氧化物電解質何以撐起“全固態(tài)”？

今年以來，各式各樣的半固態(tài)、全固態(tài)電池開始愈發(fā)頻繁且高調地現(xiàn)身，而背后均有氧化物電解質的身影。

過去，在熱穩(wěn)定性與電化學窗口高、而材料價格低的優(yōu)勢加持下，氧化物電解質成為國內團隊的主流選擇，并搭載半固態(tài)電池實現(xiàn)率先上車。

但氧化物電解質界面問題嚴重、電導率低等缺陷也不容小覷，導致了其電池“壽命-倍率-安全”不可能三角的存在。在問題被挨個、全面解決前，氧化物電解質卻已被太藍新能源、廣汽集團等應用于全固態(tài)電池產品中，如此大的“跨步”值得探尋。

氧化物布局格局一覽

目前，包括Quantum Scape、衛(wèi)藍新能源、清陶能源、太藍新能源、藍固新能源等初創(chuàng)企業(yè)，國軒高科、贛鋒鋰電、輝能科技、力神電池等傳統(tǒng)鋰電廠商，還有上海洗霸上海洗霸等跨界廠商，均有在進行以氧化物材料為基礎的半固態(tài)電池布局。

當與液態(tài)電解質、硫化物鹵化物聚合物等固態(tài)電解質進行對比時，氧化物在電化學窗口上有較明顯優(yōu)勢，最高可達6V，這意味著其能與高比能正負極進行良好適配，進而提高固態(tài)電池的能量密度；熱穩(wěn)定性高、材料價格低，則便于從實驗室研發(fā)向量產階段的絲滑過渡。

據(jù)贛鋒鋰電、藍固新能源等企業(yè)披露，國內氧化物電解質的單條產線規(guī)模最高已可達千噸級別。另有數(shù)家團隊透露，國內氧化物電解質企業(yè)普遍具備（百）噸級制備能力，但出貨規(guī)模則在公斤級到噸級不等。不過，噸級規(guī)模也尚未能到達降本臨界點。

更具體來看，氧化物體系中不同類型的材料在性能表現(xiàn)和應用前景上也存在著差異。LATP（磷酸鈦鋁鋰）、LLZO（鋰鑭鋯氧）這兩種氧化物電解質，目前被業(yè)內認為是應用前景較大的。

LATP對空氣、水和二氧化碳穩(wěn)定，即對加工環(huán)境要求低；在5V高電位下穩(wěn)定，可適配高壓正極材料、提高電芯能量密度，吸引了包括衛(wèi)藍新能源等企業(yè)進行布局。

衛(wèi)藍新能源向蔚來供貨的350Wh/kg半固態(tài)電池，通過在正極上采用三元材料，并摻雜百分之一的LATP，來實現(xiàn)能量密度的提高。

不過，LATP中的Ti元素對于鋰金屬并不穩(wěn)定、也就限制了對鋰金屬負極的適配；理論上雖然可以用Ge元素代替，但成本過于高昂。

LLZO的優(yōu)勢在于具有更高的氧化電位（6V），且對鋰金屬穩(wěn)定，吸引了SK On等企業(yè)在這上面有所布局。

但LLZO需要1000℃高溫燒結、對水和二氧化碳不穩(wěn)定，進入批量生產后，無法忽略需制備工藝、一致性、能耗與產線成本的問題。

LLZO的發(fā)展?jié)摿φ诒皇袌鲑I單。在今年掀起的固態(tài)電池熱潮中，LLZO所需的鋯基材料的供應商三祥新材表現(xiàn)突出，反映出金屬鋯企業(yè)有望受益于氧化物固態(tài)電解質的需求增加。據(jù)該企業(yè)表示，公司以自產氧化鋯為原料，也正在進行固態(tài)電解質粉體的合成試驗，項目尚處于實驗室小試階段，氧化物固態(tài)電解質玩家新添一員。

總的來看，布局氧化物路線的企業(yè)更多，主營范圍的差異性也要更為分散些：既有僅負責氧化物電解質材料開發(fā)、生產的企業(yè)，也有同時涉獵氧化物電解質粉體、漿料、電解質片/膜制備等不同形式的。

能夠進入電解質膜開發(fā)、制備階段的企業(yè)，綜合技術實力和堅韌程度都要更為強勁。僅生產粉體、漿料的企業(yè)，核心競爭力主要體現(xiàn)在對電解質材料粒徑大小的控制上，商業(yè)模式則暫時依靠將產品提供至電池廠進行試驗，或提供給正極材料廠、隔膜廠進行正極材料包覆、隔膜涂覆或電極片中摻混等。

