聚合物锂电池的密度 锂离子电池隔膜性能参数与测试方法汇总

锂离子电池隔膜性能参数与测试方法汇总

【能源人都在看，点击右上角加'关注'】

隔膜作为锂电池的重要组成部件，对阻隔电子通过防止短路和保证内部离子透过使电池高效、稳定、安全地运行具有重要意义。 虽然隔膜自身未发生任何的电化学反应，但其结构和性能却影响电池的界面结构和内阻等，进而影响电池整体的容量、充放电电流密度、循环性能以及安全性等。

本文通过对国内外电池隔膜测评标准的归纳和整理，较为全面系统地介绍各测试项目，包括其原理、现有标准及测试方法等，并对其进行相关评述，以期为隔膜行业和相关科研机构对电池隔膜的检测提供一定的参考。

1. 隔膜的主要性能指标

参考美国先进电池联盟(USABC)对锂离子电池隔膜性能参数的规定，电池隔膜性能大致可以分为理化特性、力学性能、热性能及其电化学性能4个方面。

其中，理化特性包括厚度、孔隙率、平均孔径大小与孔径分布、透气性、曲折度、润湿性、吸液率、化学稳定性8项参数；力学性能主要包括穿刺强度、混合穿刺强度和拉伸强度3项参数；热性能包括热闭合温度、熔融破裂温度和热收缩率3项指标；电化学性能包括线性伏扫描测试(LSV)、电化学阻抗谱测试(EIS)、循环性能(CP)、离子电导率和Mac-Mullin值5项参数。

2. 隔膜的理化特性

2.1 厚度

厚度是锂电池隔膜最基本的参数之一，通常和锂离子的透过性成反比、跟隔膜的力学性能成正比，故在满足机械强度的条件下应尽可能减小隔膜厚度以提升电池性能。

目前隔膜中以16、18、20、25、30μm等厚度较为普遍，根据电池不同的用途，其隔膜厚度也有相应的差异。电子数码产品的电池隔膜厚度较小，16μm和18μm较为理想，但以25μm较为常见；混合动力汽车和电动汽车上大功率、大电流电池的隔膜则需要较大的厚度，一般为40μm及以上。

目前关于厚度测试的标准主要有GB/T 6672-2001《塑料薄膜与薄片厚度的测定机械测量法》、GB/T 20220-2006(塑料薄膜和薄片样品平均厚度、卷平均厚度及单位质量面积的测定称量法(称量厚度)》、ASTM D374M-13《Standard Test Methods for Thickness of S olid Electrical Insulation》、DIN 53370：2006(Testing of Plastics Films- Determination of the Thickness by Mechanical Scanning)和JIS Z1702-1994(包装用聚乙烯薄膜》等。

由于电池隔膜大都以聚合物作为制造材料，质地柔软，在测量厚度时应尽可能减小接触压力对隔膜形变的影响。尤其是在 实验室中利用小型手持式测厚仪进行测量时，若接触压力过大可能因变形而使测量结果失真，因此可借助非接触式测厚仪进行测量。非接触式测厚仪可以做到快速、无损测量，但测试是基于光学原理的点测量，相对于接触式的面测量而言较容易受到隔膜孔隙结构的影响，测试结果波动较大，不利于平均厚度的测量。

2.2 孔隙率

孔隙率是影响隔膜电化学性能的一个重要参数，理论上其余的参数如透气度、吸液率、电化学阻抗等都与此相关。孔隙率被定义为隔膜中微孔的体积与隔膜总体积的比值，目前隔膜生厂商所控制的孔隙率大都为25％-85％，隔膜中的微孔一般为通孔、盲孔和闭孔这3类。目前，隔膜孔隙率的测试方法主要有吸液法、计算法和仪器测试法。

吸液法

吸液法由于简单易行，适合在实验室中测量，但测试结果和隔膜在液体中的浸润性有关系，因此在测试时尽可能选取容易和隔膜相润湿的溶剂，一般选用无水乙醇、十六烷、正 丁醇等。以无水乙醇进行测试时要先称量干膜质量μ0，将隔膜完全浸泡在无水乙醇中一定时间，然后快速将隔膜取出，用滤纸轻轻擦隔膜表面的无水乙醇，再称取湿膜质量μ。根据式(1)计算，即可得到隔膜的孔隙率(ε)。式(1)中，ρ、ρ0分别为隔膜材料和无水乙醇的密度。

计算法

计算法是目前大多数隔膜生厂商所选用的测试方法，仅需要知道基体质量和材料尺寸等参数，利用式(2)可计算得出结果。

式(2)中，P为孔隙率，M为样品质量，V为样品体积，ρ为样品密度。该方法中所使用的样品密度可以采用原材料的密度、真密度仪测量或注塑方法测量的结果。不同的密度选取标准对应不同的孔隙率，一般原材料和注塑方法测量的结果包含通孔、盲孔和闭孔3种孔隙结构，而利用真密度仪测量的结果则不包含闭孔结构。

仪器测试法

仪器测试法精确度高，但需要采用特殊的仪器设备，因仪器设备价格昂贵，测试和使用费用较高，目前只限于大型隔膜厂商和部分有条件的科研团队使用。常用的仪器设备有 PMI公司的毛细管流动分析仪、压汞仪和压水仪等，测量结果和测量原理、实验条件等 密切相关，可以有效测量隔膜的孔径、孔径分布、最大孔径、孔数分布、气体渗透率、液体渗透率、表面积、完整性等细微参数，对隔膜微观结构的分析大有裨益。

