文：任澤平團(tuán)隊(duì)

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(jī)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(xué)窗口，減少了與電極材料的副反應(yīng)，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(shì)顯著，但實(shí)用性和產(chǎn)業(yè)化任重道遠(yuǎn)，目前仍面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)。1）離子運(yùn)輸：固態(tài)電解質(zhì)離子導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)致界面阻抗增大，不利于鋰離子在正負(fù)極直接傳導(dǎo)。4）成本：預(yù)計(jì)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(jià)格的0.46元/Wh，仍有較大差距。

預(yù)計(jì)2030年全球固態(tài)電池出貨將超過600GWh，出貨量滲透率達(dá)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(yīng)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(gè)國家和地區(qū)都在積極推動(dòng)固態(tài)電池技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。國內(nèi)電池龍頭企業(yè)披露的時(shí)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(diǎn)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(fù)極表面會(huì)形成一層固體電解質(zhì)界面（SEI）膜，這層膜能夠暫時(shí)抑制電解質(zhì)與電極材料之間的副反應(yīng)，為電池提供一定程度的保護(hù)。然而，當(dāng)電池遭受撞擊、過度充電或外力穿刺等損害時(shí)，其熱失控的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)顯著增加。一旦電池溫度升高至90°C，負(fù)極表面的SEI膜便開始分解，導(dǎo)致熱失控進(jìn)一步惡化。在這種高溫環(huán)境下，液態(tài)電解質(zhì)與負(fù)極發(fā)生反應(yīng)，釋放出可燃?xì)怏w，這不僅會(huì)使得電池內(nèi)部的隔膜融化，引發(fā)正負(fù)極之間的短路。最終，電解液的燃燒可能會(huì)引發(fā)更嚴(yán)重的安全事故。

一個(gè)直觀的例子，在鋰電池的針刺實(shí)驗(yàn)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(dǎo)致電池外殼破裂，穿孔處或破裂處有火焰噴出，這個(gè)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(diǎn)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(jī)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(xué)窗口更寬，可以適配更高電壓的正極材料。在電池中，電化學(xué)窗口定義為電解質(zhì)能夠穩(wěn)定存在的電壓范圍。在這個(gè)范圍內(nèi)，電解質(zhì)不會(huì)分解，不會(huì)與電池的正極或者負(fù)極材料發(fā)生反應(yīng)。目前液態(tài)電池的電解液的電化學(xué)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?yàn)橹挥羞@倆個(gè)正極材料適配當(dāng)前的電解液體系。固態(tài)電解質(zhì)的電化學(xué)窗口可以達(dá)到5V以上，意味著它可以兼容更高電勢(shì)和更低的還原電位正負(fù)極材料。

例如，金屬鋰負(fù)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(dá)到350-400Wh/kg，而硫化物體系（金屬鋰負(fù)極或硅負(fù)極）實(shí)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(shí)間使用過程中，由于其電解液的化學(xué)性質(zhì)，會(huì)逐漸與電極材料和電池外殼發(fā)生相互作用和反應(yīng)，這可能導(dǎo)致電解液的干涸、揮發(fā)甚至泄漏，增加了電池的維護(hù)成本和潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。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10,000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(jì)算，超過了大多數(shù)設(shè)備甚至車輛的使用壽命。隨著固態(tài)電池技術(shù)的成熟和成本的降低，預(yù)計(jì)二手電動(dòng)汽車的貶值速度將大幅降低。因?yàn)楣虘B(tài)電池的長壽命和高能量密度使得電動(dòng)汽車在初次使用后仍能保持較長時(shí)間的高性能，減少了電池退化的擔(dān)憂。

