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固态电池里的“天价血液”终于被扒出来了?

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锂电那些事今日头条2025年08月05日 星期二


固态电池里的“天价血液”终于被扒出来了! 最近行业内有份成本清单引发热议,当你看到电解质占了全固态电池77.8%的成本时,手里的锂矿股票突然就不香了。 这就像造一辆汽车,发动机的成本还没轮胎高,你敢信?



这种贵到离谱的电解质究竟是何方神圣? 简单说,它就是代替传统液态电池里电解液的核心材料。 目前固态电池分两条路线走:半固态电池主要用氧化物电解质,好比在现有电池体系里“打补丁”;而全固态则彻底颠覆传统,普遍采用硫化物电解质体系,性能强但成本吓人。


看看那些抢跑电解质赛道的上市公司名单:上海洗霸在硫化物电解质中试线上砸下重金,赣锋锂业把氧化物电解质装进了东风电动车的电池包,当升科技和恩捷股份的实验室里堆满卤化物复合电解质样品。 连做锂电隔膜的星源材质都开始调整产线,准备兼容氧化物电解质涂层工艺。


但最疯狂的是那些原材料厂商。 三祥新材的氧化锆粉体被多家电池厂争抢,东方锆业的锆盐订单排到明年一季度。 天际股份的硫化锂生产线24小时连轴转,光华东地区每月就要出库300吨。 龙佰集团甚至把钛白粉产线改造出了电解质原料生产线,而海辰药业的化工车间突然开始生产电池级硫化物前驱体。



固态电池的革命同样发生在负极上。 传统液态电池用石墨当负极,半固态升级成硅基材料。 比如贝特瑞的硅碳负极已用在蔚来150度电池包上,翔丰华的纳米硅粒能多储存30%的锂离子。 但真正震撼的是金属锂负极——赣锋锂业展示的固态电池样品里,薄如蝉翼的金属锂片取代了石墨,把能量密度推上400Wh/kg天花板。

可惜这些黑科技还被困在实验室里。 天齐锂业披露其金属锂负极每平方米成本超过2000元,而天铁科技的锂带轧机每小时产量还不到普通石墨产线的十分之一。 英联股份试制的复合锂金属负极刚通过针 刺测试,良品率才勉强达到65%。



正极材料反倒是变化最小的。 宁德时代和比亚迪的固态电池样品里,正极还是熟悉的镍钴锰三元材料。 容百科技的高镍正极在液态电池产线上稍作调整,就直接供给固态电池项目。 振华新材的单晶材料在宁德半固态电池中表现出更强的结构稳定性。 华友钴业甚至表示:“现有前驱体产线完全能满足未来五年需求”。


而硫化物电解质引发了一场集流体危机。 实验证明传统铜箔泡在硫化物里,72小时就会腐蚀穿孔。 甬金股份研发的不锈钢集流体已经进入中试阶段,厚度做到惊人的8微米。 更巧妙的是复合金属箔解决方案,璞泰来开发的“塑料+镀铜”三明治结构通过了120小时高温浸泡测试,生产成本仅比铜箔高15%。



在江苏天奈科技的工厂里,碳纳米管导电剂正在开足马力生产。 半固态电池的导电剂用量猛增至传统电池的三倍,1GWh用量飙升到120吨。 道氏技术的导电浆料产线刚完成智能化改造,月产能突破2000吨。 黑猫股份的碳纳米管纯度提升到99.9%,直接打入宁德时代供应链。


成本账本上的数字依然触目惊心。 当前全固态电池材料成本构成白纸黑字写着:77.8%花在电解质,8.2%用于负极,正极只占7%。 贝特瑞的财报显示其硅基负极毛利率达42%,远超传统石墨产品。 天赐材料的固态电解质项目三年累计投入9.8亿,首批订单要到2026年才能投产降本。



实验室里的试生产线每天都在烧钱。 某头部企业工程部主管透露:“单是硫化物电解质粉体的废料损耗就占原料的35%”。 赣锋锂业试制的第三代固态电芯,仅电解质成本就占了整块电池的62%。 三祥新材的氧化锆原料报价三个月内上涨三次,累计涨幅达到18%。

           
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来源:锂电那些事
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首次发布时间:2025-08-16
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锂电那些事
本科 | 技术总监 锂电设备、工艺和材料技术研发应
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如何设计高能量密度全固态电池!