由于压汞仪需要用到汞，存在一定的毒性，而且对测试样品采取破坏性测试，因此逐渐被环保无害、无损性测试的压水仪取代。目前，主要测试标准有GB／T 21650．2-2008《压汞法和气体吸附法测定固体材料孔径分布和孔隙度第2部分：气体吸附法分析介孔和大孔》和ASTMD2873-94el《Standard Test Method forInterior Porosity of Poly(Vinyl Chloride) (PVC) Resins by Mercury Intrusion Porosimetry》。

2.3 平均孔径大小与孔径 分布

为了使电池能够持续、稳定地运行，要求电池中的电流密度均一平稳，因此要求隔膜需要有适合的孔径大小和孔径分布 。若孔径过小，锂离子的透过性会受到限制，从而使电池的内阻增大，降低了电池的整体性能；若孔径太大，在增加锂离子透过性的同时，也容易受到锂离子枝晶生长刺穿隔膜的影响，从 而导致短路甚至是爆炸等安全问题。

根据USABC的要求，锂离子隔膜的孔径应小于1μm。目前大多数隔膜的平均孔径可以达到0.01～0.05μm，孔径分布越窄、越均匀，电池的电性能越优异。孔径的大小和分 布目前主要采用扫描电子显微镜(SEM)直接观测，或者利用PMI公司的毛细管流动孔隙仪或压汞仪等设备直接测量。利用仪器测试孔径大小的基本方式和原理如下：

①用液体将待测隔膜孔道完全润湿填满，因毛细现象使得孔内形成正压

②将隔膜放入密闭槽中，用气体压力加压将液体由毛细孔道内挤出

③根据在单一孔道中的液体完全由毛细孔道内挤出时所施压力与孔道直径的相对关系，依照Laplace方程可得隔膜孔径，Laplace方程如式(3)所示。

式(3)中，d为孔直径，⊿P为压力，γ为液体表面张力，θ为隔膜和液体的接触角。不同压力时隔膜中的液体会被陆续挤出并产生一定的气体穿透流量，可根据压力和流量变化的关系来计算孔径大小及孔径分布 。

目前主要的测试标准有ASTM F316-03《Standard Test Methods for Pore Size Characteristicsof Membran e Filters by Bubble Point and MeanFlow Pore Test》和 ASTM E1294-89(1999）《Standard Test Method for Pore Size Characteristics of Membrane Filters Using Automated Liquid Porosimeter》等。

2.4 透气性

透气性是表征隔膜气体透过能力的一个指标，能够间接地反映离子的透过性，隔膜行业通常用Gurley值作为评判标准，是指将隔膜置于透气度检测仪内，一定体积的空气在一定的压力下透过规定面积隔膜的时间。

目前隔膜行业中多采用日本工业标准，即在1.22kPa压力下测试100mL空气通过1平方英 寸隔膜所需要的时间。因此，Gurley值的大小与气体的透过性成负相关。Gurley值的检 测可以参照 ASTM D726-94(2003)《Startdard Test Method for Resistance of Nonporous Paper to Passage of Air)，ISO 5636-5：2013《Paper and Board Determ ination of Air Perm eance(Medium Range)Part5：Gurley Method》等标准，通常使用Gurley 4110N型透气度检测仪进行检测。此外，常用的检测标准还有 ISO 15105-1：2007《Plastics-Film and Sheeting-Determination of Gas-transmission Rate-Part 1：Diferential pressure Methods》，GB／T1038-2000《塑料薄膜和薄片气体透过性试验方法 压差法》，ASTM D1434-82（2003)《Standard Test Method for Determining Gas Permeability Characteristics of Plastic Film and Sheeting》等。

各标准的测试方法有一定差别，但其原理基本相同，仅气体透过量有差别，因此执行不同标准测试所得结果仍可通过换算得到统一的数据进行对比。根据USABC的标准，Gurley值应要求小于35s/10立方零米。此外，因为Gurley值的大小依赖于空气通过隔膜中多孔结构流动的方式，所以能够从一定程度上反映隔膜内部孔隙的曲折程度，当隔膜的孔隙率和厚度都确定时，通过比较Gurley值可以大致评估隔膜孔隙的曲折度。同时文献也表明透气度均一、稳定的隔膜对提升电池的使用性能具有重要意义。

2.5 曲折度

曲折度是隔膜中有效毛细管的平均长度(即离子实际通过的路程)与隔膜厚度的比值，其理论表达式如式(4)所示。

式(4)中，ls是粒子透过隔膜的路程，d为隔膜的厚度。由于离子实际透过隔膜的路程难 以测量，通常利用式(5)近似计算得到隔膜的孔道曲折度。

式(5)中，Nm为Mac-Mullin值，ε为孔隙率。曲折度可用于表征电池隔膜这类多孔性物质的微观孔隙结构，能够反映隔膜的透过性，并用于描述锂离子透过隔膜的难易程度 。

图1是不同曲折度隔膜示意图。从图1(a)可以看出当曲折度τ=1时，隔膜孔隙呈理想的平行网柱通道，锂离子可轻易穿梭，此时电池的内阻最低；从1(b)可以看出当τ>1时，隔膜孔隙呈曲折状态，锂离子在隔膜中穿梭路径变长，降低了锂离子在正、负极材料之间往返的速率，因此电池的内阻增大，同时还容易诱导锂离子枝晶的生长而刺破隔膜，引起安全隐患。

