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文：任澤平團隊
固態(tài)電池為什么備受市場關注？因為其將極大拓展新能源汽車、低空經(jīng)濟、人形機器人等各大新興領域的新能源應用 ， 是未來新能源、新基建、新技術發(fā)展的主要方向 。 那么 ， 固態(tài)電池有潛力顛覆現(xiàn)有電池體系嗎？大規(guī)模商業(yè)化有什么技術阻礙和難點？固態(tài)電池時代中國電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展還能繼續(xù)領跑全球嗎？
固態(tài)電池能顛覆現(xiàn)有電池體系 ， 主要三大原因：1）安全性更高：固態(tài)電解質(zhì)不易燃且在高溫下具有更好的穩(wěn)定性和機械性能 。 2）能量密度天花板更高：固態(tài)電解質(zhì)具有更寬廣的電化學窗口 ， 減少了與電極材料的副反應 ， 拓寬了可用電極材料的范圍 。 3）循環(huán)壽命更久：固態(tài)電解質(zhì)不易揮發(fā)且不存在泄漏問題 。 由于省去了液態(tài)電解質(zhì)和隔膜 ， 固態(tài)電池在重量上也有所減輕 。
固態(tài)電池性能優(yōu)勢顯著 ， 但實用性和產(chǎn)業(yè)化任重道遠 ， 目前仍面臨一些技術挑戰(zhàn) 。 1）離子運輸：固態(tài)電解質(zhì)離子導電率低 ， 限制充放電速率 。 2）鋰枝晶：可能在晶內(nèi)與晶間生長 ， 導致電池短路和失效 。 3）界面問題：電極和電解質(zhì)之間的接觸面積較小 ， 導致界面阻抗增大 ， 不利于鋰離子在正負極直接傳導 。 4）成本：預計2026年聚合物固態(tài)電池成本將降至2.00元/Wh ， 相較于三元電池電芯價格的0.46元/Wh ， 仍有較大差距 。
預計2030年全球固態(tài)電池出貨將超過600GWh ， 出貨量滲透率達到10%；2030年中國固態(tài)電池市場規(guī)模有望超過200億元 。 目前中國的半固態(tài)電池已經(jīng)量產(chǎn)上車 ， 主要應用于高端車型 ， 新能源汽車市場上30萬以上車型的占比15%左右 ， 半固態(tài)電池主要完成這部分市場的滲透 。 在全球范圍內(nèi) ， 包括日韓、歐美在內(nèi)的多個國家和地區(qū)都在積極推動固態(tài)電池技術的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進程 。 國內(nèi)電池龍頭企業(yè)披露的時間表 ， 全固態(tài)電池大規(guī)模量產(chǎn)大多在2027年左右 。
1 為什么要固態(tài)電池？—“不可燃”、更安全 ， 能量密度更高 ， 循環(huán)利用更久
1.1 固態(tài)電池電解質(zhì)熔沸點超200°C ， 安全性更高
液態(tài)鋰電池發(fā)生事故 ， 液態(tài)電解質(zhì)是主要推手 。 熱失控（thermal runaway）是液態(tài)電池安全問題的主要原因 。 在電池的首次充電過程中 ， 正負極表面會形成一層固體電解質(zhì)界面（SEI）膜 ， 這層膜能夠暫時抑制電解質(zhì)與電極材料之間的副反應 ， 為電池提供一定程度的保護 。 然而 ， 當電池遭受撞擊、過度充電或外力穿刺等損害時 ， 其熱失控的風險會顯著增加 。 一旦電池溫度升高至90°C ， 負極表面的SEI膜便開始分解 ， 導致熱失控進一步惡化 。 在這種高溫環(huán)境下 ， 液態(tài)電解質(zhì)與負極發(fā)生反應 ， 釋放出可燃氣體 ， 這不僅會使得電池內(nèi)部的隔膜融化 ， 引發(fā)正負極之間的短路 。 最終 ， 電解液的燃燒可能會引發(fā)更嚴重的安全事故 。
