充电10分钟跑1200公里，丰田突破的电池技术有多牛？

丰田汽车公司最近公布了其固态电池技术的突破，并计划将电动汽车的电池尺寸、成本和重量减半。该公司的碳中和研发中心总裁海田敬二表示，无论是液态电池还是固态电池，丰田都致力于彻底改变目前电池过大、过重和过贵的局面。他表示公司将努力将这些因素减半，并简化电池材料的生产过程，以降低固态电池的成本。海田指出，该公司已经开发出了提高电池耐久性的方法，并相信现在可以制造出续航里程为1200公里的固态电池，充电时间为10分钟或者更短。

作为全球销量最大的汽车制造商之一，丰田在上个月公布了将在2027年前后商业化其固态电池技术用于电动汽车的计划。丰田还与松下公司合作开发该技术，通过合资电池企业共同推进固态电池的研发和生产。

2030年市场空间将超3000亿元

固态电池是一种电池科技。与现今普遍使用的锂离子电池和锂离子聚合物电池不同的是，固态电池是一种使用固体电极和固体电解质的电池。固态电池被认为是下一代电池的方向之一，究竟有何优势？

一是安全性高。

由于固态电池的电解质固态化，不含易燃易爆、易挥发等成分，可彻底消除电池因漏液引发的电池冒烟、起火等，以及在充放电过程中生成锂枝晶造成的安全隐患，被称为最安全电池体系。

二是能量密度高。

东方财富证券研报称，目前，市场上应用的磷酸铁锂电池单体能量密度约为120-140Wh，三元电池单体能量密度约为130-220Wh，而固态电池可提供的能量密度约为300-400Wh，远远超出传统的电池。

三是固态电池的适用温度范围更广，循环使用寿命更长。

固态电解质的稳定性可以减缓电池中的失活和退化过程，不仅可以延长电池的使用寿命，还能阻止金属锂的电极枝晶生长，减少电极的体积膨胀和损坏，提高电池的循环稳定性。

华泰证券研报称，预计2030年全球固态电池市场空间将超3000亿元。

目前各国都在加快固态电解质的布局。中国电动汽车百人会副理事长兼秘书长张永伟曾表示，美国计划到2030年实现固态电池和锂金属电池规模化量产；日本计划到2030年实现全固态电池量产；韩国将在2023-2028年投入3066亿韩元，争取提前实现固态电池、锂硫电池、锂金属电池商业化应用；欧盟已批准向参与电池项目的7个成员国提供32亿欧元援助，以支持电池技术研究和项目创新。

而我国自2020 年起，首次将固态电池列入行业重点发展对象并提出加快研发和产业化进程，今年则进一步提出加强固态电池标准体系研究。

2023世界动力电池大会”的“新一代动力电池与前瞻技术”分论坛上，加拿大工程院院士、加拿大皇家科学院院士、中国工程院外籍院士孙学良表示，固态电池的发展重点一是安全性考虑，一是能量密度。比如正极材料的界面需要解决固 - 固接触导致的问题，要解决应力扩散、化学、电化学反应界面的控制，包括界面的离子导传输和各种性能等。如果负极没有金属锂，还需要解决很多问题，比如直径反应、体积膨胀等。固态电解质研发本身具有非常大的挑战性，比如现在使用的聚合物、氧化物和硫化物要满足这些条件，对离子导、空气稳定性和正负极的匹配性都有挑战。在聚合物的固态电解质中，室温离子导相对较低，在相对高的温度操作时需要解决氧化物、陶瓷的界面控制。目前丰田的硫化物体系离子导非常高，但需要解决空气稳定性和正极匹配性。

除此之外，要实现固态电池真正的商业化，还有材料问题、界面问题、工程化问题等。在固态电池电解质的氧化物、硫化物、聚合物之外，是否能开发出更新的、能比这三种更好或者综合性能更高的电解质？

卤化物是目前另一种新型的固态电解质，其离子导、电化学窗口和其他的相比具有一定优势。早期卤化物电解质的离子导非常低，最近3~4年提高到了10-3级。除了离子导要提高外，电化学窗口也要控制，其价格非常重要。因为有些需要用到稀土元素，要选择便宜的材料做这一体系才能实现商业化。目前研究显示，卤化物电解质的正极是稳定的，而负极的研究是一个挑战。

