2024年固態(tài)鋰電池技術發(fā)展白皮書

長安汽車真鋰研究目錄第一章固態(tài)電池技術概述第二章半固態(tài)電池技術1.1術語和定義1.2固態(tài)電池技術起源及發(fā)展歷程沿革1.3技術背景，風險與挑戰(zhàn)，行業(yè)痛點2.1半固態(tài)電池技術路線2.2國內外半固態(tài)電池領域典型企業(yè)技術及進展2.2.1國內半固態(tài)電池制造商技術及進展2.2.2國內車企半固態(tài)電池技術及進展2.3半固態(tài)電池技術趨勢及前景預測2.3.1半固態(tài)電池技術發(fā)展趨勢2.3.2半固態(tài)電池前景預測2.4技術與思維框架突破20232324目錄第一章固態(tài)電池技術概述第二章全固態(tài)電池技術第四章發(fā)展路線圖SOLID-STATELITHIUMSEMI-SOLID-STATELITHIUM-ALL-SOLID-STATELITHIUM-IONBATTERYALL-SOLID-STATELITHIUM-METALB1.2.1半固態(tài)電池技術起源IIII商業(yè)化前夕(2023年以來)開始受到科研界的關注。1992年，美國橡樹嶺國家實驗室開發(fā)了一種無機固態(tài)電解質1.3.1技術背景決部分活性材料與電解質的界面問題；采用氧化物與電極復合的“原位亞微米工業(yè)制膜技術固態(tài)鋰電池技術發(fā)展白皮書固態(tài)電池技術概述固態(tài)鋰電池技術發(fā)展白皮書安全性問題安全性問題固態(tài)電池技術概述固態(tài)鋰電池技術發(fā)展白皮書原材料供應不足技術瓶頸難以突破固態(tài)電池技術概述生產(chǎn)成本居高不下產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同不足固態(tài)鋰電池技術發(fā)展白皮書認知度不高支持力度不夠固態(tài)電池技術概述53,655-661.AirStabilityofSulfideSolid-StateBatteriesandElectrCommun.2021,12,4410.Lett.2020,5,826-832.Lithium-BasedBatteries,Nat.Comm2.1半固態(tài)電池技術路線主流技術路線石榴石型電解質聚氧化乙烯基電解質鈣鈦礦型電解質聚碳酸酯基電解質NASICON型電解質聚合物鋰單離子導體基體系LiPON型電解質半固態(tài)電解質(包含規(guī)劃產(chǎn)能)●2023年4月19日發(fā)布凝聚態(tài)電池，能量密度500Wh/kg,2023年內實現(xiàn)量產(chǎn)能力；●已推出凝聚態(tài)電池的車規(guī)級應用版本；聚合物●半固態(tài)電池已完成設計定型，并裝車驗證中；定運行，將在微型電子產(chǎn)品中實現(xiàn)應用；的應用；●半固態(tài)電池，單體能量密360Wh/kg,配套車型電池包電量160kWh,續(xù)航里程超1000km;●400Wh/Kg的三元半固態(tài)電池目前在公司實驗室已有原型樣品；●2022年底已小批量裝車；度達260Wh/kg,第二代產(chǎn)品可達400Wh/kg;●2023年6月，半固態(tài)鋰電池在賽力斯SERES-5上正式交付裝車；●2023年9月發(fā)布半固態(tài)新鋒電池；●2023年12月，發(fā)布方形半固態(tài)電池即第二代果凍電池●2022年重慶一期建成半固態(tài)電池產(chǎn)能0.2GWh,半固態(tài)小動力電池實現(xiàn)量產(chǎn)出貨；●2024年11月發(fā)布無隔膜半固態(tài)電池技術●第一代半固態(tài)電池能量密度在240-420Wh/kg之上汽完成裝車試驗，單體能量密度368Wh/kg,最大續(xù)航里程達到●2024年5月搭載清陶半固態(tài)電