全固态锂电池技术发展分析

锂电池现状和趋势分析国内外典型固态电池研发示例中科院先导项目动力电池研发进展作为动力电池的固态锂电池应用展望1990年-2025年锂电池能量密度发展路线图

大容量动力电池按照现有技术水平发展速度，小型圆柱和大容量动力电池勉强能在2020年做到300Wh/kg，需要引入全新材料体系修改自吴娇杨，刘品，胡勇胜，李泓，《储能科学与技术》2016，5，443-453H.

Li正极负极电解质时间应用第一代4.2V

LiCoO2CokePC/DMC

LiPF61991-消费电子第二代4.3

V

LiCoO2NGAGLi4Ti5O12EC-DMC,LiPF61994-消费电子LiMn2O4,电动汽车LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2储能LiFePO4电动工具第三代4.4-4.6

VLiCoO2Soft

carbonHard

carbonSnCoCSiOxNano-Si/CEC-DMC-EMC,

LiPF6+

VC,FEC,BP,

ES,PS,Silane,

LiBOB,LiTFSI,LiFSI,Ionic

liquid…2014-消费电子电动工具电动汽车规模储能家庭储能航空航天工业节能国家安全LiNix

0.5CoyMnzO2LiNi0.8Co0.15Al0.05O2LiFe1-xMnxPO4xLi2MnO3-Li(NiCoMn)O2LiNi0.5Mn1.5O4陶瓷涂布隔膜，预锂化，涂碳集流体，高温化成，热管理…Fei

Luo,

Hong

Li

et

al,

JES,

2015，162,

A2509300Wh/kg以上锂离子动力电芯技术路线小结循环性体积能量密度膨胀、气胀安全性倍率特性低、高温自放电材料掺杂包覆极片改性电解液改性导电添加剂化成工艺

N/P设计纳米结构材料极片改性粘接剂电解液改性导电添加剂化成工艺

预锂化工艺圆柱软包铝壳单击此处编辑母版标题样式基于纳米硅碳/富锂材料的高能量密度锂离子电池量

Wh

能量密度

Wh/Kg检测项目测试条件放电容量Ah质量g能常温容量0.1C

4.6V-2.27V22.522673.8327常温容量0.1C

4.6V-2.27V24.55207.677.8375核桃结构纳米硅碳材料纳米硅碳：450-2000

mAh/g富锂锰基：280-320

mAh/g目前循环性、体积膨胀、高温、倍率还差距较大中科院先导项目：宁波材料所夏永高团队/物理研究所李泓团队联合研制李泓，电动汽车百人会报告，2016.1.24;《储能科学与技术》6，2016，172-176—+表面处理梯度材料富锂锰基正极材料RISING-IIMade

in

China

2025

JCESR

CAS-SPRPRISING-I

EV

Everywhere中日美政府的目标≥300

Wh/kg2016

重点专项新能源汽车纳米科技材料基因组USABCDOE

Battery

500CATL国轩力神采用金属锂负极，容易实现电芯高能量密度金属锂负极的主要技术挑战循环性、安全性、充放电倍率、自放电等无法满足应用需求多种金属锂电池：金属锂电池，锂硫，锂氧气，锂水，锂二氧化碳，锂空气电池金属锂电极在有机溶剂电解液中共性问题全固态金属锂电池？液态锂离子 @固态锂电池液态固态关键差别：电解质由液体变为固体-->浸润性、界面稳定性、金属锂、安全性Metallic

LiLi全固态金属锂电池可能具备的优点固态电池可能具备的性质全固态锂电池可能具备的优点有望抑制锂枝晶可以使用金属锂负极-->高能量密度，高安全性不易燃烧、不易爆炸安全性优于液态锂离子电池无持续界面副反应循环性好，更安全，内阻稳定，功率衰减慢无电解液泄漏、干涸问题服役寿命长，不易跳水高温性能更好车用、工业应用、安全性好；可以创新Pack设计无气胀电芯不易变形，寿命长原材料纯度要求降低材料成本降低，易于生产正极选择面宽可开发多种不同用途的电池非活性物质体积质量减少体积、质量能量密度高电芯内部可串联高电压电芯及模块、系统设计简化、易于灵活配组NEDO制定的电池研发路线图LiCoO2,

