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固态锂电池技术与行业深度研究——国内外产业现状分析

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北极星储能网讯:固态电池是未来电池产业的核心，在产品安全性、能量密度和循环寿命性能方面，固态电池有潜力对电池性能产生质的突破，因此日本、韩国、美国、英国等各个国家和全球知名企业纷纷布局，以各自优势主导力量，全力发展固态电池。

不同于现在锂离子电池中、日、韩三国寡头聚集的局面，固态电池技术作为下一代电池技术，已成为各个电池生产商、整车生产商关注的焦点，目前已呈现出多方角逐的局面。

（来源：微信公众号“前沿材料” ID：FrontierMaterials 作者：材料委天津院）

国内外产业现状

01以丰田为龙头的企业引领日本产业界发展

日本已经把发展全固态电池上升到国家战略高度，充分发挥国内产、官、研紧密结合的传统优势，以举国之力发展固态电池技术。目前，日本各企业及研究机构在技术研究方面申请的专利数量居全球首位，产业化进程方面同样领先于其他国家。日本针对全固态电池的研发主线，已经从最初的探索高性能的电解质材料，逐步转移到解决诸如电芯的试制、制造工艺的开发、充放电循环寿命等课题之上。研究重点已经进入了根据不同的应用，尝试正极材料和负极材料的适当组合，以及尝试实现大规模量产的制造工艺开发的阶段。

02美国技术初创公司为主发展固态电池技术

在能源部（DOE）科学基金和国家实验室研究的推动下，美国在固态电池方面的研究取得了重大进展，并在此基础上衍生出众多初创公司，如QuantumScape、SEEO、Solid Power、Solid Energy Systems、Ionic Materials等，这些初创公司以其在固态电池技术方面的先进性，目前已分别得到了宝马、大众、现代等汽车巨头和多家风投基金的投资。正是通过这些初创公司的技术创新能力，确保了美国进入全球固态电池研究水平的前列。从技术路径来看，美国这些初创公司选择的技术路径以聚合物电解质和氧化物电解质为主，负极多采用锂金属。

03以三星为代表的企业界主导韩国固态电池开发

在固态电池的研发和产业化道路上，韩国以企业界为主导，在政府部门指引下，国内各大汽车电池生产商联合开发全固态电池。目前，韩国研究固态电池的企业主要有三星SDI、LG和现代汽车等，其中三星、LG和SK创新选择成立联合基金共同开发固态电池。现代没有参加以上的三家联盟，而是选择自主开发、与高校合作和外部投资的方式进入固态电池的产业链。在专利方面，韩国分布相对比较集中，三星SDI、LG和现代占比50%以上；在技术路径方面均以硫化物电解质为主。

04我国固态电池产业现状及重点企业

虽然在固态电池研究方面，国内企业不及日本、美国、韩国等起步早，但随着锂电技术的发展，目前已经有越来越多的企业参与到了固态电池的研发和产业化过程中来。通过专利检索我们可以看出，国内正在进行固态锂电专利布局的企业包括江苏清陶能源、比亚迪、桑顿新能源、赣锋锂业、北京卫蓝、国轩高科、宁德时代等。此外，如珈伟股份、万向、中电力神、鹏辉能源、横店东磁等也都宣布涉足固态电池领域，但大部分企业仍处于规划布局阶段。而且，从各企业全球的专利布局来看，国内企业的专利大都集中在中国境内，海外专利的数量严重不足，这会对企业未来参与国际市场竞争产生不利的影响。

原标题:固态锂电池技术与行业深度研究报告——国内外产业现状分析！

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哈佛团队用锂金属作负极制备固态锂电池，充电10分钟循环超6000次

锂离子电池从第一次工业化发展至今已有 30 多年，并逐渐发展成为电子设备、移动通信、电动车等领域的主流电池技术。

但不容忽视的是，由于其电解液是固-液界面，在循环过程中容易出现一系列问题。例如，金属锂枝晶生长、电解液膜的形成和电池内部的电化学反应等，这些问题会导致电池性能下降和短路等，限制了电池的循环寿命和安全性。

