COFs材料在固态电池中的应用

月我们发布了市场上首篇 COFs 深度COFs 可能是性能最优的多孔材料：COFs 最大的优势在于可设计性，是近年来 备受关注的一类多孔材料，或具备远超分子筛、介孔硅和 MOFs 的应用空间。但 COFs 规模化制备是产业化痛点。耀科新材联手南开领军人物，共同实现 COFs 量产：南开大学张振杰教授是国内 COFs 领 军人物，耀科新材利用其首创的熔融聚合法已实现了吨级突破，成本从 万美元级已优化至百美元级。（宝丽迪公司 23 年与南开大学的张振杰教授合资 建立耀科新材料）固态电池只是冰山一角，对传统树脂和分子筛降维打击：COFs 作为固态电池电 解质可提高电导 率，宁德时代已有相关正极专利。此外，COFs 在核污染处理、气体存储与吸附、催化和生物医学都有广阔的应用，对传统吸附树脂和分子筛是降维打击。 风险提示：COFs 材料规模化生产遭遇瓶颈、市场拓展不及预期、成果和设备转 化风险、知识产权风险 COFs 材料在固态电池中的应用 20240422会议要点 1、COFs 材料在固态电池中的应用COFS 材料在固态电池中作为电解质的应用还处于研发 阶段，其主要挑战在于提 高电导率和降低成本。相比于硫化物和氧化物电解质，COFs 在离子电导率、电 化学窗口和热稳定性方面并不占优，但其在空气稳定性方面表现较好。2、COFS 材料的性能指标与成本COFs 材料作为固态电解质，其电导率、电化学窗口和热 稳定性是关键性能指 标。目前，硫化物电解质在这些指标上表现最佳，氧化物次之，而 COFs和聚合 物电解质在常温下电导率较低。COFs 材料的成本较高，价格按克计算，而硫化 物和氧化物电解质虽然也较贵，但价格较低，按公斤销售。 3、固态电池产业化的挑战与前景固态电池的产业化面临成本和性能的双重挑战。目前，硫化物和氧化物电解质由于其较高的性能，更受市场推崇。COFS 材料虽然在某些性能上不占优，但其 在空气稳定性方 面的优势可能使其在未来成为固态电池的一个潜在选择。4、固态电池的商业化进程宁德时代等电池制造商正在研发使用 COFs 材料的固态电池但目前 COFS 材料的 使用量相对较小，主要用于提高电池的充电速度和安全性。随着技术的进步和成本的降低，预计 COFs 材料在固态电池中的应用将逐渐增加。5、COFS 材料的供应商与合作模式振华新材等材料供应商正在与电池制造商合作开发 COF S 材料并可能在未来成为 固态电池电解质的主要供应商。目前，电池制造商主要通过自主研发和合作模 式获取 COFs 材料，随着产业化的推进，可能会有更多的电池制造商选择从专业 材料供应商处采内： 6、固态电池的成本构成固态电池的成本主要由正极材料、负极材料和固态电解质构成，目前，硫化物电 解质的成本最高，而 COFs 材料由于其价格昂贵，也在固态电池成本中占有一席 之地。随着技术的发展和规模化生产的实现，预计固态电池的成本将逐渐降 低。 7、COFS 材料在电池性能提升中的应用COFs 材料由于其特殊的孔隙结构，可以提高电池的离子电导率和充电速度，同 时减少界面阻抗。宁德时代的神行电池已经采用了 COFs 材料，实现了快速充 电。未来，随着 COFs 材料成本的降低和性能的提升，其在电池正极和负极材料中的应用可能会增加。 8、硅碳负极的发展现状硅碳负极因其高能量密度而备受关注，目前国内有多家公司在进行研发，其 中贝特瑞和天门仙岛（？）在硅氧负极方面表现较好，而南京智德和罗龙新材料 在硅碳负极方面具有一定优势。随着技术的进步，硅碳负极有望在未来取代硅氧负极，成为主流。Q&A Q：固态电池产业化的关键是否在于固态电解质材料的研发？如果解决了电解质问 题，固态电池产业 化是否就成功了一半？A：固态电池产业化的关键确实在于固态电解质材料的研发。目前固态电池的成 本中，固态电解质占 据了一半以上的比例。