锂电池新突破！循环寿命有望大幅提升

近日，荷兰代尔夫特理工大学的Marnix Wagemaker教授团队与中核集团原子能院核物理研究所中子散射团队合作，在国际权威期刊《自然》上发表了锂离子电池领域的最新研究成果。该成果或将大幅提升锂电池循环寿命和快充性能，标志着中核集团重大科研设施中国先进研究堆全面开放应用取得重要进展。

该研究围绕有序层状氧化物开展，这是目前锂离子电池中最重要的正极材料之一。在进行深度充电时，该结构框架容易受到晶格应力、结构或机械化学降解的影响，使得电池容量急剧下降，从而导致电池寿命缩短。

为此，Wagemaker教授团队联合中核集团原子能院等单位，提出了一种解决方法，成功将化学短程无序(CSRD)引入到氧化物正极中，精确调节了锂和钴元素在晶格中的局域分布，使其跨越几个最近邻格点的间距，从而显著提升了锂电池的循环寿命和快充性能。研究利用中子粉末衍射技术获得锂和钴元素的分布特征，发现大约2.6%的钴离子位于锂层中，为证明CSRD结构提供了关键证据。

(科技日报实习记者 薛岩)

来源： 科技日报

固态电池：能否乘“科技之风”，突破能量密度壁垒？

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系列：和君新能源产业快评 第119期

作者：和君咨询新能源事业二部 石伟

01国家政策提出较高预期，现锂电材料性能接近极限

随着智能网联电动车和电化学储能需求持续增长，高能量密度和高安全性已经成为客户重点关注要点。国家更是颁布相关有力政策助力其高质量有序发展，如《中国制造2025》 提出，单体电芯比能量要在2020年达到300Wh/kg，2025年达到400Wh/kg，2030年达到500Wh/kg。 但是，市面上的高容量电池体系现阶段很难达到400wh/kg，目前基于氧化物正极与石墨负极的传统锂离子电池的能量密度越来越接近其理论上限，即使搭配上“高镍+硅碳 ”的高配组合，能量密度也只能在360wh/kg左右。固态电解质可以在正负极搭配更高比能的材料，大幅提升能量密度至500Wh/kg左右的同时具备更高的安全性。

图1 固态锂电池发展路线及动力电池单体能量密度发展要求

02相较于液态锂电池，能量密度优势凸显

随着中国新能源汽车在全球“繁华”式畅销，以及客户的购车理念不断升级，作为电车“心脏”的锂电池，其能量密度、安全性、低温性及充电效率等再次受到业内外的高度关注。正、负极以及补锂剂等材料升级，对电池主要性能的提升相对有限。近期A股市场，再度刮起了固态电池等新材料技术风，作为一种新型锂电池技术，其呈现良好发展态势，与传统锂电池相比，它具有高能量密度、高安全、长寿命和高低温适应性强等优势。

图2 国内主流厂商锂离子电池与固态电池能量密度对比（单位：Wh/kg)

传统液态锂电池主要由正极、负极、电解液和隔膜四大关键要素组成。固态电池使用固态电解质替换传统液态锂电池中的电解液，可分为半固态、准固态、全固态三种类型。 半固态(Half solid)液体电解质质量百分比<10%，准固态(Nearly solid)液体电解质质量百分比<5%，全固态(All Solid)不含有任何液体电解质。

03工作原理与液态锂电池相同，固态电解质起到关键作用

传统液态锂电池的两端为电池的正负两极，中间为液态电解质。在锂离子从正极到负极再到正极的来回移动过程中，电池的充放电过程就此完成。固态电池的工作原理与之相通，充电时正极中的锂离子从活性物质的晶格中脱嵌，通过固态电解质向负极迁移，电子通过外电路向负极迁移，两者在负极处复合成锂原子、合金化或嵌入到负极材料中；放电过程与充电过程恰好相反。

图3 液态电池与固态电池内部串联结构对比

采用固态电解质代替液体电解质，有望使用更高比容量的正、负极材料，同时可彻底解决电池的安全性问题，是获得高能量密度、安全性和长循环寿命的全固态锂电池的根本途径。因此固态电池将会是锂离子电池升级的方向。

图4 动力电池技术发展趋势

04技术瓶颈+成本高企将有待改善

虽然固态电池在能量密度、安全性等方面具有较强优势，但当前也存在技术和成本等方面的难题：

从技术方面 来看，固-固界面接触导致内阻较大，离子电导率不高，影响电池性能。 传统锂电池的电极活性材料颗粒完全浸泡在电解液中，其电极和电解质之间可以保持良好接触。但在固态锂电池中，界面接触不良会导致活性颗粒利用率低，电池内电阻较大；

从成本方面 来看，首先，目前固态电池部分原材料未实现量产，整体产业链尚不完善，因此电池制造成本较高 ；然后，固态电池作为新型电池，工艺制造缺乏特定的设备 ，如烧结、真空、干燥房、特定气氛等环节均将增加固态电池制造成本；此外，固态电池所需的氧化铝、氧化钛、聚碳酸酯、纤维素等电极材料均属于高科技新材料 ，既需要研发技术进步降低生产难度，也需要市场逐步消化高昂的价格使其被规模化应用。

05未来“蓝海市场”势不可挡，半固态电池有望量产在先

图5 2024E年-2030E年全球固态电池市场空间展望（单位：亿元）

从市场空间来看，2025年全球半固态电池的市场规模将达到86亿元，2030年半固态电池、固态电池的市场规模将分别达到991亿元、172亿元，半固态电池“市场蓝海”相对更为广阔。从趋势来看，2024年至2030年复合增长率为96.83%，全球半固体电池、固态电池的市场空间有望迎来快速增长，其中如能优先实现半固态电池产业化，则随着相应固态电解质产能放量、原材料成本降低，工艺优化，则原材料与生产成本有望降低，市场整体盈利能力将进一步提升。

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文章来源：高端碳材料

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