一個直觀的例子 ， 在鋰電池的針刺實驗中 ， 模擬電池遭受尖銳物體穿刺 ， 電池短路 ， 電池內(nèi)部熱失控失控產(chǎn)生大量的熱量 ， 電池內(nèi)部的壓力迅速增加 ， 導致電池外殼破裂 ， 穿孔處或破裂處有火焰噴出 ， 這個火焰就是燃燒著的電解液 。
與液態(tài)鋰電池相比 ， 固態(tài)電池將液態(tài)電解質(zhì)和隔膜替換成固態(tài)電解質(zhì) ， 固態(tài)電解質(zhì)溶沸點更高 ， 大多數(shù)固態(tài)電解質(zhì)的初始放熱溫度都在200°C以上 ， 且無液態(tài)有機電解液 ， 從根源斷絕燃燒熱源 ， 以提高電池的安全性和穩(wěn)定性 。
1.2 固態(tài)電池能量密度天花板更高
固態(tài)電池的固態(tài)電解質(zhì)的電化學窗口更寬 ， 可以適配更高電壓的正極材料 。 在電池中 ， 電化學窗口定義為電解質(zhì)能夠穩(wěn)定存在的電壓范圍 。 在這個范圍內(nèi) ， 電解質(zhì)不會分解 ， 不會與電池的正極或者負極材料發(fā)生反應 。 目前液態(tài)電池的電解液的電化學窗口一般小于4.5V ， 這意味著它們適用于電壓較低的電池系統(tǒng) 。 目前液態(tài)電池為什么磷酸鐵鋰和三元占據(jù)絕大多數(shù)正極市場 ， 就是因為只有這倆個正極材料適配當前的電解液體系 。 固態(tài)電解質(zhì)的電化學窗口可以達到5V以上 ， 意味著它可以兼容更高電勢和更低的還原電位正負極材料 。
例如 ， 金屬鋰負極、氧化物電解質(zhì)、三元正極固態(tài)電池的能量密度已經(jīng)達到350-400Wh/kg ， 而硫化物體系（金屬鋰負極或硅負極）實現(xiàn)能量密度約320Wh/kg 。 相比之下 ， 傳統(tǒng)的液態(tài)鋰離子電池能量密度通常在170-300Wh/kg ， 部分產(chǎn)品已接近理論極限 。
1.3 固態(tài)電池的循環(huán)壽命更持久
液態(tài)鋰電池在長時間使用過程中 ， 由于其電解液的化學性質(zhì) ， 會逐漸與電極材料和電池外殼發(fā)生相互作用和反應 ， 這可能導致電解液的干涸、揮發(fā)甚至泄漏 ， 增加了電池的維護成本和潛在的安全風險 。 相比之下 ， 固態(tài)電池采用固態(tài)電解質(zhì) ， 這種電解質(zhì)不易揮發(fā)且不存在泄漏問題 ， 因此可以顯著提高電池的壽命 。
從循環(huán)壽命來看 ， 固態(tài)電池在10000次循環(huán)后仍能保持其原始容量的90%以上（液態(tài)電池約為3000次循環(huán)壽命） 。 電池的循環(huán)壽命超過27年 ， 按每日充放電循環(huán)計算 ， 超過了大多數(shù)設備甚至車輛的使用壽命 。 隨著固態(tài)電池技術的成熟和成本的降低 ， 預計二手電動汽車的貶值速度將大幅降低 。 因為固態(tài)電池的長壽命和高能量密度使得電動汽車在初次使用后仍能保持較長時間的高性能 ， 減少了電池退化的擔憂 。
1.4 新場景應用
消費電子：固態(tài)電池因其能量密度高、體積小的特點 ， 能夠滿足無人機、智能手表、便攜式儲能等產(chǎn)品對電池輕量化、長續(xù)航的要求 。 2024年8月 ， 日本TDK宣布已成功研發(fā)出新版CeraCharge固態(tài)電池 。 該電池能量密度高達每升1000瓦時 ， 約為TDK傳統(tǒng)固態(tài)電池能量密度的100倍 。 TDK初步規(guī)劃將該電池應用于無線耳機、助聽器及智能手表等小型電子產(chǎn)品 ， 同時表達了向智能手機等更廣闊市場進軍的愿望 。 同時 ， 2022年小米推出了半固態(tài)電池的米家戶外電源1000Pro；松下將在2025-2029年量產(chǎn)用于無人機的全固態(tài)電池；富士康與Blue Solutions將合作生產(chǎn)固態(tài)電池應用于二輪車領域 。