图1 不同曲折度隔膜示意图

2.6 润湿性和润湿速度

隔膜的润湿性和润湿速度对于锂离子电池的运行具有重要的意义。为高效传递锂离子，位于正、负极材料之间的隔膜须和电解液充分接触，并且具备持久的电解液保持能力，反之则会使电池内阻增大，降低其使用性能。

通常，隔膜的润湿性和其所用材料的性质特点有关，亲水性材料较疏水性材料润湿性好，因此可以使用接触角测试仪对隔膜表面与电解液的接触角进行测，通过接触角的大小即可直接比较润湿性的好坏。

润湿速度则反应了隔膜在电解液中完全润湿所需要的时间(或单位时间内隔膜被润湿的面积)，不仅和隔膜的材质(主要是表面张力大小)有关，同时也受孔大小、孔隙率和曲折度等的影响。虽然没有特定的测试方法，但仍然可以采用较为简单的方法对其表征。可以将一定体积的电解液滴落在隔膜表面，然后观察电解液在隔膜中完全扩散所需要的时间 ；或者将隔膜垂直悬挂于电解液上方(一部分浸没在电解液中)，再观察电解液上升的高度。

图2展示了不同隔膜的接触角测试图和悬挂吸液结果，从图2可以看出，隔膜的润湿性与润湿速度具有很好的关联性，即隔膜的润湿性越好其电解质接触角越小，同时润湿速度 也越快(单位时间内吸收的电解液越多，电解液上升的高度越大)。相比于接触角测试，悬挂吸液法由于不必借助测试仪器，且操作简单，在没有接触角测试仪的情况下可作为一种简单快速的检测手段 。若有接触角测试仪则可两种方法配合使，一同验证。

图2 不同隔膜的接触角测试图和电解液吸收高度

2.7吸液率

吸液率的测定日前尚无特定的测试标准，具体可以参考QB/T 2303．11-2008《电池川浆层纸 第11部分：吸液率的测定》或 SJ/T l0l71．7- l991《隔膜吸碱率的测定》进行测定。虽然这两个标准并非针对锂离子电池隔膜 ，但测试原理仍适用。因此，锂电池隔膜吸液率可通过式(6)进行算。

式(6)中，m0和m分别为隔膜浸泡前后的质量。

考虑到电解液的毒性和挥发性，实际测试时可采用与隔膜润湿性较好的有机溶剂进行测定，如无水乙醇、正丁醇、环己烷等、由于吸液率的测定结果波动较大，应重复测试多次并取平均值，此外操作过程中应该保持各次测试变量的一致性以减少误差 。

2.8 化学稳定性

化学稳定性主要是指隔膜电解液中的耐腐蚀性和尺寸稳定性。由于电解液中含有大量有机物质，因此要求隔膜在浸润时不能和电解液发生化学反应，同时要求有较好的尺寸稳定性，不发生胀缩和变形。目前尚无隔膜化学稳定性的相关测试标准，但要求用于制造隔膜的材料能够保证电池长时间正常使用。

具体的测试方法并无统一规定，例如在实验室中可将一定质量和尺寸的隔膜浸没到50℃的电解液中5h左右，然后取出隔膜，洗净并干燥后重新称量和测量尺寸，比较浸泡前后隔膜质量和尺寸的变化。目前市售锂电池隔膜中PE和PP隔膜均能满足化学稳定性要求，因此无须进行化学稳定性测试，而对于其他新开发的隔膜则有必要通过此测试探究其化学稳定性。

3 力学性能

3.1 穿刺强度

鉴于隔膜生产过程中的蜷曲缠绕和包装，电池的组装和拆卸，以及实际使用中反复充放 电等因素，要求隔膜必须具备一定的物理强度以克服上述过程中的物理冲击、穿刺、磨损和压缩等作用带来的损坏，因此需要考察隔膜的穿刺强度。具体测试方法可以参照 ASTM D3763-10《Standard TestM ethod for High Speed Puncture Properties of Plastics Using Load and Displacement Sensors》和ASTM F1306-90《Standard Test Method for Slow Rate Penetration Resistance of Flexible Barrier Films and Laminates》等标准，测试结果和穿刺针的规格、穿刺的速度以及夹具的尺寸大小有关系。根据大量的试验和观察，USABC对于锂离子电池隔膜的穿刺强度规定了指标，即测试结果不可以小于300g/mil (1mil=25.4 μm)。

3.2 混合穿刺强度

混合穿刺强度测试的是电极混合物刺穿隔膜造成短路时隔膜所受到的力，方法可以参照NASATM 2010-216099《Battery Separator Characterization and Evaluation Procedures for NASA’S Advanced Lithium-ion Bateries》或 GB/T 21302—2007《包装用复合膜、袋通则》。

混合穿刺强度一般用于电池发生短路概率的评估，由于锂离子电池的隔膜与正、负极的粗糙表面有接触，在电池的组装和使用过程中，电极表面有可能将隔膜刺穿，因此混合穿刺强度相对穿刺强度而言是一种动态的指标参数。USABC规定，锂离子电池隔膜的混合穿刺强度应大于100kgf／mil (1kgf=9．8N、1mil=25.4 μm)。