锂电那些事今日头条2025年07月30日 星期三近年来,高能量密度锂电池在电动车、航空航天及大型储能等领域的需求持续攀升。传统商用锂离子电池虽在消费电子与轻型交通工具中广泛应用,但难以同时满足更高能量密度、更长寿命及更严苛环境稳定性的行业需求。要想进一步提升电池的能量密度,需要从核心材料体系(正极、负极、电解质)及整体包装设计等方面协同发力。目前,业内主要有两条提升能量密度的技术路线:一是对液态锂电池进行极限化改进,包括更高镍含量正极、硅基或锂金属负极、更薄甚至无隔膜等;二是全固态或“准固态”技术,通过取代传统液态电解质实现更优的体积利用率与更高安全阈值。然而,前者面临如界面稳定性不佳、过快容量衰减等挑战,后者则在规模生产工艺、材料匹配性和成本控制方面尚未彻底突破。此外,根据不同应用场景(如新能源汽车、无人机、航空器等)的负载与续航需求,对电池设计也提出了差异化要求:有些场合强调功率密度与安全性,有些则更注重极致比能量以延长续航并减少总重量。基于此,该文献系统性介绍了从“液态高能电池”到“全固态高能电池”的设计原则与关键步骤,结合实验室及产业界的进展案例,对正极材料(NCM811、富锂锰基、Li金属负极等)、电解质路线(硫化物、氧化物或聚合物体系)以及整体电芯结构的优化方法进行了深入探讨。文章旨在为读者呈现高能量密度锂电池的全景图,并梳理未来可能的研究与应用方向。【结果与讨论】 1、理论基础与设计思路 1.1 能量密度的理论上限与限制因素在设计高能量密度锂电池时,首先需要明确影响电芯能量密度(Wh/kg或Wh/L)的关键因素,包括正负极材料的比容量、工作电压、电极配比(N/P比)、活性物质占比以及包装结构等。材料层面:高容量正极(如富锂锰基、NCM811、甚至具有超高理论容量的Li-O2系)与高容量负极(硅碳、纯锂金属或金属合金)可显著提升单体能量密度,但二者在循环寿命与安全性方面可能遭遇瓶颈;界面与副反应:高能密度体系往往意味着更苛刻的工作电压与更紧凑的结构,使得电极/电解质界面易产生不稳定副反应,如气体生成、金属离子溶解等;组件设计:极薄甚至取消隔膜、减薄集流体(铜箔、铝箔)或采用轻质封装都能减少非活性质量占比,但同时对制造工艺与安全管控提出更高要求。在许多研究与商业化案例中,电池设计可归纳为分层策略:先设定目标能量密度(如500 Wh/kg、700 Wh/kg甚至1000 Wh/kg),然后反推材料体系与结构参数,如正极负极负载量、活性物质占比、极片厚度、隔膜种类等。随着目标值的攀升,材料体系往往从石墨/NCM811演进到Si-C/高镍NCM再到Li金属/富锂正极,最后延伸至全固态电池或锂硫、锂空气等前沿形态。1.2 液态到全固态:演进与挑战论文中对“液态到全固态”的技术演进作了总体梳理:高能液态电池:多采用超高镍NCM(如NCM9系),搭配人工或功能涂层隔膜、超薄负极涂层以减少不可逆损耗。有些方案甚至引入局部固态电解质以提高安全系数;准固态电池:采用凝胶化或部分固体电解质与液态电解质混合,可保持相对高的离子导电率,也能改善负极侧过量锂沉积导致的枝晶问题;全固态电池:彻底用固体电解质(硫化物、氧化物或聚合物)取代液态电解质,一方面使得能量密度显著提升,另一方面也能抵御更高电压以及高温环境,但大规模制造和界面接触仍是技术难点。从原理上看,全固态方案对材料纯度与制备工艺的敏感性更高,需要在高压/热压环境下实现完整致密化,以求达到足够的离子导电率与界面紧密接触。