新能源車：盡管傳統(tǒng)鋰電池在成本和性能展現(xiàn)了良好的表現(xiàn) ， 但在續(xù)航里程、使用溫度、安全性等問題上 ， 電動車仍需要進一步的提升 ， 固態(tài)電池作為新一代革命性產(chǎn)物 ， 正從走在產(chǎn)業(yè)化的康莊大道上 ， 助力新能源車續(xù)航里程、安全性等性能邁向一個臺階 。 蔚來、上汽等均提出2024年量產(chǎn)半固態(tài)電池車型 ， 廣汽、長安等均提出2025-2026年量產(chǎn)半固態(tài)電池車型 。
儲能：固態(tài)電池相較于傳統(tǒng)鋰離子電池 ， 更具穩(wěn)定性能 ， 能夠顯著提升儲能電站的安全性 ， 同時 ， 儲能要求電芯有更好的循環(huán)壽命 ， 固態(tài)電池也剛好適配 。 2023年10月 ， 衛(wèi)藍新能源與三峽集團合作的“兆瓦時級固態(tài)鋰離子電池儲能系統(tǒng)”項目入選國家能源局第三批能源領域首臺（套）重大技術裝備（項目）名單 。 2024年8月 ， 喬治費歇爾金屬成型科技（昆山）有限公司4.5MW/8.94MWh儲能項目開工 ， 該儲能項目采用半固態(tài)磷酸鐵鋰電池 ， 系統(tǒng)總容量配置為4.5MW/8.94MWh 。
eVTOL飛行汽車：低空經(jīng)濟發(fā)展加速固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展 。 2024年3月 ， 工信部發(fā)布《通用航空裝備創(chuàng)新應用實施方案（2024-2030年）》 ， 要求加快布局新能源通用航空動力技術和裝備 ， 推動400Wh/kg級航空鋰電池產(chǎn)品投入量產(chǎn) ， 實現(xiàn)500Wh/kg級航空鋰電池產(chǎn)品應用驗證 。
2 鋰電終局：固態(tài)電池關鍵看電解質(zhì)破局
2.1 液態(tài)電池 vs 固態(tài)電池
傳統(tǒng)的液態(tài)鋰離子電池由正極、負極、隔膜和電解液等關鍵組件構成 。 正負極材料負責存儲鋰離子 ， 直接影響電池的能量密度 。 而電解液則關系到鋰離子在充放電過程中的遷移速度 ， 通常采用有機溶劑作為介質(zhì) 。 液態(tài)電解質(zhì)的易燃特性使得電池在高溫或撞擊下存在起火爆炸的隱患 。
固態(tài)電池主要由正極、負極、固態(tài)電解質(zhì)等主材組成 ， 本質(zhì)區(qū)別就在于固態(tài)電池用不可燃的固態(tài)電解質(zhì)替代了液態(tài)電池的可燃性液態(tài)電解液 。 根據(jù)固態(tài)電池內(nèi)部液體含量 ， 可以將固態(tài)電池分為半固態(tài)電池和固態(tài)電池 。 根據(jù)學術界的定義 ， 電池液體含量超過10%就是液態(tài)電池；液體含量在5%-10%被定義為半固態(tài)電池 ， 半固態(tài)電池中的液體（清陶能源將其定義為潤濕劑）與液態(tài)電池中的電解液不同 ， 潤濕劑成分單一 ， 提升電池內(nèi)部界面的潤濕性 ， 降低電池電阻；全固態(tài)電池不含任何液態(tài)成分 。
2.2 液態(tài)電解質(zhì)率先實現(xiàn)商業(yè)化鋰離子電池自20世紀中葉被發(fā)現(xiàn)以來 ， 科學家們就一直在探索電池全固態(tài)形式的可能性 。 因為固態(tài)電池組件更直觀 ， 易于加工和控制 。 然而 ， 實現(xiàn)這一愿景的關鍵挑戰(zhàn)在于找到一種材料 ， 它能夠在電子層面上提供絕緣 ， 同時允許較大的鋰離子通過 。