池的上汽智己L6上市；●2023年底360Wh/kg半固態(tài)鋰電池量產(chǎn)交付蔚來，續(xù)航突破1000思創(chuàng)、國電投等儲能項目供貨；小動力半固態(tài)電池；●在臺灣桃園G1工廠年產(chǎn)能達40GWh,以消費性電子和穿戴式電子產(chǎn)品為主；●G2工廠將生產(chǎn)固態(tài)動力電池，2023年底投產(chǎn)大型示范線；●計劃投資52億歐元在法國建設48GWh固態(tài)電池工廠，2024年開建，2026年底開始量產(chǎn)；恩力動力●2021年第一代半固態(tài)產(chǎn)品中試完成；●2022年半固態(tài)電池進入中試，進入新能源車企業(yè)A樣階段；●2023年前實現(xiàn)100+GWh的全球產(chǎn)業(yè)基地布局；固態(tài)鋰電池技術發(fā)展白皮書半固態(tài)電解質●2021年1月，蔚來發(fā)布150kWh的半固態(tài)電池；●2024年4月，蔚來宣布搭載150kWh電池包的2024款ET7,實測續(xù)航均突破了1000km。全新ES6、ET7、ES7、ET型的手冊中都添加了關于150kWh電池包的詳細信息；●蔚來使用的半固態(tài)電池，采用硅碳復合負極材料和超高鎳正極材料；●賽力斯SERES5搭載贛鋒鋰業(yè)第一代固態(tài)電池，能量密度為260Wh/kg,2023年6月已經(jīng)實現(xiàn)交付；●第一代即今年搭載在智己L6上的半固態(tài)電池，其液含量降低到10%;●按計劃，2024年10月，搭載上汽光年固態(tài)電池的上汽智己L6新車將正式交付用戶，新車搭載的電池能量密度超過3001000公里；●2022年1月，由東風公司與贛鋒鋰業(yè)合作開發(fā)高比能固態(tài)電池，成功在東風E70搭載；●2023年1月13日，東風嵐圖“追光”量產(chǎn)車型正式下線，搭載82kWh電池包，采用能量密度為170Wh/kg的半固態(tài)電池；●2023年11月，長安汽車召開電池規(guī)劃發(fā)布會，介紹長安汽車開展的半固態(tài)、固態(tài)電池能量密度達到350-500Wh/kg,將于不晚于2027年逐步量產(chǎn)應用，2030年實現(xiàn)全面普及應用；GWh以上；●2024年4月，長安汽車表示集團研發(fā)的半固態(tài)電池將于2026年年底●2024年4月22日，江淮釔為與衛(wèi)藍新能源在合肥正式簽署固態(tài)電池戰(zhàn)略合作協(xié)議，雙方將合作開發(fā)4695大圓柱半固態(tài)電芯；●4695大圓柱半固態(tài)電芯應用的車型將采用原位固態(tài)技術，電芯單體容量為34Ah,能量密度高達300Wh/kg,實現(xiàn)整車600km-10航水平，并計劃于2025年實現(xiàn)批量生產(chǎn)；半固態(tài)電解質(包含規(guī)劃產(chǎn)能)聚合物●2010年，韓國現(xiàn)代與LG化學共同量產(chǎn)了第一塊“半固態(tài)”電池，使用凝膠電解質，搭載于現(xiàn)代索納塔混動版本中，使用的為1.4kWh的“微型”電池包，現(xiàn)已撤回該技術；●LG新能源將原定于2026年聚合物固態(tài)電池量產(chǎn)推遲至2030年；●固態(tài)電解質以LLZ0石榴石型氧化物為主，LGPS硫化物為輔；●電池采用無鋰負極設計(取消負極活性材料，采用銅箔集流380-500Wh/kg,在45°℃下可在15分鐘充至80%;月樣品電池通過大眾公司嚴苛的50萬公里耐久性測試；聚合物·FactorialEnergy展示其專有的FEST電解質配方，可以與鋰金屬負極兼容，且不改變現(xiàn)有電池的生產(chǎn)方式；●聚合物固態(tài)電解質，匹配高電壓和高能量密度的電極，實現(xiàn)高安全的電池性能，并增加續(xù)航里程20%-50%;●2024年FactorialEnergy向其開發(fā)合作伙伴梅賽德斯-奔馳提供固態(tài)電池B樣品?！