1.4 新場景應(yīng)用

消費(fèi)電子：固態(tài)電池因其能量密度高、體積小的特點(diǎn)，能夠滿足無人機(jī)、智能手表、便攜式儲(chǔ)能等產(chǎn)品對(duì)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(dá)每升1000瓦時(shí)，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(yīng)用于無線耳機(jī)、助聽器及智能手表等小型電子產(chǎn)品，同時(shí)表達(dá)了向智能手機(jī)等更廣闊市場進(jìn)軍的愿望。同時(shí)，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(jī)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(yīng)用于二輪車領(lǐng)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(dòng)車仍需要進(jìn)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?yán)m(xù)航里程、安全性等性能邁向一個(gè)臺(tái)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(chǔ)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(chǔ)能電站的安全性，同時(shí)，儲(chǔ)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(lán)新能源與三峽集團(tuán)合作的“兆瓦時(shí)級(jí)固態(tài)鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)”項(xiàng)目入選國家能源局第三批能源領(lǐng)域首臺(tái)（套）重大技術(shù)裝備（項(xiàng)目）名單。2024年8月，喬治費(fèi)歇爾金屬成型科技（昆山）有限公司4.5MW/8.94MWh儲(chǔ)能項(xiàng)目開工，該儲(chǔ)能項(xiàng)目采用半固態(tài)磷酸鐵鋰電池，系統(tǒng)總?cè)萘颗渲脼?.5MW/8.94MWh。

eVTOL飛行汽車：低空經(jīng)濟(jì)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(yīng)用實(shí)施方案（2024-2030年）》，要求加快布局新能源通用航空動(dòng)力技術(shù)和裝備，推動(dòng)400Wh/kg級(jí)航空鋰電池產(chǎn)品投入量產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)500Wh/kg級(jí)航空鋰電池產(chǎn)品應(yīng)用驗(yàn)證。

2 鋰電終局：固態(tài)電池關(guān)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(fù)極、隔膜和電解液等關(guān)鍵組件構(gòu)成。正負(fù)極材料負(fù)責(zé)存儲(chǔ)鋰離子，直接影響電池的能量密度。而電解液則關(guān)系到鋰離子在充放電過程中的遷移速度，通常采用有機(jī)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(fù)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(xué)術(shù)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。

在電池中，導(dǎo)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(dòng)，又能讓鋰離子自由移動(dòng)的材料。這種材料在自然界中并不常見，因此需要科學(xué)家們進(jìn)行精心設(shè)計(jì)和合成。多年來，研究人員一直在尋找具有高鋰離子傳導(dǎo)性的材料—電解質(zhì)。然而，固態(tài)電解質(zhì)離子電導(dǎo)率低、剛性強(qiáng)度大、界面相容性差等技術(shù)瓶頸限制了其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，全固態(tài)鋰電池的研究停滯于20世紀(jì)末。

20世紀(jì)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(dǎo)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(shù)得到了產(chǎn)業(yè)化，這種電池設(shè)計(jì)在便攜式電子設(shè)備和電動(dòng)汽車中得到了廣泛應(yīng)用。

盡管液態(tài)鋰離子電池取得了商業(yè)成功，但學(xué)術(shù)界對(duì)于鋰離子在固態(tài)材料中傳導(dǎo)的研究從未停止。經(jīng)過數(shù)十年的努力，科學(xué)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(dǎo)速度的固態(tài)材料。這些材料的離子電導(dǎo)率已經(jīng)達(dá)到了實(shí)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(xué)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(diǎn)攻關(guān)固態(tài)電解質(zhì)，第二步重點(diǎn)攻關(guān)高容量復(fù)合負(fù)極，第三步重點(diǎn)攻關(guān)高容量復(fù)合正極。固態(tài)電池發(fā)展，攻克固態(tài)電解質(zhì)至關(guān)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(shí)代替了隔膜和電解液，在鋰電池中負(fù)責(zé)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(dǎo)電率、微乎其微的電子導(dǎo)電率、寬的電化學(xué)窗、低界面阻抗、能夠低成本大規(guī)模量產(chǎn)等特點(diǎn)。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(xué)窗口寬，剛性強(qiáng)度大