在電池中 ， 導電用到的是電子 ， 鋰離子是離子 ， 電子很小 ， 離子很大 。 我們需要一種既能阻擋電子流動 ， 又能讓鋰離子自由移動的材料 。 這種材料在自然界中并不常見 ， 因此需要科學家們進行精心設計和合成 。 多年來 ， 研究人員一直在尋找具有高鋰離子傳導性的材料—電解質(zhì) 。 然而 ， 固態(tài)電解質(zhì)離子電導率低、剛性強度大、界面相容性差等技術瓶頸限制了其產(chǎn)業(yè)化進程 ， 全固態(tài)鋰電池的研究停滯于20世紀末 。
20世紀70年代和80年代 ， 工業(yè)界的研究主要集中在液態(tài)電解液上 ， 這些電解液能夠有效地傳導鋰離子并阻擋電子 。 到了90年代 ， 含有液態(tài)電解液的鋰離子電池技術得到了產(chǎn)業(yè)化 ， 這種電池設計在便攜式電子設備和電動汽車中得到了廣泛應用 。
盡管液態(tài)鋰離子電池取得了商業(yè)成功 ， 但學術界對于鋰離子在固態(tài)材料中傳導的研究從未停止 。 經(jīng)過數(shù)十年的努力 ， 科學家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些具有與液態(tài)電解液相媲美的鋰離子傳導速度的固態(tài)材料 。 這些材料的離子電導率已經(jīng)達到了實用化的水平 ， 為固態(tài)電池的商業(yè)化鋪平了道路 。
2.3 固態(tài)電解質(zhì)是固態(tài)電池的破局之道
萬里長征第一步 ， 中國科學院歐陽明高院士將固態(tài)電池未來發(fā)展規(guī)劃拆解為三步 。 首先重點攻關固態(tài)電解質(zhì) ， 第二步重點攻關高容量復合負極 ， 第三步重點攻關高容量復合正極 。 固態(tài)電池發(fā)展 ， 攻克固態(tài)電解質(zhì)至關重要 。
與液態(tài)電池的隔膜和電解液作用相同 ， 固態(tài)電解質(zhì)同時代替了隔膜和電解液 ， 在鋰電池中負責鋰離子的傳輸 。 因此 ， 固態(tài)電解質(zhì)的性能也很大程度上影響著固態(tài)電池的性能 。 理想的固態(tài)電解質(zhì)要滿足優(yōu)良的離子導電率、微乎其微的電子導電率、寬的電化學窗、低界面阻抗、能夠低成本大規(guī)模量產(chǎn)等特點 。 目前 ， 固態(tài)電解質(zhì)根據(jù)材料類型的不同大致可以分為氧化物電解質(zhì)、硫化物電解質(zhì)、聚合物電解質(zhì)等 。
2.3.1 氧化物電解質(zhì)：電化學窗口寬 ， 剛性強度大
氧化物電解質(zhì)由氧化物和無機鹽組成 ， 可分晶態(tài)電解質(zhì)和非晶態(tài)電解質(zhì) ， 主要通過晶格空隙傳遞離子 。 根據(jù)晶體結構主要可以分為鈣鈦礦（LLTO）型、石榴石（LLZO）型、快離子導體（LISICON）型和（NASICON）型等 。 LLTO型電解質(zhì)具有高離子電導率的優(yōu)勢 ， 但低電勢下容易被鋰金屬負極還原 ， 穩(wěn)定性相對較差；LLZO型電解質(zhì)離子導電率高 ， 對金屬鋰負極有較高兼容性 ， 穩(wěn)定性高 ， 受關注度高 ， 目前提高LLZO材料質(zhì)密程度是重要的研究方向之一 。
整體上 ， 氧化物電解質(zhì)性能優(yōu)異 ， 對空氣和熱穩(wěn)定性高 ， 電化學窗口寬 ， 機械強度高 ， 是理想的高低壓固態(tài)電解質(zhì)體系 。 但化學剛性太強 ， 必須得把顆粒燒接成致密的陶瓷才能把固-固接觸的問題解決掉 ， 但是一旦燒結成致密陶瓷 ， 它就很容易碎裂 ， 用于做疊片電池很難 ， 卷繞電池更沒法實現(xiàn) 。 同時 ， 氧化物電解質(zhì)在電池循環(huán)過程中無法消解電極膨脹產(chǎn)生的應力 ， 有損于電池電導率和循環(huán)壽命 。