袢毡揪┐晒疽颜絾悠渥≌瑑δ芟到y(tǒng)Enerezza,采用了24M公司新穎的半固態(tài)鋰電池，半固態(tài)電極不使用粘合劑，將電解質與活性材料混合形成具有獨特屬性的粘土狀漿料；●24MTechnologies將在2025年開始供應EV用半固態(tài)電池，和鋰離子電池相比、其制造成本最高可縮減4成術授權的京瓷(Kyocera)等電池廠商，于2025年在日本、印度、中國量產(chǎn)半固態(tài)電池，計劃供應給亞洲及歐美車廠使用；固態(tài)鋰電池技術發(fā)展白皮書半固態(tài)電池技術中TM代表鎳、錳、鈷等元素，當x=0.5時，當鋰離子全部脫出時，理論比容量計算為固態(tài)鋰電池技術發(fā)展白皮書II半固態(tài)電池細分市場的需求分析1I1I半固態(tài)電池需求量預測1月6月5月4月02月半固態(tài)裝車產(chǎn)業(yè)化進程正在加速進行，各整車企業(yè)與電池廠均已開始積極布局相關技術以促進半固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化，2021年1月，蔚來在NIODay上發(fā)布150kWh半固態(tài)電池包，2023年，衛(wèi)藍新能源、贛鋒鋰電等企業(yè)的固液混合態(tài)電池實現(xiàn)批量裝車，裝車量約0.8GWh,標志著半固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化進程大幅提速。隨著新能源汽車產(chǎn)銷量的持續(xù)上升，我國半固態(tài)電池行業(yè)需求規(guī)模也在穩(wěn)定的增長。依據(jù)相關機構數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2022年中國半固態(tài)電池在新能源汽車領域需求量為0.2GWh,滲透率為0.1%,隨著半固態(tài)電池技術不斷發(fā)展以及新能源汽車需求的不斷增加，預計到2026年半固態(tài)電池需求量將增長到23.75GWh,滲透率將接近5%,增長勢頭迅猛。半固態(tài)電池的前景預測較為樂觀，預計將在未來幾年內實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應用，半固態(tài)電池的能量密度高于傳統(tǒng)的液態(tài)電池，提供了更長的續(xù)航里程，采用不可燃的固態(tài)電解質，具有更高的安全性能，大幅提升了電池的安全性，同時半固態(tài)電池在高低溫環(huán)境下能發(fā)揮更好的性能優(yōu)勢，相較于傳統(tǒng)液態(tài)電池具有顯著的綜合性能優(yōu)勢。半固態(tài)電池以其獨特的優(yōu)勢和未來技術的不斷進步，其在未來的動力電池市場中的將占據(jù)重要地位，有望成為新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵推動力量。半固態(tài)電池技術2.4技術與思維框架突破固態(tài)鋰電池技術發(fā)展白皮書性能維度突破經(jīng)濟性突破半固態(tài)電池回收領域的布局全固態(tài)電池技術固態(tài)鋰電池技術發(fā)展白皮書目前氧化物固體電解質的燒結路徑主要分為固相和液相兩種方式。固相方式主要通過高溫燒結，具的固相合成路徑為例，固相法一般是前驅體按比例機械混合后，在約1000℃下進行高溫煅燒后獲得溶膠凝膠法能夠合成粒徑較小的LLZO,并且所需溫度較固相法更低，但流程比較復雜，并且所需原材料脈沖沉積、磁控濺射法等方法也被用來制備LLZO,但是存在制備路徑復雜、難以大量制備等問題。噴霧硫化物固態(tài)電解質由于其超高的室溫離子電導率和良好的機械加工性能而備受關注。