同时,锂负极在全固态工况下容易产生界面反应,如高阻抗界面层(SCL)或应力诱导裂纹,这些都将限制循环寿命与倍率性能。 图1:软包电池的设计原理和高能量密度锂电池的发展。2、材料体系:正极、负极与电解质2.1 高镍正极与富锂正极(1) 高镍三元(NCM、NCA)高镍体系(NCM811、NCM9系)凭借200+ mAh/g的可逆容量已成为现阶段液态高能电池的主力,但在进一步提高镍含量时,结构稳定性、热稳定性及界面副反应都会恶化。文献提出了一系列解决方案:表面包覆(如Al₂O₃、ZrO₂)、掺杂(如Mg、Al)和单晶结构等,以抑制相变与微裂纹产生,从而延长循环寿命。(2) 富锂锰基/富锂氧化物富锂锰基材料(Li₁.₂Mn₀.₅₅Ni₀.₁₅Co₀.₁₀O₂等)理论容量可突破300 mAh/g,甚至可达350 mAh/g以上,但存在首周不可逆容量严重、工作电压递降(Voltage Fade)、倍率性能偏低的问题,需要在颗粒形貌、掺杂和表面修饰上投入更多精细化研发。文章讨论了若将此类“富锂正极”与锂金属或硅基负极结合,叠加全固态电解质,或可在700-800 Wh/kg乃至更高能量密度范围内找到新的平衡点。2.2 负极:从石墨到硅基再到锂金属(1) 石墨及其改性传统石墨负极具备循环稳定、工艺成熟等优点,但比容量(约372 mAh/g)已难满足更高能量密度需求。适当掺硅微粉或硅氧化物可提升容量,但也带来膨胀与副反应。(2) 硅基负极硅基负极理论比容量可达3500 mAh/g以上,若能有效抑制体积膨胀并保持稳定SEI膜,能量密度可显著提高。部分商用化电池已尝试在负极掺入5~10%硅以提升容量。但硅基在全固态场景下仍需特别关注与固态电解质的界面匹配、膨胀应力和导电网络保持等问题。(3) 锂金属理想状态下,锂金属负极的理论容量(3860 mAh/g)和工作电位接近0 V,将能显著提升整包能量密度。但受制于枝晶生长、体积变化及界面副反应,液态体系下锂金属电池多处于实验室阶段。全固态电解质能在一定程度上抑制枝晶扩张并减少副反应,但对工艺要求极高,且仍需解决“弹性匹配”和“全寿命安全性”难题。2.3 电解质:从液态、有机凝胶到固态液态电解质:高能电池常需高电压稳定性,添加磷酸盐系或其他新型添加剂提升界面稳定。然而随电压升高到4.5~4.8 V,副反应与气体释放更突出;聚合物电解质:具备可塑性与一定安全性,但离子电导率难以与液态匹敌,多用于中温或高温场景;硫化物固态电解质:代表性材料如Li₁₀GeP₂S₁₂(LGPS)等,离子电导率可与液态相当,但对潮湿环境极其敏感、易产生H₂S等问题;氧化物固态电解质:典型如LLZO(Li₇La₃Zr₂O₁₂),稳定性优异、对空气敏感度较低,但致密化烧结温度高且界面阻抗难以控制。文献指出,不同固态电解质适用不同场景,短期内难有一种“完美材料”全面统治市场,关键仍需视具体应用(车用、航用或储能)及产线工艺条件而定。 图2:高能量密度软包电池及其关键组件的路线图。 3、高能量密度电池的结构设计与组件优化3.1 叠片/卷绕与极片厚度无论是液态还是固态电池,电芯结构常以叠片或卷绕方式组装。要实现高能量密度,需要增大极片负载、减少无效体积。然而负载过高,容易导致内部离子传输变差、极化加剧及产热增多。因此,论文建议结合N/P比及极片压实密度等参数进行优化,既要让正负极容量均衡,又要避免过厚极片带来的不均匀传导。3.2 隔膜、集流体及封装隔膜:高能电池中常选用超薄或功能涂层隔膜,甚至全固态电池有望取消传统隔膜。