2.3.2 硫化物電解質(zhì)：室溫導電率高 ， 制作工藝復雜
硫化物電解質(zhì)是由氧化物電解質(zhì)衍生出來的 ， 就是氧化物電解質(zhì)中的氧元素被硫元素替代 。 硫元素相比于氧元素 ， 半徑更大 ， 離子傳導通道更大 ， 電負性小 ， 與鋰離子擁有更小的相互作用 ， 因此硫化物電解質(zhì)相較于其他固態(tài)電解質(zhì)具有更高的離子電導率 ， 離子電導率10^-7S/cm至10^-2 S/cm（液態(tài)鋰離子電池電導率10^-2 S/cm） ， 超離子導體摻雜鹵素后室溫鋰離子電導率甚至超過液態(tài)電解質(zhì) 。 根據(jù)晶體結構 ， 硫化物固態(tài)電解質(zhì)可以分為玻璃態(tài)、玻璃陶瓷態(tài)和晶態(tài) 。 晶態(tài)電解質(zhì)按照晶體結構又可以分為硫代超快離子導體型(LATP)、硫銀鍺礦型和 LGPS超離子導體型 。
硫化物電解質(zhì)主要挑戰(zhàn)有：第一個是原材料的成本非常貴 。 硫化鋰價格預計在200萬每噸以上；第二個是硫化物電解質(zhì)對空氣中的水分敏感反應 ， 產(chǎn)生硫化氫 ， 對大部分溶劑也敏感 ， 跟傳統(tǒng)液態(tài)工藝兼容性相對差一些 ， 意味著只能用一些低級性或者弱極性的有機容器 。 第三個挑戰(zhàn)是在做電芯的過程當中 ， 需要加幾百兆帕的大氣壓力 ， 讓硫化物的顆粒變形 ， 才能讓正負極保持好的接觸 。 這么大的壓力目前可能只有一種手段 ， 就是把這個電芯放在一個圓柱形的加壓缸里 ， 往這里面灌入液體 ， 然后給液體加壓 。 這種幾百兆帕的壓力想去實現(xiàn)鋰電池的連續(xù)生產(chǎn) ， 目前其實是有一定的難度 。
2.3.3 聚合物電解質(zhì)：成本低、易加工、室溫電導率低
聚合物電解質(zhì)的性能由三種成分的相互作用決定：聚合物基質(zhì)、鋰鹽和(可選)添加劑 。 聚合物電解質(zhì)主要由聚合物基質(zhì)和鋰鹽構成 ， 其中聚合物承擔著鋰離子傳輸?shù)妮d體角色 ， 而鋰鹽則為電解質(zhì)提供必要的載流子 。 這類電解質(zhì)因為其本身的高彈性和柔韌性 ， 通常具備較高的彈性模量和良好的界面接觸性能 ， 即使在充放電過程中電極體積發(fā)生變化也能適應 ， 且能有效抑制鋰枝晶的形成 。 有助于在電池的長期循環(huán)使用中維持低界面阻抗 ， 從而增強固態(tài)鋰電池的穩(wěn)定性和可靠性 。 此外 ， 聚合物基固態(tài)電解質(zhì)還具有質(zhì)輕、成本低、對溫度等環(huán)境條件不苛刻的特點 ， 適宜規(guī)?；a(chǎn) 。
主流的聚合物固態(tài)電解質(zhì)主要有PEO基（聚環(huán)氧乙烷基）、PMMA基（聚甲基丙烯酸甲酯基）、PVDF-HFP基（聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物基）等 。 PEO是最早被發(fā)現(xiàn)能夠有效傳導鋰離子的聚合物材料之一 。 PEO的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度約為-67℃ ， 這一特性使得它在室溫下容易形成非晶態(tài)結構 ， 從而有利于鋰離子的遷移和傳導 。 基于這些優(yōu)勢 ， PEO成為了開發(fā)固態(tài)電解質(zhì)的理想選擇 。 2011年 ， 法國Bollore博洛雷研發(fā)的全固態(tài)金屬鋰電池開始批量應用于共享電動汽車“Autolib”和小型電動巴士“Bluelus” ， 這是國際上第一個采用全固態(tài)鋰電池的電動汽車案例 。 其自主研發(fā)的電動汽車Bluecar搭載了30kWh金屬鋰聚合物電池 ， 電解質(zhì)采用的就是PEO 。