近年成份的不斷優(yōu)化，硫化物固態(tài)電解質的離子電導率已被提高到了與液態(tài)電解液相近的水平。上世紀八九十年代，以年被東京工業(yè)大學的學者發(fā)現(xiàn)。2005年，大阪府立大學的學者合成了玻璃陶瓷電解質Li?P?S,2008年德國錫根大學的學者發(fā)現(xiàn)使用Li替換硫銀鍺礦中的Ag,合成的Li?PS?X(X=Cl,Br,I)能顯著提高材料的穩(wěn)定性。在2011年，東京工業(yè)突破性成就超越了室溫下傳統(tǒng)液態(tài)電解液的電導率。日本學者在2016年發(fā)現(xiàn)的LGPS型固態(tài)電解質Li?.5?Si1z?P144S?4LPS型(即硫代磷酸鹽)為代表。而晶態(tài)硫化物固態(tài)電解質則進一步細分為Argyrodite型(又稱硫銀鍺礦型)、LGPS型 (鋰鍺磷硫型)以及Thio-LISICON型(硫代-鋰快離子導體型)。在這三類晶態(tài)硫化物固態(tài)電解質中，鋰硫銀鍺礦型和固態(tài)鋰電池技術發(fā)展白皮書電化學窗口寬(5V)、離子電導率相對低、學窗口寬(5V)鋰金屬不穩(wěn)定、電化學窗口寬(5V)、離子電導率相對低、表3.2硫化物制備方法對比[3]中復雜結晶可控高適中低空氣穩(wěn)定圖3.3硫化物基全固態(tài)鋰電池界面問題4Sulfidesolidelectrolytepao解正極和電解質的副反應),改善界面接觸。采用惰性材料包覆正極材料顆粒，用低平臺正極材料代替可以緩解正極材料與硫化物固態(tài)電解質之間固態(tài)鋰電池技術發(fā)展白皮書圖3.4硫化物基全固態(tài)鋰電池正極界面問題解決策略0101正極材料優(yōu)化顆粒包覆解決策略04電解質層優(yōu)化>表面保護>干法加工正極層優(yōu)化02選擇合適的粘結劑<用鹵化物代替硫化物<熱壓等機械加工<電解質材料優(yōu)化03顆粒包覆<圖3.5硫化物基全固態(tài)鋰電池正極界面問題解決策略5鋰金屬保護層>原位保護層>非原位保護層鋰金屬替換>鋰合金>無負極電解質優(yōu)化>元素摻雜>表面包覆3.1.3聚合物電解質固態(tài)技術發(fā)展路線聚合物固態(tài)電解質是指具有能夠傳導鋰離子的高分子材料。聚合物固態(tài)電解質中的重復單元含有特殊官能3.1.3聚合物電解質固態(tài)技術發(fā)展路線聚合物固態(tài)電解質是指具有能夠傳導鋰離子的高分子材料。聚合物固態(tài)電解質中的重復單元含有特殊官能團，這種官能團能夠與鋰離子之間具有較強的相互作用，從而能夠解離鋰鹽，通過高分子鏈段的運動傳導鋰離子。聚合物固態(tài)電解質起源于1975年，PeterWright教數(shù)較高(DN=20)可以與金屬陽離子形成配合物，而此種結構的晶格能較低，從而能夠通過鏈段的運動將金屬陽離子傳遞至下一個配位點，實現(xiàn)金屬陽離子的傳導。TG用于鋰電池，聚合物固態(tài)電解質概念誕生。之后聚合物基固態(tài)鋰電池進入人們的視野，隨著人們對動力電池續(xù)航里程以及安全性的需求驟增，聚合物基全固態(tài)電池的開發(fā)日益受到人們的關注，從聚合物固態(tài)電解質被發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在，已有多種類型的聚合物材料被發(fā)現(xiàn)可用于聚合物固態(tài)電解質，其分子鏈中的特征官能團決定了其傳導鋰離子的能力，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，多種聚合物材料均可作為聚合物固態(tài)電解質。例如聚羧酸酯類、聚碳酸酯類、聚腈類、聚酰胺類、聚酰亞胺類、聚硫醚類等，如下圖所示。