LiMn2O4NCM,

LiFePO4C,

Li4Ti5O12LiPF6,

EC-DMC2015-20202030年NCA,811LNM,LCO/Nano-Si124M

–

Cambridge,

MA聚合物和纳米陶瓷颗粒复合2Ionic

Materials，Woburn,

MA新型聚合物电解质3Iowa

State

University

–

Ames,IA新型玻璃态固态电解质4ORNL–

Oak

Ridge,

TN对锂稳定的玻璃态电解质5Pennsylvania

State

University–PA，热冷压制备固态电解质6PolyPlus

Battery

Company

–CA柔性固体电解质保护Li金属电极7Sila

Nanotechnologies

CA，熔体渗透固体电解质技术8University

of

Colorado

Boulder

–CO闪烧技术用于制造固体电解质12345678美国DOE

APER-E

项目

:Ionics（2016）无锂正极对应负极：厚金属锂箔、锂膜、锂合金、复合材料、含锂嵌入化合物；锂源正极对应负极：薄金属锂箔、薄锂膜、锂合金、复合材料、多孔集流体；电池结构设计负极固液复合电解质负极聚合物固态电解质负极无机固态电解质负极固固复合电解质界面电阻低较低高较低锂枝晶生长，可以抑制生长，可以抑制不易生长不易生长界面副反应有，可以自中断有，可以自中断有，可以自中断有，可以自中断正极设计容易较困难困难较困难电位范围5V困难5V困难5V有可能5V有可能低温性能可以困难困难困难能量密度较高较高较低，理论高较低，理论高加工性容易较容易较困难较困难安全性较好较好氧化物体系很好较好7.正极集流体负极集流体锂负极负极电解质界面固体电解质正极电解质界面固态锂电池问题汇总7.正极集流体负极集流体锂负极负极电解质界面固体电解质正极电解质界面固态锂电池解决方案汇总对电解质材料应用的评价Manthiram,

A.

et

al.

(2016)Lithium

battery

chemistries

enabled

by

solid-state

electrolytesNat.

Rev.

Mater.

doi:10.1038/natrevmats.2016.103共性与评价先导技术重点突破先导技术战略

先导技术提升变革性技术的培育能力，发展关键共性制造和评价技术，保障新兴产业的健康发展将具有变革性前景的纳米技术进行系统集成，形成我国的优势产业大力 发技术成熟度高的纳米技术，推进新兴产业发展中国科学院战略先导A类项目-变革性纳米产业技术聚焦阴和俊，2013.11.15长续航动力电池项目加快关键材料中试、产业化；研发下一代电池技术；启动动力电池综合分析平台建设；强化产学研联盟，与优势企业合作纳米硅碳碳、富锂高电压、高温隔膜、离子液体、石墨烯等关键材料中试；动力电池电芯能量密度>180

Wh/kg；模块能量密度>150

Wh/kg负极、正极、电解质、隔膜性能优越，新技术锂电池大规模量产，产值>50亿电芯能量密度>300

Wh/kg，高安全性,寿命>2000次2020年2015年服务国家战略需求发挥创新引领作用先导“长续航动力锂电池”项目部份进展液态、凝胶、混合固液电解质、全固态液态锂离子电取长池补短，全固态锂电池逐步颠覆25

wt%

15wt%250

Wh/kg300

Wh/kg350

Wh/kg80oC150

oC400Wh/kg

500

Wh/kg操作温度0

wt%5

wt%30

wt%50

wt%80-100%Li

负极全固态,1980混合固态，202055oC全固态2025液态锂离子1991中科院先导团队研究开发内容10wt% 5

wt%

1wt% 0

wt%电芯中液体

Ah-mAhmAh-5

Ah5Ah-100

Ah电池结构和设计 电池容量 应用场景 规模制备方法镍矿锂矿钴矿锰矿原材料石墨矿固体电解质正极材料负极材料电池材料集流体导电添加剂粘接剂封装材料电池组电源管理系统集成工业节能电网储能电动汽车电池应用废旧回收回收安全预警失效分析测试诊断性能评价固态电池浆料极片电芯化成梯级利用硅粉矿储备电源消费电子锂离子电池+金属锂电池+固态电解质