聚合物電解質(zhì)技術難點 。 1.聚合物電解質(zhì)的室溫下離子電導率低 ， 主要原因是由于聚合物的離子傳輸主要發(fā)生在無定形區(qū) ， 其在室溫下結晶度高 ， 而軟化溫度卻高于60℃ 。 2.聚合物電解質(zhì)的電化學窗口較窄（PEO 的電化學窗口<3.9V > ， 易于被高電壓正極氧化；特別是與高電壓正極材料 ， 如鈷酸鋰、鎳鈷錳酸鋰、鎳鈷鋁酸鋰等配對時 ， 會發(fā)生劇烈的電化學氧化分解 ， 導致電池性能急劇下降 。 3.熱穩(wěn)定性差、安全性低 。 當溫度超過 400℃時會發(fā)生分解和燃燒 ， 存在很大安全隱患 。
3 固態(tài)電池研發(fā)面臨什么挑戰(zhàn)？三個卡點
2024年 ， 半固態(tài)電池已經(jīng)量產(chǎn)上車 ， 實現(xiàn)了從0到1的突破 。 相較于固態(tài)電池 ， 半固態(tài)電池主要依托于現(xiàn)有的電化學體系 ， 并在工藝上進行升級 ， 這對于各大電池制造商而言 ， 技術改造的難度和成本相對較低 ， 且對正極、負極材料以及生產(chǎn)設備的影響較小 。 而全固態(tài)電池的量產(chǎn)仍然面臨諸多挑戰(zhàn) 。 目前 ， 限制全固態(tài)電池發(fā)展的核心問題主要有：離子運輸機制、鋰枝晶生長機制、固-固界面問題 ， 成本較高等 。
3.1 離子運輸：充放電效率的關鍵
固態(tài)電解質(zhì)離子導電率低 ， 限制充放電速率 。 全固態(tài)電池目前的應用瓶頸在于較慢的充放電速度和較快的容量衰減 ， 這些與固態(tài)電解質(zhì)自身的理化性質(zhì)相關 。 液態(tài)電解質(zhì)分子結構松散 ， 離子移動相對自由 。 與液態(tài)電解質(zhì)不同 ， 固態(tài)電解質(zhì)的晶體結構穩(wěn)定 。 離子運動需要克服晶格位移的壁壘 ， 固態(tài)電解質(zhì)中離子間具有很強的相互作用力 ， 其離子遷移壁壘是液體的10倍以上 ， 離子導電率受限 ， 導致鋰離子傳輸效率低 ， 電池充放電過程中發(fā)熱嚴重 ， 電池充放電效率低 ， 電量損失大 。
鋰離子電池內(nèi)部離子的擴散在固態(tài)和液態(tài)是數(shù)量級的差別 。 一個簡單的例子 ， 純凈水里面扔一塊糖 ， 糖化了 ， 整個純凈水是甜的；一塊糖放到一堆沙子里面 ， 沙子是不會甜 。 因此提高離子導電率是實現(xiàn)固態(tài)電池加速產(chǎn)業(yè)化的關鍵 。
3.2 鋰枝晶：仍是固態(tài)電池的技術難點
鋰枝晶（Lithium Dendrites）是指在鋰電池中 ， 鋰金屬在電池充電過程中形成的樹枝狀金屬結構 。 它們通常在電池的負極上生長 ， 鋰離子在負極上沉積的速度不均勻 ， 導致局部區(qū)域沉積過多 ， 形成了類似樹枝的結構 。 電池制造有缺陷的話 ， 鋰枝晶會在缺陷處長出 ， 鋰枝晶是金屬 ， 剛性強 ， 在傳統(tǒng)隔膜電池中會刺穿隔膜 ， 增加了短路的風險 。
但固態(tài)電池中 ， 陶瓷材料相比于隔膜 ， 剛性更強 ， 鋰枝晶不容易刺破 ， 一定程度上保障了電池的安全性 。 盡管固態(tài)電解質(zhì)的機械強度較高 ， 理論上應該能夠阻止鋰枝晶的生長 ， 但實際上鋰枝晶仍然可能在晶內(nèi)與晶間生長 ， 導致電池短路和失效 。
3.3 界面問題：商業(yè)化的最難點也是最關鍵
固態(tài)電池的界面問題可以分成兩類 。 按固-固接觸界面性質(zhì)可以分為化學接觸和物理接觸 。 化學接觸是兩種材料接觸后自發(fā)的發(fā)生化學反應 ， 在固態(tài)電池中 ， 金屬鋰負極和固態(tài)電解質(zhì)的界面處尤為常見；物理接觸是電解質(zhì)和電極之間的接觸 ， 其中又分為正極-電解質(zhì)界面和負極-電解質(zhì)界面 。