K.Shinohara,1.M.Ward,聚(乙二醇)甲基醚聚(乙二醇)甲基醚聚()-丙內酯)P.V.Wright,J.Am.Chem.Soc,圖3.7聚合物固態(tài)電解質研究發(fā)展史7固態(tài)鋰電池技術發(fā)展白皮書Halidesvs.Sulides全固態(tài)電池技術全固態(tài)電池技術質LiNbOCl?的離子電導率甚至可以超過10-2S/cm,使得鹵化物固態(tài)電解質在固態(tài)電池具有良好的應用前景，鹵化物固子電導率的鹵化物固態(tài)電解質主要為氯化物和溴化物。L?YBrg.1.7×102Scm?2.04×10-scmL?YBrg.1.7×102Scm?2.04×10-scm19842011-201220182019基于Zr的鹵化物固態(tài)電解質保持了優(yōu)異的(電)化學氧化穩(wěn)定性，并且在成本上具有優(yōu)勢?！暗?3族金屬鹵化物”為含有物表現(xiàn)出更高的離子導電性。離子導電性的一般趨勢是：單斜型>正交型>三斜型。鹵化物固態(tài)電解質電化學穩(wěn)定窗口固態(tài)鋰電池技術發(fā)展白皮書E圖3.11鹵化物固體電解質的離子電導率、電化學窗清陶能源、天目先導、贛鋒鋰業(yè)、青島大學級以上制備石榴石型氧化物固體電解質天目先導、贛鋒鋰業(yè)、青島大學郭向欣團隊等已可噸級以上制備清陶能源可量產(chǎn)LLTO陶瓷粉體，并可與電極圖3.12太藍新能源全固態(tài)電池樣品照片圖3.12太藍新能源全固態(tài)電池樣品照片固態(tài)鋰電池技術發(fā)展白皮書全球企業(yè)正積極投身于硫化物基全固態(tài)電池的開發(fā)與推進中，視全固態(tài)電池技術為下一代電池技術競在2024年世界動力電池大會上，寧德時代與比亞迪披露了它們在全固態(tài)電池技術領域的最新研發(fā)成果與進展。寧德時代董事長曾毓群在公開場合透露，若以1到9分的標尺Ah的硫系全固態(tài)原型電芯，其能量密度350至400Wh/kg,并且已經(jīng)順利通過針刺測試和200℃高溫熱箱測寶馬、福特等三星SDI、SKOn等豐田、松下等圖3.13硫化物基全固態(tài)鋰電池全球企業(yè)布局全固態(tài)電池技術寧德時代比亞迪豐田2026年生產(chǎn)試驗原型，2029年實現(xiàn)商業(yè)化2026年開始量產(chǎn)固態(tài)鋰電池技術發(fā)展白皮書太藍新能源重慶太藍新能源有限公司中國重慶清陶發(fā)展清陶(昆山)能源發(fā)展股份有限公司中國江蘇北京衛(wèi)藍新能源科技股份有限公司中國北京韓國美國法國美國ngresprotectlonratngresprotectlonratCyceCathede:In-house20.0mgcm2(-4.0mAhcAnode:20μmcold-rolledlithium/1lμmcoppercurrentcollectorCydlingprotocot:C/2cCCv(C/40CVchargecut-off)andyclingconditiong:RTwith2.25atmofexternal圖3.15Natrion單片全固態(tài)電池性能測試[12固態(tài)鋰電池技術發(fā)展白皮書清陶(昆山)能源發(fā)展股份有限公司中國江蘇江蘇藍固新能源科技有限公司中國江蘇回旺國聯(lián)汽車動力電池研究院有限責任公司中國北京有研廣東院固態(tài)電池中心中國廣東松下日本清陶(昆山)能源發(fā)展股份有限公司中國江蘇國聯(lián)汽車動力電池研究院有限責任公司中國北京M有研廣東院固態(tài)電池中心中國廣東億緯鋰能中國廣東弗迪電池中國廣東松下日本3.3.1氧化物固態(tài)技術體系固態(tài)鋰電池技術發(fā)展白皮書3.3.2硫化物固態(tài)技術體系于通過材料科學的突破性進展，全面提升硫化物基固態(tài)電解質在空氣環(huán)境中的穩(wěn)定對于硫化物全固態(tài)電池而言，電極與硫化物基固態(tài)電解質的界面相容性是當前技術發(fā)展的主要障礙。