但要保证安全性和离子通路稳定,需在“厚度”和“抗穿刺强度”之间找到平衡;集流体:减少铝箔、铜箔厚度或用更轻质、高强度金属箔替代是降低非活性重量的重要手段;封装与热管理:随着容量和能量的提升,热管理变得更为关键。全固态电池虽具备更高热失控温度门槛,但仍需完善散热与机械缓冲结构。 图3:电极材料在高能量密度锂电池中的应用前景。4、制造工艺与可行性探讨4.1 液态电池的极限化改进在常规生产线上,要实现500 Wh/kg以上的液态体系,通常在以下方面做文章:高负载电极(>4~5 mAh/cm²),对涂布均匀性及烘干工艺提出严苛要求;极薄隔膜与轻质集流体,如5 µm铜箔、9 µm铝箔、12 µm甚至9 µm的隔膜;N/P比:适当减少负极过量;低电解液添加量:以胶带式或真空浸润工艺减少残液。通过此种“挖掘极限”的方式,部分企业可在特定环境下生产能量密度约350~400 Wh/kg的18650/2170圆柱电池或软包电池,但其循环寿命与安全防护需要额外优化。4.2 全固态工艺难点固态电解质制备:硫化物需惰性干燥环境、氧化物需高温烧结且难度大;叠片压制:多需在较高压力(>100 MPa)下进行,且要保证颗粒间充分接触;负极处理:若使用锂箔或超薄锂,一方面需避免与水氧接触,另一方面箔材本身易折断或形成褶皱。虽然全固态技术在理论上能实现600~1000 Wh/kg的惊人能量密度,但量产难度与成本依然居高不下。文献指出,为了在未来5~10年内实现全固态电池大规模应用,需要在材料合成、机械化成型、界面工程及循环管理等环节持续深化研究。 图4:高能量密度LEB与SSEB的设计结果及比较。5、应用展望:从电动车到航空器论文强调,高能量密度电池的潜在应用不只局限于电动汽车,更包括无人机(UAV)、电动垂直起降飞行器(eVTOL)、小型载人飞机及航天器等。这些场景对电池的能量密度与比功率要求更高,也对安全和体积提出更苛刻限制。无人机与短途飞行器:可能会优先采用高镍体系+硅基负极的液态电池或过渡到准固态,在兼顾安全的情况下争取更长续航时间;大载客飞机:目前想要完全依赖电池驱动仍困难,但逐渐出现“电池+燃料电池”混合动力或“油电混合”方案。一旦全固态或超高能量电池技术成熟,航空减排与安全将受益匪浅。此外,文章也简要提到在大规模储能领域(风电、光伏并网)中,高能量密度可减少占地面积和建设成本,假如能把安全性与成本同时做好,全固态路线亦有相当潜力。 图5:不同能量密度锂电池方案针对不同重点应用。 6、关键创新与挑战综述通过对论文的总结和分析可见,针对液态与全固态高能电池的设计,作者提出了一系列系统性思考与路线选择:材料与结构耦合:从正负极活性物质到电解质及封装,各组件密切关联;分阶段演进:先极限提升液态技术,再逐步过渡到凝胶态或准固态,最终迈向全固态;“安全-性能-成本”三角平衡:在超高比能和经济可行性之间寻找最佳折中点;场景化定制:针对不同能量等级(200 Wh/kg~1000 Wh/kg)及应用场合(乘用车、飞行器、储能)确立最佳材料组合。其核心挑战既来自于材料本身,如富锂正极电压衰减、硅负极膨胀,以及固态界面问题;也源于工艺规模化及成本限制,如极薄极片制备、一致性管控等。 锂电那些事免责声明 本公众 号部分内容来源于网络平台,小编整理,仅供学习与交流,非商业用途!对文中观点判断均保持中立,版权归原作者所有,如有报道错误或侵权,请尽快私信联系我们,我们会立即做出修正或删除处理。谢谢! 来源:锂电那些事

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