3.3 拉伸强度

拉伸强度是反映隔膜在使用过程中受到外力作用时维持尺寸稳定性的参数，若拉伸强度不够，隔膜变形后不易恢复原尺寸会导致电池短路。通常参照GB／T 1040．3-2006《塑料拉伸性能的测试》和ASTM D882-10《Standard Test Method for Tensile Properties of Thin Plastic Sheeting》对隔膜的拉伸强度进行测试。测试过程中要注意夹具间距、拉伸速率以及试样尺寸等参数的设定。USABC规定，隔膜的拉伸强度须满 足如下条件：即当施加1000psi的外力时，隔膜的偏置屈服应小于2％。

4 热性能

4.1 热闭合温度

热闭合效应是隔膜对锂电池的一种特殊保护机制，即当电池的使用温度过高时，隔膜会 自动将原来可以让锂离子自由透过的微孔闭合，阻止锂离子在正、负极之间的交换，使 电池内阻增大，从而避免了因温度过高和电流过大而造成的短路甚至是爆炸的危险 。

但是隔膜的闭合性是单向不可逆的，即一旦发生自闭合效应，电池便报废、不再具有使用价值。隔膜通常采用聚合物作为基材，因此当电池的温度达到了隔膜基材的熔点时，聚合物熔融流动，从而导致原有的微孔结构闭合，即基材的熔点一般为隔膜的热闭合温度。目前市售隔膜中，PP单层隔膜的热闭合温度为160-165℃，PE单层隔膜的热闭合温度为130-135℃。

热闭合温度的测量主要依靠差示扫描量热法(DSC)和电阻突变法，图3是3种隔膜的DSC测试图，图4是Celgard 2325(PP／PE／PP)隔膜电阻随温度的变化曲线 。

图3 Celgard 2730(PE)、Celgard 2400(PP)、Celgard 2325(PP／PE／PP)隔膜 的DSC测试图

图4 Celgard 2325隔膜电阻随温度变化 曲线

从图3和图4中可分别发现，在热闭合温度附近有熔融峰的出现和电阻的突变。电阻突变法即在升温的条件下测试电池的电阻，当电阻瞬间升高时所对应的的温度便是隔膜的热闭合温度。具体操作过程可以参考UL 2591-2009《Standard for safety Outline of Investigation for Battery Separators》和INASA TM 2010-2l6099

4.2 熔融破裂温度

隔膜的熔融破裂温度是指温度达到热闭合温度后进一步上升，隔膜基材由于高温熔融而处于黏流状态，力学性能下降并自发破裂时的温度。由于隔膜破裂等效于电路中发生了短路，因此电池的电阻将下降为零。熔融破裂温度可以采用电阻突变法进行测定，即测试过程中电阻为零时所对应的温度，或者利用热机械分析法(TMA)进行测定。TMA法可以参照 NASA TM 2010-216099测定，该办法除可测熔融破裂温度外还可以获得隔膜 的收缩起始温度等信息(如表1所示 ) 此外，还可以在隔膜上附着一定质量的物体，再将隔膜置于程序升温环境中，通过观察重物掉落时的温度来大致估算熔融破裂温度。

表1 C elgard 不同隔膜TMA数据

例如，单层PP膜的熔融 裂温度比单层PE膜高约30℃，三层PP／PE／PP复合膜的闭孔 度和单层PE膜接近而熔融破裂温度却与单层PP膜相近，表明三层复合隔膜在较低的温度下闭孔后仍有30℃左右的温度范围保持较高的电阻，从而保证电池的安全。

4.3 热收缩率

由于在高温下隔膜易发生收缩形变，因此可以通过热收缩率来表征隔膜高温下的尺寸稳定性。例如，单层的PE隔膜放置在120℃下仅10min就有近10%的热收缩，对于锂离子电池隔膜而言，其热收缩率在90℃下放置60min时应小于5％。

当前隔膜行业对热收缩率的测试标准主要有GB／T 135l9-2016《包装用聚乙烯热收缩薄膜》、ASTM D 2732-08《Standard Test Method for Unrestrained Linear Thermal Shrinkage of PlasticFilm and Sheeting》、ISO 14616：2004《Plastics Heatshrinkable Films of Polyethylene， Ethylene Copolymers and Their M ixtures-Detenninat of Shrinkage Stress and Contraction Stress》、DIN53369：1976《Testing of Plastic Films；Determination of the Shrinking Stress》等。此外，还可以在实验室根据一定温度下隔膜面积的收缩值与原始面积之比简单估算，可用式(7)计算

式(7)中，S0是隔膜加热前的面积，S是隔膜加热发生收缩后的面积。例如，图5为实验室 中普通PE膜和经勃姆石表面涂覆的PE膜在不同温度下放置30min后的热收缩对比图，从隔膜热处理后的面积大小可以判断热收缩性能，但具体的热收缩率需借助式(7)计算。

图5 普通PE膜和经勃姆石表面涂覆的PE膜在不同温度下的热处理对比图

总体来说，实验室条件下隔膜热收缩率的计算并不能达到精准的程度，但基本能够满足定性分析的要求，且简单易行，只要保证同一批次隔膜的测试条件一致即可。

5 电化学性能

5.1 线性伏安扫描测试(LSV)

为了研究隔膜的电化学稳定性，通常对其进行线性伏安扫描测试。具体的操作方法是将隔膜夹在不锈钢片和金属锂片之间，组装成为扣式电池，其中不锈钢片作为工作电极、金属锂片作为参比电极，并用IVIUM电化学工作站对其测试。通常可以采用1.0mV／s的扫描速率，电压则可以从开路设置到6.0V。

5.2 电化学阻抗谱测试(EIS)

