目前固态电池处于前期，前期从全寿命周期进行充分地考虑，应该借鉴液态电池相关的经验，在前期推动相关的固态电池标准制定，需要各位同行群策群力，共同推动相关的工作。

 

       本文为NE时代和同科芯能于10月16-17日联合主办的"2019中日韩下一代新能源汽车电池技术大会"演讲嘉宾的现场实录。

 

       演讲人：卫蓝新能源固态电芯部负责人 李久铭

 

       演讲主题：固态锂电池的发展现状和应用思考

 

       尊敬的各位专家、领导、同仁下午好，非常高兴能代表北京卫蓝新能源参加这次会议。我是李久铭，在北京卫蓝新能源负责固态锂电池的开发。

 

       这次报告主要想分享一下我们对固态锂电池的一些思考。我的报告从三方面展开，首先是分析对比一下固态锂电池和液态锂电池的区别，第二固态锂电池应用情况，第三固态锂电池产业布局，以及卫蓝在固态锂电池的相关研发情况。

 

       首先是固态锂电池的定义，从我们的理解来看，目前除了法国博洛雷公司基于磷酸铁锂全固态电池有量产之外，剩下的几乎没有纯的全固态电池产品。目前来看大家还需要对相关的定义进行明确以下。首先是液态锂电池，只含有液体电解质的电池。第二是混合固液电解质锂蓄电池，第三是半固态锂电池，电池中任一侧电极不含液体电解质，另一侧电极含有液态电解质，或者单体中固体电解质质量或体积占单体中电解质纵质量或总体积之比的一半。还有全固态电池，不详细赘述。

 

       我们对电池进行了简要分类，分别对液态锂电池、混合固液锂电池、和全固态锂电池进行了细分。目前大家普遍认为，固态锂电池不容易燃烧、爆炸，无泄露和腐蚀问题，主要是因为固态电池里面电解液的含量少或者没有，因此不会在热失控条件下发生体积膨胀，进而发生爆炸情况。但其实目前固态电池的安全问题还是需要很多的实际测试数据进行支撑的。第二是高温下的腐蚀界面问题，从固态电解质本身特点考虑，固态电池的高温性能应该会更好。第三是原材料纯度的问题，目前都是单离子导体，充放电过程里面只有锂离子进行传输和运动。第四是制造成本和工艺复杂性问题，目前很难说，这和所使用的固态电解质材料体系有很大的关系。目前大家的思路是，尽可能和现有的锂电设备和锂电工艺所兼容，把成本尽可能地降下去。最后是大家最关心的能量密度问题，传统的液态电池的能量密度天花板大概在350Wh/kg左右，固态电池能做得更高？

 

       液态电池基于单体封装，外部串联结构进行设计，固态电池由于不流动性，可以设计成内部串联结构，这样可以在封装工艺上有效地降低电池体积，从而可以提高电池的体积能量密度。对于质量能量密度，常用的固态电解质的密度比如氧化物的LLZO5.07、LATP2.93，如果单纯把液态电解液换成固态电解质，使用LATP能量密度会降到232.9Wh/kg，单纯的直接使用固态电解质的固态电芯的能量密度肯定更低，由于固态电解质不流动性，在电池中的体积占比一般高于液态，因此导致固态电池能量密度进一步降低，固态电池到底在质量能量密度上有没有优势？

 

       肯定有，首先固态电池可以使用金属锂负极，相比于传统液态电池，使用金属锂电池的能量密度比有明显的提升。因此，结合金属锂之后，可以轻松突破350Wh/kg的门槛。由于固态电池在热安全性和热失控性表现更好，因此可以简化散热系统的设计。虽然散热系统的占比不是特别大，但是这个可以从某种层面上提高系统的质量能量密度。

 

       对于功率密度这块，大家印象中固态电池的倍率性能不是特别好，这方面日本人做了相关的极限测试，他们借助于一百度高温，可以实现超高倍率的放电，上午日本专家也说了，这点并没有提到充电的问题。这个问题是这样理解的，对于传统无机固态电解质材料都是单离子导体，如果能够有效地解决固态电池的工艺问题，固态电池的充放电倍率在理论上是有可能优于传统液态电解液。此外对于传统的液态电池，其能量密度与功率密度之间通常存在着反比的关系，但是在这项研究工作中可以发现，固态电池因为受锂离子扩散极化影响比较小，有可能同时实现高能量密度和高功率密度的问题。当然如何把扣电上得到的固态电池数据扩大到软包电池上，还需要进一步研究。

 

       基于以上特点，我们希望固态电池能够解决的问题主要有以下这些方面，比如防止SEI膜持续生长，降低热失控风险问题，这就是传统的液态电池现在难以解决的痛点问题。概括起来是，我们希望固态电池能够同时实现高能量和高安全的电池。

 

       对于固态电池，它的核心是固态电解质材料，这里列举了常见的六大类固态电解质材料体系。从性能雷达图上可以看，目前还没有十全十美的材料，有的是离子电导率比较高，有的空气稳定性比较好，但是每种电解质材料体系都存在着各自难以克服的问题。

 

       根据电解质材料，目前的固态电池体系主要分为四种。首先是聚合物电解质体系，有量产也有运营数据，但是主要问题在于能量密度不高，需要进行加热使用。第二固态电池体系，这种电池循环非常好，可以达到上万次，但是主要问题在于容量做不到，通常都是毫安时级别的电池，主要用在穿戴式的电子设备里面。第三种是硫化物固态电池，这种电池的突出优点在于，离子导电率非常高，但是对空气稳定性非常差，露点需要负60度以下，对工艺条件非常苛刻。最后是氧化物固态电池，它有很多优点，耐高电压，对空气比较稳定，但是由于氧化物固态电池的界面电阻比较大，因此它的工业化难度也是非常大的。

