行业动态 | 硫化物固态电池

　　硫化物固态电池技术介绍

　　硫化物固态电池是一种采用硫化物作为固体电解质的全固态电池。其核心优势在于硫化物电解质具有极高的离子电导率，能够在室温下与液态电解液相媲美。例如，2011年研发的Li10GeP2S12(LGPS)硫化物固态电解质离子电导率高达1.2×10^-2 S/cm-1。此外，硫化物电解质还具有良好的柔韧性和适配高压正极材料的能力。

　　研究进展

　　近年来，硫化物固态电池的研究取得了显著进展。例如，中国科学院青岛生物能源与过程研究所的武建飞团队在硫化物全固态电池关键材料制备和核心工艺开发方面取得了突破，自主研发的硫化物固体电解质室温离子电导率高达1~12毫西门子每厘米。此外，高性能20安时车载硫化物全固态电池中试线已在青岛落地，能够实现从材料制备到电池组装的全链条高效率生产。

　　应用前景

　　硫化物固态电池因其高能量密度、快速充放电、低温性能好以及高安全性和长寿命等优点，被认为是新能源汽车动力电池的最佳选择。例如，应用硫化物全固态电池的新能源汽车有望在6到10分钟内完成充电。此外，其能量密度可达600Wh/kg以上，意味着可实现长续航里程。随着技术的不断突破和产业化进程的加速推进，硫化物全固态电池有望在未来成为新能源汽车等领域的主流电池技术。

　　产业化挑战与机遇

　　尽管硫化物固态电池具有诸多优势，但其产业化仍面临一些挑战，如材料不稳定性、界面失效、电极/电芯结构设计以及大规模生产工艺缺失等问题。然而，随着研究的不断深入和相关技术的突破，这些问题有望逐步得到解决。同时，硫化物固态电池的降本空间巨大，预计其成本将随着规模化生产的实现而大幅降低。
 

　　目前锂离子动力电池的能量密度上限，往往受当前主流的石墨负极，或将成为主流的硅碳负极(石墨里添加硅元素)所决定;而金属锂的比容量为3860mAh/g，约为石墨的10倍——指存储电荷的能力更强，意味着电池可以储存的能量也就越多——与现有锂离子电池正极体系搭配，电池能量密度可轻松达到400Wh/kg以上。

　　在液态锂电池中，负极的石墨实际上充当了一个“容器”的作用，用来承载从正极过来的锂离子，专业点说就是锂离子的嵌入和脱出。金属锂负极实际上是电池出厂时没有负极，锂离子在摇摆过程中直接在负极的界面沉积，从而形成金属锂;放电时，这些金属锂再消融为锂离子，穿过电解质回到正极。

　　没错，金属锂负极的概念其实就是“无负极”。不过这都是很理想化的设想。

　　传统锂电池之所以没办法直接用金属锂替代负极，是因为有机溶剂会跟锂离子产生反应，并不稳定，固态电解质就能彻底解决这个问题吗?

　　固态电池技术路线根据对固态电解质的选择不同大致分为三类：聚合物、氧化物和硫化物，其中聚合物属于有机电解质，其他两种则属于无机电解质。不同类型材料物理上软硬程度也有不同。

　　目前，中国头部固态电池公司以氧化物材料为基础的固液混合技术路线为主;日韩企业多采用硫化物固态电解质技术路线;欧美企业选择则更多样化，如Solid Power主要走硫化物路线，之前重点介绍的硅谷明星企业Quantum Scape则选择氧化物路线。

　　三种技术路线各有优缺点，主要说说后两种无机固态电解质。氧化物电解质对金属锂负极兼容性特别好，因为它电化学稳定性优异，不会轻易被金属锂还原，成本也有优势;但是氧化物的离子导电率偏低，且它最大的问题是比较硬，导致电解质与电极之间的接触面差，有很多空隙，阻抗问题严重。

 

　　三种固态电池路线对比

　　硫化物的离子电导率比较高，在能量密度、循环寿命以及快充上优于氧化物固态电池，但是它又是一种十分不稳定的化学元素，极易与外界发生反应。在制备过程中，硫化物会跟空气中的氧、水分发生反应，产生有毒的硫化氢，制造工艺要很关注，做好密封。

　　另外，硫化物还特别容易跟金属锂负极的界面发生反应。硫化物已经很不稳定了，偏偏锂又是一种强还原剂，两者相遇、反应会形成一些包含硫化锂在内的杂质，慢慢沉积于电解质与负极之间。这些杂质会逐渐形成一个膜，而且这层膜会越来越厚，先是影响导电率，阻碍锂离子的传导，再逐步地降低电池的储电量，大大削弱硫化物固态电池的循环寿命。

　　更重要的是，这些杂质的存在，加上硫化物在充放电过程中受到的应力，很有可能会在硫化物电解质内部产生裂纹，让锂枝晶寻到机会。

　　锂枝晶是传统锂电池短路的元凶，大家期待固态电解质不易反应的特性能抑制锂枝晶的生成，即时生成了，坚硬的电解质也要能够抑制它的生长。但固态电池也没这么理想化，还是会有锂枝晶问题出现，甚至会更严重。

　　在氧化物路线中，由于氧化物本身刚性比较高，制造工艺到位的情况下它的界面就比较平整，Quantum Scape就是“死磕”这个制造工艺。但是硫化物不够稳定，物理特性上说又比较软，不太能按压住锂枝晶的生长，同时硫化物又有一定的脆性，如前所述，它会产生裂纹，进而引导锂枝晶的生长。几个问题加在一块，就导致问题一步步恶化，硫化物固态电池该短路还是会短路。

　　总而言之，要用硫化物电解质，就要解决硫化物和金属锂的相容问题，不然就意味着“最适合传导的材料，与最适合参与储电的材料，只能二选一”。

　　再详细点说，就是在硫化物材料中掺杂一些含有氮元素的基团，它们是机械研磨混合然后直接烧结出来的，而不是后面再添加。这样一来，掺杂在硫化物中的氮与金属锂，会生成新的化学物质“氮化锂”，从而隔绝了硫化物与金属锂之间的反应。另外，由于氮元素的基团会撑大硫化物的晶胞，结果就是锂离子的传导会更便利，硫化物也会比之前更软一些，比较好加工。

　　存能电气：这个思路其实业界早就有了，只不过以前是把氮化锂直接嵌入到金属锂表面，而非固态电解质中。

　　近期，华为公开固态电池专利，解决硫化物电解质与金属锂负极兼容问题。固态电池相比液态电池更安全、能量密度更高。固态电池产业升温，2030年有望批量装车，华为多点投资布局固态电池领域。