中国下一代车用动力电池的主导技术路线。

事实上，高科技锂电池的研究发现，包括丰田、松下、三星、当代安培技术有限公司等在内的一大批国际领先企业已经积极开始进行固态电池的研发。

在最近于江苏省中关村举行的锂电池技术论坛上，当代安培科技有限公司的新能源刘娜博士发表了题为“电动汽车用固态锂电池研发的进展与挑战”的演讲，介绍了固态电池国际研发的最新进展，并对当代安培科技股份有限公司在该领域的布局和研发路径进行了深入阐述。

锂离子电池作为一种能量密度高、循环寿命长、无记忆效应的电化学储能装置，经历了近30年的工业发展，已广泛应用于消费电子等领域。

如今，锂离子电池正在电动汽车、储能等应用领域逐步普及。对于电动汽车的应用来说，如何通过不断提高动力电池的能量密度来延长单次充电的续航里程是学术界和工业界面临的共同问题和挑战之一。

目前，包括中国在内的许多国家都制定了进一步提高动力电池能量密度至300~400 WHr/kg的中长期战略目标。

据估计，由高压层状过渡金属氧化物和石墨作为阳极和阴极活性材料组成的液体锂离子动力电池的重量和能量密度极限约为280Wh/kg。在引入硅基合金代替纯石墨作为负极材料后，锂离子动力电池的能量密度预计将在300Wh/kg以上，其上限约为350Wh/kg。

为了实现更高的能量密度目标，以金属锂为负极的锂金属电池已成为必然的选择。这是因为容量……

f锂金属为3860mAh/g，约为石墨的10倍。由于它是一种锂源，阴极材料的选择范围很广，可以分别是含有或不含有锂、硫或硫化物甚至空气的嵌入化合物，以形成具有更高能量密度的锂硫和锂空气电池。

工业化面临的问题

锂金属电池的研究可以追溯到20世纪60年代。然而，液体电池中的锂金属阳极仍存在一系列技术问题，如锂金属与液体电解质界面存在许多副反应，SEI膜分布不均匀不稳定导致循环寿命差，锂金属沉积和溶解不均匀导致锂枝晶和空穴形成不均，这导致了安全问题。

基于上述原因，许多研究人员希望通过使用固体电解质来解决锂金属阳极的应用问题。其主要思想是避免液体电解质中的连续副反应，同时利用固体电解质的机械和电学特性抑制锂枝晶的形成。

因此，与同样使用锂作为负极的液体电池相比，全固态电池具有更好的安全性和可靠性，以及更长的循环和使用寿命。同时，锂金属与固体电解质的匹配也可以显著提高动力电池的重量和体积能量密度。

国内外研究与发展趋势

目前，全固态电池仍处于研发的早期阶段，许多公司已经投入了相关的研发，不仅包括知名的大公司，也包括一些初创公司。

全球全固态电池企业研发分布图

Bolloré在欧洲很有名，它使用聚合物电解质系统。三星使用硫化物电解质系统。美国两家初创企业Solid Energy和Quantum Scape分别基于聚合物离子液体复合电解质和陶瓷凝胶复合电解质。

相对而言，法国的博乐、美国的Sakti3和日本的丰田的技术成熟度更高，技术沉淀更深。这三家公司也代表了聚合物、氧化物和硫化物的典型技术发展方向。

无论使用哪种固体电解质，都无法避免传质这一关键问题。特别是，离子传导，包括电解质体内的离子传导、电极中的离子传导以及电极与电解质界面处的离子传导，对全固态锂金属电池的性能至关重要。

聚合物固体锂金属电池

聚合物固体锂金属电池的发展主要以Bolloré、当代安培技术有限公司和东北师范大学为代表。目前，PEO聚合物电解质用于大规模生产的聚合物固态电池。PEO在高温下具有高离子导电性，易于成膜，易于加工，可以与正极结合形成连续的离子导电通道，对锂金属具有高稳定性，因此成为第一个实现工业化的技术方向。

当代安培技术有限公司也在这个方向上做了一些研究，主要是提高导电性和可加工性。基于上述改进设计，制备了容量为325mAh的聚合物电池，其显示出良好的高温循环性能。同时，也验证了聚合物基固体锂金属电池在安全性能方面的优异性能，不仅在钉扎、剪切、弯曲等滥用条件下不冒烟、不起火，还能持续放电。

然而，聚合物固体电解质仍有许多缺点，其中最明显的是室温下离子电导率低。PEO基电解质的工作温度通常为60~85℃，因此这种电池系统需要加热元件，从而降低整体能量密度。此外，为了满足启动加速时高功率输出的要求，需要匹配超级电容器或锂离子电池。因此，其电池组级别的能量密度仅为每公斤100瓦时，与传统的液体电解质锂电池系统相比没有任何优势。