电化学阻抗谱是研究电化学界面过程的重要方法，被广泛应用于研究锂离子在碳材料和过渡金属氧化物中的嵌入和脱出过程，同时也被用于研究电池中隔膜对锂离子透过性的影响。一般情况下，用交流法测量的电化学阻抗谱图中，可以得到电池的内阻(和隔膜 的电阻有关)，因此可以用此方法得到电池的电荷转移电阻。采用IVIUM电化学工作站测试，频率为0.1Hz一100kHz。

5.3 循环性能(CP)

电池的循环性能主要由循环次数、首次放电容量和保留容量3个指标来衡量。电池连续重复进行多次的充放电行为称为循环充放电，电池循环充放电的次数称为循环次数；首次放电容量是指电池完全充满电后第一次的放电容量；保留容量是指完成一定次数的循环充放电后，电池依旧保持的放电容量。通常至少循环100次以后，得到的循环性能的数据才有说服力。因此，隔膜的性能优劣，直接影响到电池的循环性能。

5.4 离子电导率

离子电导率和离子电阻率互为倒数，实际测试得到的通常是电池的离子电阻，即体积电阻。而试验测试得到的离子电阻(Rb)是隔膜电阻(Rs)与电池中电解液的电阻(Re)之和，如式(8)所示 。

为便于计算，可忽略Re的影响，近似地认为Rs=Rb，再根据式(9)和(10)即可求得隔膜 的电导率(σs)。

式(9)～(10)中 ，ρs是隔膜的电阻率，为隔膜的有效面积(即电极片的面积)，d为隔膜的平均厚度。因此隔膜的电导率(σs)如式(11)所示 。

5.5 Mac-Mullin值

Mac-Mullin值(Nm)是指在饱和电解液中的多孔介质的电阻与相同体积的饱和电解液电阻的比值。因实际测得的电池体积电阻(Rb)也包含了隔膜的电阻(Rs)和电解液的电阻(Re)，因此只需再测量电解液的电阻值(Re)即可根据式 (12)计算Nm。

因此，Mac-Mullin值实际上比离子电导率更能够说明隔膜对锂离子的透过性，因为它消除了电解液的影响。

免责声明：以上内容转载自电池中国，所发内容不代表本平台立场。全国能源信息平台联系电话：010-65367702，邮箱：hz@people-energy.com.cn，地址：北京市朝阳区金台西路2号人民日报社

能量密度达450Whkg，「恩力固态」开发可以在平流层使用的锂金属电池

大众在与Quantum Scape合作9年后，宣布于2025年开始生产固态电池，并应用于大众电动汽车，一次充电可达500英里（约804公里）行驶里程。今年4月，大众汽车在Quantum Scape测试了新一代固态电池，并对后者追加了1亿美元投资。近日，大众首席技术官Thomas Schmall在接受采访时透露，大众对开发新一代固态电池寄予厚望。

除此国外的汽车厂商中，丰田、福特、宝马等均已明确提出固态电池投入使用的时间线。

而国内的厂商中，今年1月10日，蔚来(NIO.US)宣布正式推出150kWh电池包，使用半固态电池。搭载该电池包的蔚来ES8续航里程将达到730公里。

宁德时代也曾在今年1月公开了两份关于固态电池的专利，分别为“一种固态电解质的制备方法”、“一种硫化物固态电解质片及其制备方法”。

由此可见，固态电池即将成为未来兵家必争之地。

电池技术，一直被认为是新能源汽车普及的瓶颈，锂离子电池的高温安全性、低温能效、能量密度、自重等问题无法得到根本的解决；其他如钠离子电池的能量密度低，在动力层面应用空间受限；氢燃料电池则因为高昂的成本，在乘用车领域无法大范围推广。

恩力固态 ，是目前国内为数不多从事固态锂电池研发生产的初创公司。在固态电解质材料、固态电解质隔膜、负极材料等方面已完成实验室研发，进入工艺开发阶段。其硫化物为电解质的全固态原型电池可实现-40-100ºC稳定工作温度区间、5C以上充放电、600次以上循环（100%DOD）。另一款基于固态电池技术积累开发而成的锂金属电池品，经客户验证能量密度达450Wh/kg。

就锂离子电池和固态锂电池的发展问题，恩力固态 的CEO车勇博士和36氪聊了聊。

一 锂金属二次电池与固态电池

二十一世纪以来，随着微电子技术的不断发展，电子设备日益增多，消费者对电源提出了越来越高的要求，从而使锂（离子）电池进入了大规模的实用阶段，逐步替代着铅酸电池等传统电池。

目前，锂离子电池已大量应用在消费电子产品、新能源汽车、航空航天及储能领域等，市场需求呈现逐年持续快速增长的态势。根据IIT的统计预测，预计到2022年全球锂电池总需求量和市场规模将分别达到125.4 GWh和422亿美元，未来年复合年增长率预计分别为14.9%和12.9%，将继续维持在较高水平。随着新能源汽车及智能电网等应用领域的快速发展，针对锂二次电池性能也提出了更高的要求。

金属锂负极以极高的容量（3860mAh/g）和最负的电势（-3.040V vs 标准氢电极）被称为二次锂电池“圣杯”电极。应用金属锂为负极的锂金属二次电池也被认为是高比能电池的终极形态。