研究人員正通過應用第一性原理計算與尖端的材料表征手雖然硫化物全固態(tài)電池已在實驗室規(guī)模展現(xiàn)出潛力，但其向規(guī)模化生產(chǎn)過渡仍面臨重大挑戰(zhàn)，包括對制造環(huán)境的精細調控、高壓成型技術的創(chuàng)新以及缺乏成熟的3.3.4鹵化物固態(tài)技術體系3.4全固態(tài)電池量產(chǎn)挑戰(zhàn)與量產(chǎn)時間預測在全球范圍內，各國政府正采取一系列積極措施，包括政策導向、資金補貼以及促進產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)之間的協(xié)同合作，以加速固態(tài)電池技術的產(chǎn)業(yè)化步伐。當前，固態(tài)電池技術的全球進展主要停留于研發(fā)探索與中試的深化階段。在這一關鍵領域內，中國、日本及韓國憑借卓越的技術創(chuàng)新能力，穩(wěn)坐技術領頭羊的位置，下一代動力電池的商業(yè)化生產(chǎn)已被正式納入發(fā)展規(guī)劃之中，預示著其產(chǎn)業(yè)化進程即將加速推進。近年來，我國政府相關部門出臺了一系列政策，支持固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2020年10月，國務院通過《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021-2035年)》這一里程碑式文件，首次將固態(tài)電池明確為新能源汽車產(chǎn)業(yè)的重點發(fā)展方向，并強調了加速其研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化進程的重要性。緊接著，在2023年1月，由工信部等六部門攜手制定的《關于推動能源電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導意見》中，又進一步細化了對固態(tài)電池標準體系研究的強化要求。這一系列政策舉措不僅為固態(tài)電池行業(yè)描繪了清晰且充滿機遇的市場藍圖，更為企業(yè)營造了一個有利于技術創(chuàng)新與生產(chǎn)經(jīng)營的優(yōu)越環(huán)境，極大地促進了該行業(yè)的蓬勃發(fā)展。2024年2月增加固態(tài)單體電池產(chǎn)品性能要求：單體電池能量密度≥300組能量密度≥260Wh/kg。循環(huán)壽命≥1000次，容量保持2023年12月《關于加強新能源汽車與加大動力電池關鍵技術攻關，在不明顯增加成本基環(huán)壽命提升至3000次及以上，攻克高頻度雙向充放電工況下的電池安2023年1月《關于推動能源電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展加強新型儲能電池產(chǎn)業(yè)化技術攻關，推進先進儲能應用，加快研發(fā)固態(tài)電池、鈉離子電池、氫儲能/燃料電池等新型電池。2022年6月《科技支撐碳達峰碳中和研發(fā)壓縮空氣儲能、飛輪儲能、液態(tài)和固態(tài)鋰離子電池儲能、液流電池儲能等高效儲能技術；研發(fā)梯級電站大2022年1月實施方案》開展鈉離子電池、新型鋰離子電池、鉛炭電池、液流(氨)儲能、熱(冷)儲能等關鍵核心技術、裝備和集成優(yōu)化設計研究，集中攻關超導、超級電容等儲能技術，研發(fā)儲備液態(tài)金2021年10月行動方案》聚焦化石能源綠色智能開發(fā)和清潔低碳利用、可再生能源大規(guī)模利用、新型電力系統(tǒng)、節(jié)能、氫能、儲能、動力電池、二氧2020年10月(2021-2035年)》開展正負極材料、電解液、隔膜、膜電極等關鍵核強