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中科大开发出全新固态电解质，成本不足传统材料的4%？

黎烁

2023-07-06

以下文章来源于CBEA电池中国

磷酸锰铁锂、钠离子电池、复合集流体作为动力电池领域2023年最重要的技术创新成果，均已经实现了产业化。

而遥看星辰，作为下一代电池重要技术路线之一的半固态、全固态电池技术，在技术、市场的推动下，其产业化也正在临近。

近期，有关半固态、固态电池的消息日益增多，而从市场动作来看，基于该技术的产品装车也已经有了时间表。

日前，三星SDI社长透露，“今年，我们已经完成了全固态电池中试线的建设，准备在下半年生产样机。”他还指出，“我们正在为下一代电池产品的开发和量产做准备，包括完成直径46毫米圆柱形电池的‘M线’。”

去年7月，蜂巢能源透露，该公司已经研发出国内首批20Ah级硫系全固态原型电芯。该电芯的能量密度高达350~400Wh/kg，比锂离子电池高出30%以上，并已顺利通过针刺、200℃热箱等试验测试。

上个月，丰田汽车对外表示，该公司拟于2027年向市场投放配备“全固态电池”的纯电动汽车。

国内方面，近日，上汽集团也对外表示，拟向清陶能源追加投资近27亿元，深化布局固态电池技术。根据上汽集团的规划，2024年上汽集团旗下智己汽车将推出搭载固态电池的高性能、长续航车型，并率先实现规模化量产；2025年上汽集团旗下飞凡、荣威、MG名爵等品牌也将推出固态电池相关车型，计划在2025年其固态电池车型销量将突破10万辆。

在通往固态电池这一技术之巅上，中国科研院所也有好消息传来。

据中国科学技术大学消息，近日，该校马骋教授研发出一种新型固态电解质，据报道其综合性能和目前最先进的硫化物、氯化物固态电解质相近，但成本不到后者的4%，很适合产业化应用。该成果以“A cost-effective, ionically conductive and compressible oxychloride solid-state electrolyte for stable all-solid-state lithium-based batteries”为题发表在国际著名学术期刊《Nature Communications》上。

资料显示，为了满足实际应用需求，全固态锂电池的固态电解质至少需要同时具备三个条件：

高离子电导率（室温下超过1毫西门子每厘米）；
良好的可变形性（250-350兆帕下实现90%以上致密）；
足够低廉的成本（低于50美元每公斤）。

值得注意的是，目前被广泛研究的氧化物、硫化物、氯化物固态电解质，以现有技术都无法同时满足这些条件。比如，氧化物作为脆性陶瓷，普遍不具备可变形性；硫化物和大部分氯化物则成本高昂，至少在200美元每公斤的量级。中国科学技术大学消息指出，这些材料中唯一的例外是氯化锆锂，但是它的离子电导率却远低于1毫西门子每厘米。

来源：中国科技大学官网

此次研究中，马骋教授不再聚焦于上述氧化物、硫化物、氯化物中的任何一种，而是转向氧氯化物，设计并合成了一种新型固态电解质——氧氯化锆锂。

据介绍，新型固态电解质氧氯化锆锂具有很强的成本优势。如果以水合氢氧化锂、氯化锂、氯化锆进行合成，它的原材料成本仅为11.6美元每公斤，远低于50美元每公斤的成本要求；如果以水合氧氯化锆、氯化锂、氯化锆进行合成，氧氯化锆锂的成本可以进一步降低到约7美元每公斤，远低于目前最具成本优势的固态电解质氯化锆锂（10.78美元每公斤），并且不到硫化物和稀土基、铟基氯化物固态电解质的4%。

当前，固态电池产业化除了技术难点外，成本也是一道难以跨越的坎。据测算，仅目前接近产业化的半固态电池成本，就已远高于商用化的液态电池成本。

今年5月，蔚来新一代ES6正式上市，在发布会上，蔚来董事长李斌介绍称，基于半固态电池的蔚来150kWh电池包将于今年7月上线，并搭载到ES6车型上，CLTC纯电续航达到了930公里，同时该电池包支持换电。

蔚来联合创始人、总裁秦力洪表示，150kWh电池包成本很高，相当于一辆ET5（75kWh电池版整车32.8万元，电池租赁版25.8万元）。

根据测算，以NCM811液态电芯和NCM811半固态电芯为例，半固态电芯成本相比液态电芯成本增加约80%。其中，固态电解质成本是主要新增成本，也是半固态电池中的主要成本，占比约50%。由于电解质材料变化、生产工艺改变、产品质量控制经验不足导致的工程验证周期长等因素，都会使得全固态电池比半固态电池成本更高。

据中国科技大学介绍，除了极强的成本优势，氧氯化锆锂的综合性能和目前最先进的硫化物、氯化物固态电解质相当。它的室温离子电导率高达2.42毫西门子每厘米，超过了应用所需要的1毫西门子每厘米。与此同时，它良好的可变形性使材料在300兆帕压力下能达到94.2%致密，也超过应用所需要的水平（250-350兆帕下90%以上致密）。

此外，由氧氯化锆锂和高镍三元正极组成的全固态电池展示了极为优异的性能：在12分钟快速充电的条件下，该电池仍然成功地在室温环境下稳定循环2000圈以上。

氧氯化锆锂的发现，使固态电解质在性能、成本上“鱼与熊掌”兼得，如果该材料和技术得以快速产业化，对全固态锂电池装车将具有重大意义。

相较于全固态电池，今年以来，半固态电池消息更为热闹，且产业化已经到来。

6月30日，卫蓝新能源历时两年多开发的360Wh/kg半固态电池正式交付给蔚来，并将于7月配套装车到蔚来ES6车型上；

孚能科技透露，今年5月，该公司自主研发的第一代半固态电池已顺利量产装车，电池的安全性能和单体电芯能量密度得到提升。

而在今年4月，宁德时代发布了凝聚态电池（Condensed Battery），单体能量密度最高可达500Wh/kg，兼具高能量密度和高安全的特性，并且其乘用车用的凝聚态电池（据报道能量密度在300Wh/kg左右）今年将具备量产能力；同月，亿纬锂能表示，该公司基于50Ah的固液混合半固态体系软包电池，可实现330Wh/Kg的能量密度，超过1000次的循环寿命，使用温度可拓展到-20℃-80℃，目前已完成设计定型，并装车验证中。

需要指出的是，一种新技术、新材料从实验室走向产业化往往需要数年的时间，需要整个产业链的持续投入。基于氧氯化锆锂的全新固态电解质在技术理论层面已经有了质的突破，而这一技术的出现相信会成为业界努力的方向之一，而能否快速产业化仍有待持续观察。但半固态、全固态作为动力、储能电池的方向，在市场倒逼下，相信其产业化进程会加速到来。

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