事实上，锂金属二次电池的商业化历史要比今天的锂离子电池还要早一些，一家叫做Moli Energy的加拿大公司早在1987年就推出了锂金属二次电池成品，用二硫化钼作为正极，金属锂作为负极。能量密度超过100Wh/kg，在业内引起很大震动。这家公司之后于1989年推出其第二代产品，正极采用二氧化锰,负极继续采用金属锂。但在此时，其第一代产品开始出现安全事故，之后不得不全部召回并支付了巨额赔偿。1989年底公司破产清算，次年初被NEC收购。

NEC后来又制造了50万支电芯投入试验，历时2年，当时绝大部分电芯都出现了故障，而导致故障的“真凶”就是锂枝晶。

在同一时间段，获得2019年诺贝尔化学奖的John Goodenough等三位科学家（及一些并不为世人所知的科学家和工程师们）分别在锂离子电池的正极、负极、电解液、隔膜等方面取得了一系列重大突破。1990年2月14日，索尼正式对外发布了一款全新的采用钴酸锂正极和碳负极的锂离子二次电池，达到4.1V的电压，80 Wh / kg的能量密度。从此锂锂离子电池的大规模产业化拉开序幕，而锂金属二次电池便从市场上消失了。

直到近年全球各地对固态电池的研发兴起，又将锂金属负极再次推向台面。2020年9月固态锂电池研发公司Quantum Scape在美国上市，其实验室样品采用锂金属负极（反应），续航距离为普通锂离子电池的1.8倍，15分钟可充满 80%，电池不易劣化，38万公里时可以保持80%容量。股价迅速由10美元涨到130美元，其身后的投资者包括大众、比尔盖茨、索罗斯等。今年6月宣布即将在美国纳斯达克以SPAC方式上市的另一家美国初创企业Solid Power采用了硫化物固态电解质的同时也选择了锂金属负极这一选项。

事实上，在之前的三十年间，美日的多家研究机构对于固态锂电池的研究从未停止，主要包括诺贝尔奖得主锂离子电池之父John Goodenough教授在美国德克萨斯大学奥斯汀分校的实验室、日本东京工业大学菅野了次教授的实验室等。他们分别从不同的技术路线在固态电解质材料等方面取得了技术突破，技术路线主要包括氧化物和硫化物电解质材料。而当固态电解质材料的研发取得了突破后，人们希望可以重新利用锂金属为负极材料，利用固态电池体系去解决困扰业界三十余年的锂枝晶等难题。

2021年3月，据日经报道，一家初创公司恩力固态 （Enpower Greentech Inc.）与Softbank软银株式会社联合发布新闻，由双方共同研发的能量密度450Wh／kg级别的锂金属电池于近期成功验证，将应用于软银的平流层通信无人机。此外，双方在延长锂金属电池循环寿命的相关核心技术方面也取得了进展。相关核心技术包括能抑制锂金属枝晶的超薄（10nm以下）镀膜技术，以及能同时实现高电压和高库伦效率（充放电效率）的固态电解质界面技术。

二 固态锂电池和锂离子电池的差异

自从特斯拉在2008年推出第一款使用锂离子电池组作为动力的Roadster，国际锂离子电池的市场格局发生了巨大的变化。产能从日本向中国、韩国转移，2020年，中国的锂离子电池产量达188.5亿支，年产能160GWh。2016-2020年，年均复合增长率超过20%，但是最近两年来，虽然有大量新能源车型落地，电池的年增长率却降到12%-14%之间。

可见虽然政策和市场都有重大的倾斜，电池在整车的成本占比又超过30%，但是新能源汽车的发展并没有给电池的产量带来量级的提升。并不是因为电池产能所限，我们可以从公开数据中看到，国际锂价相对变化区间不大，在2017-2018电池用碳酸锂价格甚至腰斩。限制锂离子电池在新能源汽车领域更大范围应用的原因是其本身的性能。

1 成本和能量密度

数据显示，过去十年，锂电池的成本下降了近85%，2011年是3800元/KWh，2020年下降到578元/KWh。与此同时，锂离子电池能量密度提升了近3倍，2011年是80Wh/kg，2020年上升到270Wh/kg。但是这个能量密度已经接近了物理极限，未来进一步提升的空间很小。对于汽车而言，重要的指标续航里程也很难提升，除非加大电池组，但是目前长续航车型整车质量已经很大，因此能量密度在很大程度上制约了续航里程的提升。

一些固态电池开发者如Quantum Scape、Solid Power等，电池能量密度均已超过380Wh/kg。即对应同样重量的电池组，汽车的续航里程可提升30%-80%。未来随着研发的深入和工艺水平的提升，能量密度还将有进一步提升的空间。

从成本的角度来考量，固态锂电池中没有额外添加贵金属之类物质，但是减少了液体的电解质成分，按照主要成分金属锂的同比价格，在研发和工艺成本被摊薄后，同样电量的固态锂电池成本会比锂离子电池还要低一些。

2 安全性和稳定性

1995年索尼生产锂离子电池的日本群山工厂起火，100万18650电池付之一炬，起火原因是老化试验的电池爆炸。之后索尼对于锂离子电池增加了针刺等非常规试验以提高安全性，但是之后戴尔笔记本起火，导致索尼召回1000万块电池，并支付4.44亿美元赔偿。之后索尼将电池业务出售给村田制作所。