界面阻抗問題直接影響固態(tài)電池的電化學性能 。 由于固態(tài)電解質(zhì)缺乏液態(tài)電解質(zhì)的流動性 ， 因此固-固界面的接觸問題比液體鋰離子電池更為復雜 。 固-液接觸是以浸潤形式存在的“軟”接觸 ， 而固-固接觸是很難充分貼合的“硬”接觸 ， 因此在固態(tài)電池中 ， 電極和電解質(zhì)之間的接觸面積較小 ， 導致界面阻抗增大 ， 不利于鋰離子在正負極直接傳導 ， 影響電池充放電性能 。
為了改善固-固界面的接觸 ， 學術界采取了多種策略 。 包括使用具有良好潤濕性的電解質(zhì)、構建三維界面、以及在電極和電解質(zhì)之間引入緩沖層或中間層 。 例如 ， 通過在正極材料表面包覆一層無定形的固態(tài)電解質(zhì)薄層 ， 可以避免正極與電解質(zhì)之間的直接接觸 ， 減少界面阻抗 ， 提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性和安全性 。
此外 ， 學術界也在探索使用外部壓力來改善固-固界面的接觸 。 例如 ， 適當?shù)亩询B壓力對于實現(xiàn)固態(tài)電解質(zhì)的最佳性能至關重要 。 寧德時代董事長曾毓群在2024世界動力電池大會稱 ， 6000個大氣壓下才能實現(xiàn)較高的低溫性能 。 實際生活中幾乎沒有符合條件的場景 ， 意味著這些器件還無法實現(xiàn)商業(yè)化 。
3.4 成本：仍需等待進一步降本
固態(tài)電池成本相較于液態(tài)電池電芯成本差距較大 。 根據(jù)百川盈孚 ， 2024年7月底三元方形動力電芯價格0.46元/Wh ， 磷酸鐵鋰方形動力電芯價格0.37元/Wh；根據(jù)欣旺達 ， 2026年將聚合物體系的全固態(tài)電池成本降至2.00元/Wh 。 目前來看 ， 固態(tài)電池的成本較高 ， 未來3-5年的下降空間還未可預知 。
4 產(chǎn)業(yè)鏈：半固態(tài)先聲奪人 ， 全固態(tài)尚待佳音
4.1 固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈與液態(tài)電池大致相同
與液態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈大致相同 ， 固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈涵蓋了從上游的原材料供應、中游的電池制造到下游的應用市場的整個流程 。 上游主要包括礦產(chǎn)資源的開采和提煉 ， 如鋰、鈷、鎳等關鍵金屬 ， 以及固態(tài)電解質(zhì)的原料 ， 如氧化物、硫化物或聚合物等 。 中游環(huán)節(jié)包括電池材料的制備、電池單元的組裝和電池管理系統(tǒng)的開發(fā) 。 下游應用市場則包括新能源汽車、消費電子、儲能系統(tǒng)等多個領域 。
4.2 政策端：各國政策前瞻布局 ， 驅(qū)動產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展