因此如果能够研发出合适的固态电 解质，固态电池的产业化进程将会大大的推进，可以说解决了电解质问题，固态电池产业化就成功了一半。Q：固态电池目前面临的主要挑战是什么？固态电解质的电导率问题如何解决？ A：固态电池目前面 临的主要挑战包括成本问题、性能问题、电导率问题、界面 阻抗问题以及锂离子传输速率问题。固态电解质的电导率相比液态电池的电解 液隔膜要低很多，这导致了锂离子传输效率低下，电池在充放电过程中发热严重，电量损失大。目前，固态电解质的电导率是制约固态电池发展的关键因素，包括氧化物、硫化物和有机聚合物在内的不同技术路线都在尝试解决这一问题，但都尚未完全解决。 Q：COFs 材料作为固态电解质相比目前的主流电解质有何优势？它在关键性能指 标上表现如何？A：COFs(共价有机框架)材料作为一种新型的固态电解质，相比目前的主流电解 质，其优势在 于更高的离子电导率和更好的稳定性。在关键性能指标上，COF 材料在常温下的离子电导率可能优于有机聚合物，在高温下的表现也可能更佳。然而，具体的性能表现还需要进一步的研究和开发来验证。目前，氧化物 和硫化物电解质在离子电导率上表现较好，但 COF 材料有潜力在这些指标上提供 更好的性能。Q：COFs 材料在固态电池中作为电解质的应用情况如何？其电导率与其他材料相 比如何？A：COFS 材料本身是一种有机高分子，类似于 PEO，在室温下的电导率大约在 10^-5 到 10^-4 之间，相较于氧化物和硫化物材料，其电导率较低。COFs 材料 本身不含锂离子，因此要实现固态电池的电解质功能，必须与含锂离子的无机盐进行复合。通过复合，COFS 材料的电导率可以提升至 10^-4 左右，甚至在技 术更成 熟、成本更高的条件下，可以接近硫化物材料的电导率。 此外，COFs 材料在固态电池中需要与电池正负极形成电化学窗口，目前 COFs 材料的电化学窗口在 4 伏到 5 伏之间，低于氧化物和硫化物材料。Q ：固态电池中电解质材料的选择对电池性能有何影响？ A：固态电池中电解质材料的选择对电池的性能有显著影响。首先，电解质的电导率直接关系到电池的充放电效率。如果电解质不含锂离 子，其离子电导率会更低，可能在 10^-6 到 10^-5 之间，这将严重影响电池的 性能 。 其次，电解质的电化学窗口决定了电池的放电电压和稳定性。电解质的电化学窗口如果较小，当正负极材料之间的电势差较大时，可能会导致固态电池被氧化或出现其他问题，影响电池的正常使用。目前，PUC 类电解质的电化学窗口 小于 4 伏，而 氧化物和硫化物材料的电化学窗口可以达到 5 伏，这使得氧化物 和硫化物材料在电池性能上具有优势。 Q：COFs 材料在固态电池中的热稳定性、电导率、空气稳定性及其与硫化物和氧 化物的比较如何？ A：COFS 材料在固态电池中的热稳定性大约在 450 度左右，介于氧化物(约 500 度) 和硫化物(约 450 度)之间，高于聚合物(约 300 度)。在空气稳定性方面，COFs 材料优于硫化物和氧化物，仅次于聚合物。电导率方 面，(COFs 材料通过与 FSI 复合可以接近硫化物的水平。总体来说，COFs 材料在热稳定性和空气稳定性上有优势，但在电导率上尚需提 升。 Q：COFs 材料未来在固态电解质中的应用前景如何，是否有可能成为主要路线？A：COFs 材料在固态电解质中的应用前景存在潜力，但目前成熟度低于硫化物和 氧化物。其优势在于空气稳定性较好，如果能解决电导率和成本问题，有望成 为更好的选择。目前，COFS 材料在正极和负极材料中的应用已有商业案例，如 三星电池中的使用，显示出其在提高正极和负极性能方面的潜力。Q：COFS 材料在固态电池整体化应用中的优势是什么？ A：COFS 材料除了作为固态电解质外，还可以与正极材料、负极材料复合，提高 电池的整体性 能。其均匀的孔径和稳定的结构有助于提高电极的分散性和电化学反应的均匀性，从而提升电池的充放电速度。