聚合物电解质的另一个缺点是……

电化学窗口窄，PEO的氧化电位为3.8V。除了LFP、钴酸锂、NCA、尖晶石氧化物和其他高能量密度正极很难与之匹配。因此，聚合物基锂金属电池很难超过每公斤300瓦时的能量密度，这是聚合物基系统的另一个限制。未来，有必要重点开发具有宽电化学稳定性窗口和高导电性的聚合物电解质。

锂氧化物金属固态电池

锂氧化物金属固态电池的发展主要以橡树岭国家实验室、量子Scape、Sakti3和中国科学院为代表。目前，已经小批量生产的固态电池主要是以非晶LiPON为电解质的薄膜电池。

LiPON的特点是易于大面积制备薄膜，耐压性高，化学、电化学和热稳定性好。从薄膜电池的循环数据可以看出，当阴极厚度控制在0.05微米时，循环性能非常优异，经过数万次循环后没有明显的容量衰减，但当厚度增加到2微米左右时，循环特性明显恶化。可以想象，如果要实现几十甚至几百安培小时的大容量动力电池，其界面和传质问题将更加突出，其困难和挑战可见一斑。Sakti3声称，mWh级薄膜电池可以通过串联堆叠单元组装成kWh级电动汽车电池。

氧化物基电解质的主要缺点是室温下离子电导率低，这导致固态电池的倍率性能差和功率密度低。此外，最重要的问题是接口问题。由于氧化物电解质颗粒的硬度高，如果使用浆料涂布法，当涂布厚度大时，电解质与正极之间的界面接触不良。如果采用气相沉积法制备电解质薄膜，将面临成本和大规模生产效率的双重挑战。因此，目前纯氧化物基固态电池的开发难度特别大，还处于非常早期的研究阶段。

硫化物固态电池

硫化物固态电池的开发主要以丰田、三星、本田和当代安培技术有限公司为代表。其中，丰田技术最为先进，他们发布了安培小时Demo电池和电化学性能。同时，他们还使用在室温下具有高导电性的LGPS作为电解质来制备更大的电池。

硫化物基固体电解质的优点是类似于液体电解质的离子导电性、更宽的电化学窗口以及SEI膜形成后更好的界面稳定性。同时，硫化物相对较软，更容易加工，这也是当代安培技术有限公司选择硫化物系统的重要原因之一。

然而，硫化物基固态电池的发展也存在一系列问题和挑战，主要体现在以下几点。首先是接口问题。一方面，正极在充电和放电过程中的大体积变化会使其与电解质之间的界面恶化。其次，由于空间电荷层效应，正极侧的界面电阻增加。

当代安培技术有限公司的主要策略是：阴极材料的表面涂层改性、固体电解质改性和引入界面缓冲层；

由于有效接触面积小，固体电解质与阳极和阴极之间的界面电阻较大，可以考虑热压工艺和电解质本身的掺杂改性来提高界面电阻。

同时，硫化物基固体电解质仍存在空气敏感性、易氧化、遇水易产生H2S等有害气体等问题。这个问题可以通过复合氧化物或掺杂硫化物在一定程度上得到改善。此外，硫化物电解质材料的稳定性和可制造性也是一个巨大的挑战。

为了当代安培技术有限公司硫化物系统的开发，为了提高阴极与固体电解质之间的界面相容性，我们对钴酸锂阴极材料的表面进行了改性。涂层改性后，界面电阻引起的极化显著降低，阴极材料的容量显著提高。

此外，当代安培技术有限公司开发了一种更先进的混合工艺，在钴酸锂的阴极中形成稳定均匀的电子和离子传输网络，以减少极化，提高循环性能。同时，通过掺杂改性提高了硫化物在空气中的稳定性，改性后的电解液在干燥室中放置约两天后仍能保持相对稳定的状态，这也意味着电池的制造成本有望降低。将改性的LCO、LPS和金属Li组装到实验电池中，在0.1C充放电速率下200次循环后，容量保持率仍高于80%。

此外，针对材料体系的特点和大规模生产的要求，当代安培技术有限公司同步探索了全固态电池的制造工艺，初步提出了以下工艺路线：阴极材料和离子导体的均匀混合和涂覆；在一轮预热压力之后，形成连续的离子传导通道；在LPS的二次涂覆之后，可以在热压和全固态之后去除孔隙。在涂覆缓冲层之后，将其与锂金属复合。这种工艺与传统的锂离子电池工艺截然不同。然而，凭借多年的工程技术积累和电池制造经验，当代安培科技有限公司有信心在这方面走上自己独特的创新之路。

锂金属电池是重量和能量密度为300wh/kg的动力电池的必然选择。当代安培科技股份有限公司正在加快电动汽车全固态锂金属电池的开发，并分别在聚合物和硫化物基固态电池方向开展了相关研发工作，并取得了初步进展。根据材料系统的特点和大规模生产的要求，当代安培技术有限公司同步设计和探索了全固态电池的制造工艺路线。当代安培科技股份有限公司将围绕全固态锂金属电池的基础科学问题以及对相关工程技术问题的理解和突破，继续推动和深化与学术界的共同发展，加快实现产业化应用。

标签：丰田本田世纪发现

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