全球范圍內(nèi) ， 各國政府通過政策引導、資金補貼和產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同等方式 ， 加快推進固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化進程 。 目前在全球范圍內(nèi)主要處于研發(fā)和中試階段 。 中國、日本和韓國在固態(tài)電池的開發(fā)領域處于技術領先地位 ， 下一代動力電池的產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)提上日程 。 根據(jù)我國《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》 ， 到2025年 ， 動力電池系統(tǒng)比能量達到350Wh/kg ， 而液體鋰電池理論能量密度上限約為350Wh/kg ， 研發(fā)更高能量密度的鋰電池替代傳統(tǒng)液態(tài)電池將成為必然 。
4.3 廠商布局：各國發(fā)展路線側重各有不同
固態(tài)電池技術的競爭在全球范圍內(nèi)日益激烈 ， 形成了以中國、日本、韓國和歐美為代表的主要陣營 。 每個陣營在技術路線和發(fā)展策略上各有側重 ， 競爭的焦點在于誰能在技術成熟度和市場應用上占據(jù)制高點 。 目前固態(tài)電池的應用大體還都處于實驗室階段 ， 商業(yè)領域仍是小批量制造階段 。
聚合物路線上 ， 企業(yè)主要聚集在歐洲和美國 。 聚合物電池商業(yè)化早 ， 但對使用溫度區(qū)間要求較高 ， 后續(xù)商業(yè)化進展較慢 。
硫化物路線上 ， 企業(yè)主要聚集在日韓和美國 。 Solid Power 在2023年向?qū)汃R集團交付硫化物固態(tài)電池用于測試；豐田規(guī)劃在2025年前量產(chǎn)固態(tài)電池；三星SDI目標在2027年量產(chǎn)900Wh/L的固態(tài)電池；LG新能源計劃在2025-2027年實現(xiàn)全固態(tài)電池商業(yè)化 。
氧化物路線上 ， 企業(yè)主要聚集在中國和美國 。 中國在半固態(tài)電池的進展較快 。 Quantum Scape預計在2024年下半年開始量產(chǎn)氧化物固態(tài)電池 。 清淘能源的半固態(tài)電池 ， 已經(jīng)量產(chǎn)上車上汽智己L6；衛(wèi)藍新能源已于2023年6月量產(chǎn)360Wh/kg半固態(tài)電池交付給蔚來；鵬輝能源2024年8月正式發(fā)布了20Ah和2000mAh兩款軟包全固態(tài)電池 。
4.4 車企布局：綁定電池廠研發(fā) ， 半固態(tài)率先落地
5 市場空間：2030年全球固態(tài)電池出貨將超過600GWh
固態(tài)電池整體處于攻堅克難的關鍵階段 ， 目前業(yè)內(nèi)普遍認為固態(tài)電池實現(xiàn)量產(chǎn)還需要3-5年時間 。 目前行業(yè)正處于第一階段 ， 引入部分固態(tài)電解質(zhì) ， 降低電解液的含量 ， 正極依然采用傳統(tǒng)鐵鋰或三元正極；未來 ， 行業(yè)將提高固態(tài)電解質(zhì)含量直至完全取代液態(tài)晶體液；最終階將會對固態(tài)電解質(zhì)膜進行設計 ， 進一步提升能量密度 。
目前落地的半固態(tài)電池主要應用于高端車型 ， 新能源汽車市場上30萬以上車型的占比15%左右 ， 半固態(tài)電池主要完成這部分市場的滲透 。 根據(jù)中國汽車動力電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟 ， 2024年上半年我國半固態(tài)電池裝車量2154.7MWh 。 根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院預計 ， 2030年全球固態(tài)電池出貨將超過600GWh ， 出貨量滲透率達到10% 。 2030年中國固態(tài)電池市場空間有望超過200億元 。
【固態(tài)電池研究報告：鋰電顛覆性革命】
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