三星手机电池的多次爆炸起火事故则导致了其中国手机业务跌至谷底。

而在新能源汽车领域，不针对某一个特定品牌，电池的起火爆炸等事故都并不罕见。

在锂离子电池中，当电池内部温度因为各种原因异常升高时，PE隔膜熔化形成隔膜阻断。锂离子会集中穿过形成大电流，导致正负极短路和起火、爆炸。

而固态锂电池，因为没有电解液，不存在这种特殊的临界状态，即使进行针刺试验使其破裂，也没有起火爆炸的风险。

恩力固态的硫化物全固态电池目前已经实现600次以上的循环100%DOD，电池仅衰减20%。而在实验室环境，也实现了10C的充电，即6分钟电池充满电。

这同时衍生了另一个问题，目前的锂离子电池，很难实现超充，而超充是解决续航的最快路径。比如在超充领域布局最早的特斯拉，对应3C的超充尚没有普及到大部分车型，而可能近期会推出的V4超充仅针对Cybertruck一款车型。

对于以硫化物为电解质的固态锂电池，超充的制约条件却来自电网那一端。

3 低温可用性

无论是手机，还是新能源汽车，在冬季都面临电量危机，前一分钟可能还有50%的电量，之后可能瞬间归零。更严重的问题是，无法充电。

因为锂离子电池负极采用液态电解质，在低温环境电解质的流动性变差，放电和充电的过程都无法顺利进行。

软银之所以看好固态电池方向，除了高能量密度的因素外，固态电池优异的低温性能也应该是在极低温的平流层通信无人机上使用恩力固态 电池的原因。

三 恩力的产品发展路径

恩力固态 是一家全球化的公司，在美国、日本和中国均设有研发机构，合作伙伴包括诺贝尔奖得主锂离子电池之父John Goodenough教授、日本东京工业大学菅野了次教授。

恩力固态 采用硫化物电解质技术路线，相比于Quantum Scape为代表的氧化物技术路线，硫化物具有更高的离子导电率和温度适应性。现在恩力在硫化物固态电解质、固态电解质隔膜方面已经进入量产工艺准备阶段。Q2021年将启动100MWh产线建设。

恩力利用其在固态电池的技术积累，也开发出了半固态的锂金属电池。目前恩力的3500mAh锂金属电池已经进入中试阶段，年内将向大客户小批量供货，用于无人机等项目。并已开始布局下一阶段2021-2022即将开始的规模量产。届时，其固态电池和锂金属电池产能将达到200MWh，产品将应用于高附加值的商用电子产品和高端消费电子产品领域。

参考锂离子电池从研发成功到大规模商用的发展路径，固态锂电池也将经历相似的过程。在早期市场阶段开始小规模试产，在同时将精力投入工艺设备的研发，随着工艺的成熟成本不断下降，最终实现工业化生产，并投入规模化的市场应用。对于固态锂电池而言，新能源汽车这个应用场景是必然的趋势。

车勇把公司当前的发展阶段定位于产业化前期，重点是通过对消费测高性能电池市场的拓展，不断磨练工艺水平，提高产品良率，最终构建完整的固态电池供应链体系，并降低固态电池的生产制备成本。至于是否向动力电池市场渗透，车勇认为这反而是一个水到渠成的事情。

预期在2022-2023年，恩力将实现GWh级别的固态电池产能，利用固态电池的性能优势进入多种应用场景。在2024-2026年，达到10GWh级别的产能，进入新能源汽车领域。

四 目前固态锂电池在全球范围的发展状况

在固态锂电池领域，还有如下一些企业或产业同盟的发展动向值得关注。

1）固态锂电池开发方面领先的企业是拥有超过1000项专利的丰田。据计算，在与现有电池尺寸相同的情况下，丰田开发的全固态电池可使续航距离延长至2倍以上。丰田在电池开发方面与松下展开合作，目前纯电动汽车用锂电池的成本为每千瓦时约合1.3万日元，日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）与丰田等合作的项目提出了这样的目标：通过确立量产技术和实现量产效果等，到2025年把全固态电池的成本降至每千瓦时1.5万日元，到2030年降至1万日元，达到与锂电池同等的水平。

2）大众汽车计划最早于2022年与合作伙伴Quantum Scape开始试生产，大众曾多次投资已上市企业Quantum Scape，其固态电池续航距离能比锂离子电池延长1.8倍，达到730公里。充电15分钟即可达到总电量的80％。据悉电池不易劣化，行驶38万公里之后，容量仍能保持最初的80％。大众计划2024～2025年开始量产，最初的年产能为1GWh，之后计划增加20GWh的产能。规模相当于目前欧洲电池总产能的一半多，可满足数十万辆纯电动汽车的使用需求。QuantumScape(QS-US) 通过SPAC方式上市，目前市值约为120亿美元。

3）美国初创企业Solid Power 2021年5月在福特、BMW、能源投资公司 Volta Energy Technologies 领投的募资中筹集到 1.3 亿美元，用于电动车电池生产。并且正计划以SPAC方式上市，预计估值为 12 亿美元。宝马和福特宣布扩大对Solid Power的出资规模。据悉Solid Power的全固态电池理论上可使续航距离最高达到锂电池的2倍。宝马计划于2022年采购测试用电池，2025年之前开始对配备全固态电池的车辆进行路测，2030年之前上市。

4）三星SDI于5月25日宣布，将在2025年之前开发大型全固态电池单元和原型全固态电池单元，并于2027年开始量产。从2008年开始，三星SDI与三星高级技术学院、日本三星研发研究所等合作开发全固态电池。这些机构一直负责设计研发活性材料，2020年3月，三星技术研究院开发了一项独创技术，可以提高全固态电池的使用寿命和安全性，同时将其尺寸减半。