这种整体化应用的优势是硫化物和聚合物材料所不具备的。Q：COFs 材料在电池中的添加比例是多少，其成本与硫化物和氧化物相比如何？ A：COFs 材料在电池中的添加比例大约为 3%到 5%。相比于硫化物和氧化物，COFS 材料的成本较高，按克销售，价格在 100 元到 300 元之间，换算成每公斤 大约 10 万到 30 万。而氧化物按公斤销售，价格约为 2000 元一公斤，硫化物约 为 1 万元一公斤。因此，从成本角度考虑，COFs 材料在固态电池中的应用还 需要在成本控制上做出改进。Q：全固态电池中 COFs 材料的用量情况如何？ A：如果将 COFS 材料作为全固态电池的固态电解质，假设正极材料使用三元材 料，负极使用 石墨，能量密度达到 350 瓦时每公斤，那么硫化物氧化物的用量 大约在 1000 吨左右，其中硫化物因比重较大用量会稍多，氧化物用量在八九百 吨，而 cofs 材料因比重较小，用量在 400 到 500 吨左右。Q：未来几年全固态电池的出货量预期是多少？ A：目前技术尚未完全成熟，主要应用于高端市场。预计到 2026 至 2027 年，全 固态 电池的市场份额可能在 5%到 10%之间。根据行业数据，如果 2026 至 2027 年动力电池出货量达到 1000G 瓦时，按照 10%的市场份额计算，全固态电池的出货量可能达到 100G 瓦时。若以 5%的市 场份额计算，则可能更接近实际情况。Q：目前有哪些电子厂家正在测试或计划使用 COFS 材料，他们是否有偏好的 COFs 结构 ？ A：宁德时代、比亚迪、国轩和易伟等企业都在研发 COFS 材料。在固态电池中，硫化物和氧化物是目前更受推崇的电解质材料。宁德时代等企业主要研发硫化物电解质，而国轩等企业则以氧化物为主。振华 新材与宁德时代合作，专注于 COFs 材料的研发同时他们也开发用于固态电池的 其他有机框架材料。目前，行业内主要采用有机硼化物和硼氧化物作为 COFs 材料的合成路线而振华 新材和宝丽迪 等材料厂家在这一领域较为活跃。Q：宁德时代和比亚迪的 COFs 材料是从振华新材购买的，还是自行生产的？相关 的售价和成 本数据有哪些？A：此问题在提供的文本中未包含具体回答。 Q：目前 COFs 材料的国内量产情况如何？价格和成本如何？ A：目前，国内 COFs 材料的量产相对较少。例如宝丽迪拥有吨级生产能力，而振 华等公司正 在进行开发。宁德时代和比亚迪等电池制造商也在自行合成 COFS 材料。购买 COFs 材料通常是按克计算，价格昂贵，大约 300 元/克。成本造价大 约在 200 元/克，这主要是因为使用的原料不易获得，且化学反应控制复杂，需 要保持孔的均匀性，以确保与固态电解质的匹配。因此，制备过程条件控制困难，导致成本较高。Q：电池制造商如宁德时代和比亚迪是否会自行研发和生产 COFS 材料，还是会 选择外包？ A：短期内，电池制造商可能会自行研发 COFS 材料，但长期来看，他们可能会选 择与专业材料供应商合作。因为 COFs 材料的研发和生产需要较大的投入和专利 布局。电池制造商可能会在自主研发的同时，与企业合作，最终从企业购买材料。目前，电池制造商更倾向于实际应用，可能会选择氧化物或硫化物作为固 态电解质的材料。Q：COFs 材料在固态电池中的应用前景如何？电池制造商是否会自行生产 COFs 材 料？ A：COFs 材料在固态电池中的应用前景广阔，但目前主要是通过外购和自主研发 相结合的方式。随着技术的进步和成本的降低电池制造商可能会自行生产 COFs 材料，尤其是当其成为主流材料时。然而，这可能需要较长时间，因为涉及到量产的难题和专利问题。在解决性价比问题后，电池制造商自行生产 COFS 材料 的可能性会增 加，这将对降低成本和提高电池性能产生重要影响。Q：固态电池中正负极和电解质材料的重量占比及价值量占比情况如何？ A：在固态电池中硫化物电解质的重量大约为 1000 吨，氧化