固态电池面临的三个关键挑战包括固态电解质的开发、界面的设计以及电极。卤化物的开发需要找到动力学和热力学都稳定的界面，以及实现电极从液态到固态的开发。这几个过程都需要做，包括基础的开发到工程等。

固态电池会带来哪些材料体系的变化？

01 | 全部生产企业

固态电池主要分为三条路线：聚合物、氧化物及硫化物，由其采用的电解质来做区分。氧化物与硫化物属于无机固态电解质，其架构为正极活性材料、固体电解质的颗粒以及导电碳组成复合正极，匹配氧化物或硫化物固体电解质层及金属锂负极组成全固态电池。聚合物电解质由溶解锂盐的固体聚合物电解质(SPE)构成。

离子电导率、界面相容性、机械性能及电化学稳定性为核心衡量指标，理想的固态电解质应具有高电导率、宽电化学窗口及良好的电化学和机械性能。目前聚合物最早实现商业化但存在缺陷，氧化物体系目前产业化进度较快，而硫化物处于开发进度早期但未来发展空间巨大。聚合物黏弹性好因此机械性能较强，但其存在高成本及基体高度结晶导致电导率低的缺点；氧化物氧化电位较高因此电化学窗口宽，但制约其发展因素是电解质与电解质阻抗大，界面反应会造成电池容量衰减；虽然硫化物界面稳定性较差，但其电导率最高（10−4—10−2S/cm），因此开发潜力最大。但其复合正极中界面机械性能差且硫化物硬度较低，存在一定程度可变性，需通过外加压力来提升界面物理接触。

02 | 正极：向高镍、无钴、富锂等高能量密度方向发展

固态电池对能量密度要求高，正极向高镍、无钴和富锂等方向发展。目前市场主流正极材料包括钴酸锂（LCO）、锰酸锂（LMO）、磷酸铁锂（LFP）以及三元正极材料（NCM及NCA）。三元材料具备高能量密度的特点，其中，中高镍（5系、6系）和高镍三元材料（8系、9系）比容量上限分别可以达到205mAh/g、220mAh/g。

固态电池高能量密度要求驱动，高镍化趋势得以加强。8系三元市场占比从2021年的36%增长至2022年的43%，5系三元市场占比从2021年的48%下降至2022年的35%，主要系海内外中高端车型多采用高镍路线带动包括宁德时代、松下、LG能源、三星SDI、SKI等中日韩头部电池企业的高镍电池在国际市场装机大幅增长。长期来看，随着半固态/固态电池产业化提速，三元材料能量密度高、循环寿命好的优势依旧可以保证其在高端电池市场竞争中占优，因此预计高镍化将持续深入发展。

富锂锰基作为新兴正极材料具有更高能量密度上限，有望成为固态电池未来正极材料最优选择。富锂锰基正极材料是由Li2MnO3与LiMO2(M=镍钴锰)两种组分构成的层状氧化物，其高容量的形成原因是源于两种机理共同作用：过渡金属的氧化还原反应和氧离子的氧化还原反应。过渡金属氧化还原反应：传统三元正极材料NCM和NCA是基于过渡金属离子的氧化还原反应贡献容量，在嵌锂过程中Ni2+/Ni3+/Ni4+和Co3+/Co4+会被氧化，而Mn4+是非活性的，其可逆容量为130～220mAh/g。富锂锰基材料在2～4.8V电压范围内可逆容量可达300mAh/g以上，远高于基于Ni2+/Ni3+/Ni4+和Co3+/Co4+的氧化还原反应机理的理论值；

氧离子的氧化还原反应：在4.5V出现一个充电长平台，这一阶段Li+脱出，氧离子发生氧化反应维持电荷守恒。在大于4.5V时，电压沿倾斜曲线继续升高，伴随着氧离子被氧化为氧气逸出。

03 | 负极：硅负极、锂金属有望成为未来选择

若要满足高能量密度固态电池的需求，高容量低电压平台的硅基材料具有极大应用潜力：硅在常温下与锂合金化，理论比容量高达4000mAh/g，是目前石墨类负极材料的十倍以上；与石墨相比，硅元素在地壳中含量丰富，分布广泛，为地壳质量的25.8%，是地壳中储量第二丰富的元素；硅的电压平台为0.3-0.5V，不存在析锂隐患，大幅提高安全性能；硅基负极材料的低温性能比石墨优良；能从各个方向提供锂离子嵌入和脱出的通道，快充性能优异。硅负极有望成为石墨负极的理想替代品。