5）法国博洛雷集团（Bolloré）从2011年就开始尝试固态电池在电动车领域的商业化，其自主研发的电动汽车Bluecar搭载30kWh金属锂聚合物电池，续航为120km。大约有2900辆投放到了巴黎汽车共享服务项目Autolib，这也是国际上第一个采用固态锂电池的电动汽车案例。

BatScap选择全固态中的聚合物技术路线，正极材料采用LFP，负极材料采用金属锂，电解质采用聚环氧乙烷（PEO），但其Pack能量密度仅为100Wh/kg，且工作温度要求60~80℃，必须持续将电池加热至60°C以上来维持电池内部的导电能力。

6）德国博世+美国SEEO，成立于2007年的SEEO是美国劳伦斯伯克利国家实验室唯一授权拥有核心专利的电池公司，2015年博世（BOSCH）收购美国SEEO，并与日本GSYUASA（汤浅）公司、三菱重工共同建立了新工厂，主攻固态阳极锂离子电池。当时SEEO开发的固态电池就已实现350Wh/kg的能量密度，约是同等体积锂电池的两倍能量。但在2018年初，由于博世的战略变化，不再自行生产电池，也就宣告放弃对SEEO的投入。

7）2018年6月，日本经济产业省与日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）宣布启动新一代高效电池“全固态电池”核心技术的开发。该项目预计总投资100亿日元（约合5.8亿元人民币），丰田、本田、日产、松下等23家汽车、电池和材料企业，以及京都大学、日本理化学研究所等15家学术机构将共同参与研究，计划到2022年全面掌握全固态电池相关技术，到2030年前后将每千瓦时电池组的成本降至目前的三分之一左右。

8）Solid Energy日产、现代、村田制作所、TDK、三洋化成、三井金属、古河机械金属、旭硝子、出光兴产、日了造船等也都在进行这个领域的研发。

9）中国台湾厂商辉能科技在试产混成固态电池，其中液态部分不到3%。负极将从石墨转向高SiOx含量(14%以上——100%)的硅氧复合物。在2025年左右，SiOx硅比例达到100%程度的时候，与锂离子电池电池相比在能量密度上就会有明显的优势。

10）蔚来宣布，它将在2022年第四季度推出具有360Wh / kg的能量密度的固态电池，以蔚来量产的时间来看，它那种应该不是增长的固态电池，而是半固态电池，外界一直在猜测其电池合作方。

11）卫蓝新能源则在北京房山与江苏溧阳拥有两大生产基地。溧阳工厂计划生产无人机电池，产能设计2亿瓦时，生产可5C连续放电的270Wh/kg混合固液电池。在动力电池领域，卫蓝新能源完成了300Wh/kg以上高镍三元正极的混合固态电池设计开发，循环寿命达到1200次以上，预计在2022年量产。

12）清陶能源先后获得北汽、上汽、广汽等车企投资，并与合众新能源达成合作，共同推进固态电池的研发与应用，双方对新款哪吒U进行了近两年的联合研发和测试。2018年，清陶能源建成国内首条半固态电池产线，主要投用于特种电源、高端数码等领域。2019年7月，清陶能源年产10GWh半固态锂电池项目签约在江西省宜春市。

相关问答

[最佳回答]聚合物锂电池重量计算方法如下:重量/电芯厚度/宽度/高度*标称电压*1000=能量密度(Wh/L),如果是高压电池,标称电压是3.8V,普压电池,标称电压是3.7v,...

110-130WH/KG100-300WH/L别的不用问环宇锂电,叠片式、软包装、贫液态、大容量,磷酸铁锂锂离子电池,三元锂电。质量稳定,安全,性能可靠,有兴趣对...

聚合物锂电池的电压为3.7伏,电流为20安。要计算其重量,需要了解电流密度的值。通常,聚合物锂电池的电流密度在2.5-5安/克之间。假设电流密度为4安/克,那么重...

聚合物锂电池是一种新型的高能量密度锂离子电池,其国家标准为《聚合物锂离子电池》(GB/T31241-2014)。该标准是由中国国家标准化管理委员会制定和发布的,适用...

锂离子电池和聚合物锂电池都是充电电池,它们之间的主要区别在于电解质的不同。锂离子电池的电解质通常是有机液体,其中包含由锂盐(如LiPF6)溶解在有机溶剂中...

一般聚合物锂电池的寿命更长。因为聚合物锂电池相比于普通锂电池,具有更高的安全性和稳定性,同时也避免了金属锂在充电过程中出现的电极膨胀、损坏等问题。此...

一般是3年,如果电池保养得当可以达到6年的使用寿命。锂聚合物电池相比较传统的锂离子电池,可以有效改善电池漏液的现象,而且锂聚合物电池的厚度很薄,可以设计...

[回答]锂电池正极材料中不含贵重金属和稀有金属,所以更加环保,能够有效减少环境的污染。另外,广泛的材料来源也让其材料成本更低,在价格上更优优势。锂电...

聚合物锂电池安全性能要高于18650锂电池,不会出现燃烧爆炸的情况。聚合物锂电池的能量密度高达600Wh/L,能量密度高于18650锂电池。聚合物锂电池的体积小,容...

区别如下:一、锂离子电池和锂聚合物电池的结构特征不一样锂聚合物电池又可以叫做聚合物锂离子电池,这么讲的话,大家应该就很容易懂了,聚合物锂离子电池也算...