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硫化物固態電解質的現狀與發展

硫化物固態電解質的現狀與發展
億富機械  2025-03-15  |  閱讀:442

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1、固態電解質:目前技術路線未定,各有優劣

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2、硫化物:離子電導率最高,發展潛力巨大

? 硫化物電解質具有理想的離子電導率(媲美液態電解質),良好的電極材料兼容性(較寬的電化學窗口),是目前最理想的固態電解質之一,在全固態電池中發展潛力最大。但是亟待解決的問題多多:

? 1)界面不穩定,容易發生副反應造成阻抗變大;

? 2)堿性和水性環境下極易發生化學反應生成硫化氫;

? 3)稀土金屬的添加大幅提升了加工成本和材料成本。

? LGPS型和硫銀鍺礦型離子電導率高,同時硫銀鍺礦型SE具備低成本高穩定性特點,具備較好的發展前景。

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3、硫化物:目前面臨原料及電池多方面量產難題

? 1)關鍵固態電解質材料的大規模生產和降本:包括大規劃量產(克級到噸級),納米級別制備(um級別做到nm級別),連續化生產以及成本控制;

? 2)極片層面量產難題:包括混料(正負極材料+固態電解質混料),勻漿制片(濕法正負極的勻漿問題),干法電極生產

? 3)電池層面量產難題:電池生產,裝配,以及空氣濕度控制

? 4)終端應用:能量密度提升,電池容量保持,電池循環壽命

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4、硫化物:如何實現原材料大規模生產是首要難題

? 硫化物固態電解質目前面臨大規模量產難題:原材料的一致性,粒徑控制問題,同時硫化物SE對空氣/水敏感,運輸連接的密封也至關重要;

? 一般來說,硫化物電解質制備方法可以分為三類:1)固相反應法:按照化學計量比加入原材料混合組成前驅體材料,前驅體材料加熱到熔點熔融,之后將樣品冷卻到室溫得到電解質材料,期間反應條件苛刻,同時直接高溫下鋰硫揮發,容易產生雜項;2)機械球磨法:在高速球磨的過程中,原料顆粒在沖擊中實現碰撞擴散及反應;3)液相法:以有機溶劑為介質合成硫化物電解質,合成的電解質顆粒小且一致性好,但溶劑一般為有毒溶劑,同時液相法生產出來的硫化物電解質電導率略低于固相法。

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5、硫化物:如何低成本生產是次要難題,核心在硫化鋰

? 硫化物電解質原料一般為硫化鋰,五硫化二磷及氯化鋰,其中硫化鋰為主要原料。

? 硫化鋰在自然界并不穩定,在空氣中易吸收水蒸氣發生水解,放出劇毒硫化氫氣體,可被酸分解放出硫化氫,可與硝酸劇烈反應;電池級硫化鋰與工業級的區別在于產品的純度和粒徑要求不同。

? 由于目前硫化鋰售價高昂,且空氣穩定性問題難解決,制備的時候需要比較好的空氣保護,導致硫化物電解質量產難度在于如何實現硫化鋰的大規模低成本量產。

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6、硫化物:上市公司工藝各異,液相法成本相對較低

? 主流上市公司布局硫化鋰的工藝路線各有千秋,主要集中固相法、液相法以及碳熱還原法,其中以有研新材、容百為代表的使用固相工藝制備硫化鋰,廈鎢、天賜等使用液相工藝制備硫化鋰及硫化物電解質,恩捷股份、容百采用碳熱還原法制備硫化鋰,并采用固相工藝制備硫化物電解質。

? 從成本角度來看,液相法制備硫化鋰存在一定的成本優勢,但目前仍處于量產前期,后續成本下降情況需進一步驗證。

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7、硫化物:硫化鋰目前成本占比70%+,后續降本空間大

? 以高能時代5Ah全固態電池估算,目前1Wh全固態電池的BOM生產成本在1.66元/Wh,其中假設硫化鋰單噸售價在300萬元/噸,對應硫化鋰生產成本占電池生產成本75%左右,未來隨著國產硫化鋰技術逐步突破,假定硫化鋰價格下降至30萬元/噸,對應硫化物固態電池的BOM成本下降至0.54元/Wh,降本空間較大,未來有望實現與鋰電池平價。

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8、硫化物:電池電極、電解質膜生產是第三大難題

? 電池復合電極、電極膜生產難題:硫化物固態電解質生產后,電池極片選擇復合極片,由活性材料、導電添加劑和SE組成,中間會存在界面問題,導致電極內阻增加,容量下降,如何克服內阻和容量問題是后續改進重點,復合極片制備中物料混合后,如何和集流體緊密粘連也是難題所在。

? 硫化物電池大規模生產:難點在于干法電極、致密化加壓、特定環境裝配,其中干法電極難度在于粘合劑纖維化,目前合適的纖維化設備(例如高速氣流吹掃、螺桿擠出機、軋機)仍在開發中;同時電極需要緊密的固體-固體接觸,等靜壓300MPA是后續難題;最后硫化物SE對空氣/水敏感,SE材料制造可能需要封閉循環惰性氣氛,電池制造期間需要更嚴格的干燥條件。

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9、硫化物:產業鏈積極布局產能,產業化加速可期

? 產業鏈中從上游鋰鹽廠、中游材料廠以及下游電池廠均布局硫化鋰及硫化物固態電解質生產,后續隨著國產硫化鋰生產壁壘突破后,硫化鋰售價有望下降,帶動硫化物固態電池產業化進展加速。

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