随着国内外头部电池供应商跟进布局，预计将带动硅基材料爆发式增长。2021年硅基负极材料出货量达1.1万吨，同比增长83%，占负极材料出货量的1.5%，预计2022年将达1.5万吨。此外，国内多家头部公司已开始加速硅基负极应用进程。杉杉股份已实现批量供货，主要应用在3C等领域，动力电池已经通过主流车企的多轮评测；璞泰来在江西和溧阳均建设有硅基负极中试线，已通过部分客户认证；翔丰华硅基负极已具备产业化基本条件。

远期来看，锂金属负极有望成为未来固态电池负极最优选择。根据固态电池头部厂商QuantumScape产品数据，使用锂负极后能量密度最高可接近600mAh/g，而使用硅负极则为300mAh/g。尽管锂金属负极理论比容量（3860mAh/g）仍低于硅基材料（4200mAh/g），然而硅材料存在一定缺陷，其在充放电过程中体积膨胀系数达300%（商业化石墨负极膨胀系数为5-10%）。因此，预计锂金属负极将成为未来固态电池负极选择。锂金属有望在固态电池降本方面发挥巨大作用。根据四类锂电池对比，采用锂负极材料的固态电池总成本最低。锂单价显著低于硅价且通过简化制造工序大幅降低了制造成本使得锂金属负极具有明显的成本优势。

04 | 隔膜：作为半固态电池过渡阶段选择

全固态电池或将取代隔膜应用，而作为过渡选择的半固态电池仍对隔膜安全性要求较高。固态电池采用固态电解质，可以保证锂离子在正负极之间自由移动，因此代替了电解液和隔膜。而半固态电池仍需要电解液进行离子传导，因此需要隔膜绝缘阻隔以免正负极直接接触。半固态/固态电池所带来的高镍化会导致正极材料活跃从而致使电池不安全，因此隔膜需要结合涂覆工艺来应用于半固态电池。一方面，涂覆有效提升隔膜性能。由于湿法和干法工艺拉伸强度和低穿刺强度，因此隔膜稳定性较差。而通过涂覆的隔膜大幅提升了隔膜的热稳定性和穿刺强度，防止隔膜收缩而导致的正负极大面积接触，有效提升了产品良率及安全性。以陶瓷涂覆为例，涂覆隔膜由于陶瓷层存在抗收缩性大幅提升，机械性和安全性更好。

另一方面，涂覆工艺对高能量密度要求形成冲击，仍需结合湿法应用于半固态电池。涂覆材料隔膜厚度高于干法和湿法工艺，离子通过率低导致能量密度受影响。因此，湿法+隔膜涂覆将是半固态电池未来主要选择。涂覆材料分为无机和有机两大类，无机涂覆材料主要分为勃姆石和氧化铝，是当前市场主要应用的涂覆材料。

05 | 电芯：串联能有效提升固态电池电压

电芯能量密度提升对固态电池性能影响巨大。传统锂电池由于单体电池内部使用液态电解液，并且承载电压超过5V后可能会出现易分解甚至爆炸的情况，所以只能实现外部串联而无法进行内部串联。但固态电池可以在电池内部实现串联，使单体电池电压远高于传统动力电池。以4颗额定电压为3.6V的电芯为例，通过串联可实现13.6V电压，而通过并联则只能实现3.6V电压。在半固态电池中使用密封胶，将单片电芯两边封装起来。当电解液不能四处流动，电芯内部实现串联，可以减少非必要结构件的使用，大幅度提升固态电池的存储效率，从而提高电芯的能量密度。

06 | 封装：采用软包封装形态，有望增大铝塑膜用量

固态电池有望采用软包封装体系，将增大铝塑膜需求。根据外壳的不同，锂电池电芯的封装主要分为硬壳和软包两大类。硬壳封装的材料主要为钢壳和铝壳，根据其内部正负极的排列方式不同，又分为圆柱形和方形，而软包封装主要采用铝塑膜。当固态电池采用固态电解质时，电芯不需要硬壳的封装保护。因此软包也许是未来最适合的固态电池包装形式，会受益于固态电池的产业化而大幅发展。

来源：界面新闻、中国工业报、高科技与产业化、未来智库、中邮证券、全国电子化学品信息站等，由中国化工信息周刊编辑整理，转载请注明出处。

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