有企業(yè)研發(fā)人員向高工鋰電介紹，引入納米氧化物固態(tài)電解質對正極材料進行包覆，或合成固態(tài)電解質膜，已經是業(yè)界廣泛采用的方案，主要起到提高離子電導性的作用。

另有廠商透露，今年公司氧化物電解質粉體材料的出貨尚未見明顯提升，但已形成較穩(wěn)定的客戶結構，以隔膜廠商為主，也包括了少數(shù)非頭部動力電池企業(yè)。

無論是用于包覆還是高性能隔膜，都暗示著氧化電解質能夠在傳統(tǒng)鋰電材料提高性能的路徑上發(fā)揮競爭力，企業(yè)則可以開啟多條增長曲線。

何以撐起全固態(tài)？

任何一種鋰電材料，最終的性能發(fā)揮都由其短板所決定。而當新型材料擁有多塊短板時，問題又要從哪里開始解決呢？

氧化物材料機械性更強，雖然可以抑制鋰枝晶生長、提升本征安全性，卻也因此更容易在與正負極固固界面接觸時發(fā)生問題。

當正負極材料在充放電中出現(xiàn)體積變化后，脆性大的氧化物電解質有容易破裂的風險，因此氧化物的固固界面接觸的問題也更為嚴重。最終循環(huán)壽命也受到影響。

因此，不少團隊仍將氧化物固態(tài)電解質研究的突破目標率先定為提高安全性，并不是缺少創(chuàng)新，而是切實在考慮“最短木板”的解決。

理論上，可以通過涂布、粉末共燒結、原位生長電極層、包覆、修飾電解質表面、濺射沉積電極層等方式來解決。

其中涂布法工藝相對容易掌控，而濺射沉積電極層對設備和工藝的要求極高，涉及真空條件等。對于采取濺射沉積電極層工藝的團隊而言，需細究其能否獲得致密均勻的電極層。

修飾電解質是實驗室中較為常見的改善思路之一，卻需要結合具體的正負極材料、電解液匹配來具體分析，對靈活性和產業(yè)鏈企業(yè)配合度的要求很高，實際實施起來有一定困難。

而雖然有機械強度較高的限制，但出于優(yōu)化電化學性能的考慮，當前業(yè)內諸多廠家還是將氧化物電解質制備成薄膜形態(tài)，以達到縮短離子傳輸路徑、增大與電極之間的接觸面積、協(xié)調體積變化以降低應力延長循環(huán)壽命、便于模塊化和系統(tǒng)集成等目的。

此外，氧化物電解質鋰離子電導率低，不如液態(tài)電解質、硫化物和鹵化物，且與聚合物相比無明顯優(yōu)勢。該特性最終將導致電池快充性能受限。

此背景下，上汽清陶推出的第一代半固態(tài)電池卻是一款2C快充電池。從相關參數(shù)來看，其 應該是通過在電解質中保留5-10%的液體含量、在氧化物電解質添加聚合物形成復合電解質，將納米化的復合固態(tài)電解質膜涂覆在電極片上，最終達到提高離子電導率的目的。

有業(yè)內人士指出，這也是目前大部分高校和企業(yè)采取的策略，即將氧化物與聚合物合成“復合固態(tài)電解質”，以實現(xiàn)減少界面阻抗的效果。

其中基于氧化物的復合電解質膜，實際上是氧化物與聚合物分開成膜，在組成連續(xù)結構后的電導率可接近氧化物電解質極限，并大于均勻復合的電解質膜。

太藍新能源今年發(fā)布的720Wh/kg全固態(tài)鋰金屬電池，據(jù)介紹便是采用了“超薄復合固態(tài)電解質膜制備技術”的宣傳。

廣汽昊鉑的全固態(tài)電池則是更為少見地采用了結合氧化物、硫化物等物質的形成高強致密復合電解質膜。

復合電解質結構的出現(xiàn)，意味著氧化物電解質所面臨的問題確實存在相互制約或矛盾，如優(yōu)化固固界面接觸需要對電極材料或電解質進行表面修飾或包覆，但也可能因此引入新的界面阻抗。

綜合來看，痛點清晰、方向多樣、入局者多，但迭代路徑不明確或明確路徑未公開，是當前氧化物路線令人難以忽略的現(xiàn)狀。而單一技術路線最終能否同時實現(xiàn)固態(tài)電池的高比能和高安全，也只能等待產業(yè)給出答案。

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