 

       从电池材料技术路线角度考虑，如果负极不含锂，正极一定是含锂材料，如果负极含锂，正极选择的余地就大多了。因此，全固态电池如果和金属锂负极搭配起来，可以有效地拓展正极材料的选择范围。从整个产业链来看，目前我们的考虑是针对不同应用的固态锂电池的材料体系应用体系应该是不同的，目前固态电池材料体系和技术工艺路线不确定，因此后端相关的模组、智能制造技术尚未确定，产业链目前不是特别完善。

 

       最后是技术挑战分析。首先是固液混合电池，一定要搞清楚里面的电解液含量多少，20%、10%还是5%，差别非常大。目前还没有一个很好的方法对电解液含量进行标定，我们也一直想把电解液含量标定把它作为一个标准提出来。对于全固态电池，由于固态电解质不具有流动性，难点主要在于界面接触都是点与点接触，界面接触是全固态电池的关键问题，里面有很多科学和技术的难点，需要一个综合解决方案进行解决。

 

       总结一下，目前固态电池在固固界面接触、全寿命周期的特性上存在很多问题，这些问题希望在近几年能够得到有效解决，从而加速固态电池规模化的应用。

 

       下面讲固态电池的应用情况，首先由于固态电池具有高能量密度和高安全性，因此固态电池可能在一些特殊领域率先得到一些应用。第二在储能领域，国家对储能领域的要求是高储能和高安全。

 

       从整车设计的考虑，这是与传统的液态电池包进行对比，如果换成固态电池，能量密度不变的情况下，可以把电池包的厚度进行明显降低，电池包厚度的降低可以使整车设计的余量更加宽裕。所以我们的设想在整车底盘下部做一个固定电池包，同时基于体积和质量能量密度的提升，做成可换电的标准固态电池包。

 

       目前固态电池处于前期，前期从全寿命周期进行充分地考虑，应该借鉴液态电池相关的经验，在前期推动相关的固态电池标准制定，需要各位同行群策群力，共同推动相关的工作。

 

       其次是固态电池产业布局，这里列举了世界范围内正在开发固态电池的企业，粗略来看，欧洲主要是聚合物体系，美国是固液混合，在亚洲中日韩主要是氧化物、硫化物体系。这里主要列举了固态电池的相关研究机构和简要的技术指标，这是中国参与的固态电池的研究团队，列得不是特别全，从侧面可以看到，参与机构非常多，说明固态电池在我国的重视程度非常高。接下来介绍一下中科院体系对固态电池相关的研究工作。

 

       首先是中科院宁波材料所许老师团队，他们基于硫化物和氧化物电解质材料体系。其次是青岛能源所崔老师的团队，固态电池完成了在深海的应用示范。这是物理所的陈立泉院士团队， 2016年陈院士作为技术带头人，成立了我们北京卫蓝新能源公司，专注于下一代固态锂电池的开发。这是陈老师这几十年来参与的关于国家863等一系列项目，关于固态锂电池研究情况。

 

       重点提一下物理所利用离子运输数据库，可以对上千种含锂材料进行筛选，从而寻找新的固态电解质材料。举两个例子，首先是高通量计算进行硫化物电解质，探索如何同时提高稳定性和高离子电导率，这是高通量计算设计并预设出了一种氧硫化物，一种新型电解质材料。

 

       最后简要介绍一下北京卫蓝新能源公司，我们的原始技术来源于中科院物理所，我们现在目前员工大概在150人左右。这是我们的技术路线和技术思路。我们主要从两个角度进行考虑，首先从固液混合角度出发，目前固态电池含量在25~15%之间，我们把电解液含量降低，最终变成全固态，从全固态角度出发，通过原位固态化最终做成固态。整体上来看，随着电池中电解液含量的降低，电池能量密度不断地推进，最终期望可以做到500Wh/kg左右。

 

       为了实现这些目标，我们主要围绕着五大技术进行开发，分别是离子导电膜技术、固态电解质技术、复合金属锂技术等技术。首先是固态电解质技术，比如LATP对正极材料的包覆改性，我们可以把这项技术，用在PEO全固态的电池，成功使用了PEO体系在4.2伏下的稳定长循环，也可以应用在硫化物电解质体系，可以有效消除传统的正极材料和硫化物电解质的空间电荷层效应。这种膜在高温下比较稳定，并且机械性能比较好，离子导电率比较好，结合原位固化技术，有效解决固态电池电解质与正负极之间正面接触问题。这是结合离子导电膜之制备的混合固液电池，循环在700次以上。我们所采用的混合固液相关技术相比液体能够很好提高电池的安全性能。随后我们结合了离子膜技术，我们进行了初步探索，质量能量密度到500Wh/kg以上。最后是利用原位固化做的探索，时间关系，不一一赘述。

 

       最后是产业化的应用，我们把300Wh/kg混合固液电池进行装车示范，目前电池系统能量密度在208Wh/kg，续航里程在五百公里以上，这个项目通过了中科院战略先导科技专项项目，并荣获中科院北京分院科技成果转化特等奖。我的报告主要这些，欢迎大家多多交流！