近期，美国哈佛大学李鑫教授团队创新性地提出了一种新方法，以锂金属作为负极材料来制备全固态锂电池。

该方法不仅有效地抑制了锂金属的枝晶生长和电解质界面反应层的生长，还显著提高了电池的循环稳定性、能量和功率密度以及安全性。

该电池在 10 毫安电流条件下，实现了 6000 次循环后仍保持 80% 的容量，性能显著高于当今市场上的其他软包电池。

该团队展示了软包电池的涂布工艺，对于未来放大到更大容量的电池具有优势。该课题组已制造出面积为纽扣电池 10 几倍，约邮票大小的软包电池。

图丨李鑫（来源：李鑫）

锂金属作为一种高容量的负极材料，具有很高的能量密度，但在传统电池中循环稳定性较差。

该研究通过引入对机械约束具有敏感性的负极材料，从科学原理上为领域提供了全新的认知，助力解决固态电池领域中锂金属快速循环的问题，为实现高性能、高能量密度的固态电池提供了新思路和新方案。

该技术有望让固态锂电池达到高功率从而实现快速充放电，潜在的应用场景包括电动汽车、手机电池、超级跑车、未来的电动飞机等。

图丨相关论文（来源：Nature Materials）

近日，相关论文以《利用易受约束的负极材料实现金属锂在固态电池中的快速循环》（Fast cycling of lithium metal in solid-state batteries by constriction-susceptible anode materials）为题发表在 Nature Materials 上[1]。

哈佛大学叶露涵博士和陆洋博士为论文共同第一作者，李鑫教授为论文通讯作者。

图丨硅负极具有显著的锂镀层能力和自限性的、仅仅发生在硅颗粒表面的嵌锂反应（来源：Nature Materials）

此前，科学家们尝试将微米硅在商业化锂离子电池负极中使用，但会造成包括体积膨胀、电极剥落和电解液反应等一系列问题，这些问题会导致电池的性能下降和寿命缩短。

一篇发表在 Science 的论文指出，微米硅可在全固态电池中使用。但领域内仍将它视作为主要进行嵌锂反应的硅负极。

在经过研究和探索后，李鑫教授课题组发现其实它并不是传统意义上的硅负极，而是提供了硅的骨架供析锂反应产生锂金属在硅颗粒表面的沉积，因此硅并没有充分地发生嵌锂反应。

由于硅具有高容量和良好的电化学性能，纳米硅可在一定程度上作为电池负极。然而，传统的固-液电化学界面会一直发生嵌锂反应，因此，微米硅在充放电过程中必然发生体积膨胀，导致电极材料的破裂和失效。

“我们发现一种独特的现象，即硅在全固态电池的固-固界面上发生非常动态的反应。具体来说，嵌锂反应只能在非常浅表的硅颗粒上面的发生，并在短时间内转变为析锂反应。”李鑫表示。

实际上，基于此类负极材料固态电池的循环显著包含了充电过程中锂金属在负极颗粒表面上的快速沉积，然后在放电的过程中快速脱出的过程。

（来源：Nature Materials）

李鑫表示：“我们首次展示了硅材料能够作为锂金属负极的骨架在固态电池中使用，这是对固-固界面电化学反应的新认知，在性能上提供了前所未有的高倍率、长时间和安全的循环性。”

并且，在 10 分钟的快速充放电的过程中，并没有发生锂枝晶穿刺，循环 6000 圈测试条件下性能仍然保持稳定，成功验证了电池的安全性。

实际上，该课题组早在 2018 年就首先提出了关于固态电池的电化学机械约束的概念。这次又以硅为模式材料，提出了在固-固界面上机械约束敏感性的概念。

基于此，研究人员还预测出可能具有适当的机械约束敏感性的材料，包括镁合金等在内的新材料家族。研究人员对 6 万种化合物进行了预测。

“不局限于硅，我们做高通量计算（如下图），凡是在靠近边界的材料皆有可能是作为固态电池的负极材料。”李鑫说。

图丨对 59524 种负极材料进行的专门为固-固界面反应设计的计算筛选。（来源：Nature Materials）

李鑫团队的研究方向主要包括用于固态锂和固态钠离子电池的下一代储能材料和器件，能源相关材料和器件，非常规超导体等。据悉，该技术已授权该课题组的初创公司 Adden Energy。

“目前我们已经将该电池进一步发展到手机电池大小，争取在今年年底前，实现安时级别的软包电池。如果进展顺利，希望在 2025 年进行 10 安时级以上动力电池的应用测试，包括电动汽车、电动割草机等。”李鑫表示。

参考资料：

1.Ye, L., Lu, Y., Wang, Y. et al. Fast cycling of lithium metal in solid-state batteries by constriction-susceptible anode materials. Nature Materials (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-023-01722-x

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