氧化物電解質(zhì)由氧化物和無機(jī)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(jié)構(gòu)主要可以分為鈣鈦礦（LLTO）型、石榴石（LLZO）型、快離子導(dǎo)體（LISICON）型和（NASICON）型等。LLTO型電解質(zhì)具有高離子電導(dǎo)率的優(yōu)勢(shì)，但低電勢(shì)下容易被鋰金屬負(fù)極還原，穩(wěn)定性相對(duì)較差；LLZO型電解質(zhì)離子導(dǎo)電率高，對(duì)金屬鋰負(fù)極有較高兼容性，穩(wěn)定性高，受關(guān)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(duì)空氣和熱穩(wěn)定性高，電化學(xué)窗口寬，機(jī)械強(qiáng)度高，是理想的高低壓固態(tài)電解質(zhì)體系。但化學(xué)剛性太強(qiáng)，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(jié)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(shí)現(xiàn)。同時(shí)，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(yīng)力，有損于電池電導(dǎo)率和循環(huán)壽命。

2.3.2 硫化物電解質(zhì)：室溫導(dǎo)電率高，制作工藝復(fù)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(dǎo)通道更大，電負(fù)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(dǎo)率，離子電導(dǎo)率10^-7S/cm至10^-2 S/cm（液態(tài)鋰離子電池電導(dǎo)率10^-2 S/cm），超離子導(dǎo)體摻雜鹵素后室溫鋰離子電導(dǎo)率甚至超過液態(tài)電解質(zhì)。根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)又可以分為硫代超快離子導(dǎo)體型(LATP)、硫銀鍺礦型和 LGPS超離子導(dǎo)體型。

硫化物電解質(zhì)主要挑戰(zhàn)有：第一個(gè)是原材料的成本非常貴。硫化鋰價(jià)格預(yù)計(jì)在200萬每噸以上；第二個(gè)是硫化物電解質(zhì)對(duì)空氣中的水分敏感反應(yīng)，產(chǎn)生硫化氫，對(duì)大部分溶劑也敏感，跟傳統(tǒng)液態(tài)工藝兼容性相對(duì)差一些，意味著只能用一些低級(jí)性或者弱極性的有機(jī)容器。第三個(gè)挑戰(zhàn)是在做電芯的過程當(dāng)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(fù)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(gè)電芯放在一個(gè)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(shí)現(xiàn)鋰電池的連續(xù)生產(chǎn)，目前其實(shí)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(dǎo)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(gòu)成，其中聚合物承擔(dān)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?yàn)槠浔旧淼母邚椥院腿犴g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(yīng)，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(qiáng)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(duì)溫度等環(huán)境條件不苛刻的特點(diǎn)，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(dǎo)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(jié)構(gòu)，從而有利于鋰離子的遷移和傳導(dǎo)。基于這些優(yōu)勢(shì)，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(yīng)用于共享電動(dòng)汽車“Autolib”和小型電動(dòng)巴士“Bluelus”，這是國際上第一個(gè)采用全固態(tài)鋰電池的電動(dòng)汽車案例。其自主研發(fā)的電動(dòng)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(shù)難點(diǎn)。1.聚合物電解質(zhì)的室溫下離子電導(dǎo)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(jié)晶度高，而軟化溫度卻高于60℃。2.聚合物電解質(zhì)的電化學(xué)窗口較窄（PEO 的電化學(xué)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(duì)時(shí)，會(huì)發(fā)生劇烈的電化學(xué)氧化分解，導(dǎo)致電池性能急劇下降。3.熱穩(wěn)定性差、安全性低。當(dāng)溫度超過 400℃時(shí)會(huì)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(gè)卡點(diǎn)

2024年，半固態(tài)電池已經(jīng)量產(chǎn)上車，實(shí)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(xué)體系，并在工藝上進(jìn)行升級(jí)，這對(duì)于各大電池制造商而言，技術(shù)改造的難度和成本相對(duì)較低，且對(duì)正極、負(fù)極材料以及生產(chǎn)設(shè)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(yùn)輸機(jī)制、鋰枝晶生長機(jī)制、固-固界面問題，成本較高等。

3.1 離子運(yùn)輸：充放電效率的關(guān)鍵

固態(tài)電解質(zhì)離子導(dǎo)電率低，限制充放電速率。全固態(tài)電池目前的應(yīng)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(guān)。液態(tài)電解質(zhì)分子結(jié)構(gòu)松散，離子移動(dòng)相對(duì)自由。與液態(tài)電解質(zhì)不同，固態(tài)電解質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。離子運(yùn)動(dòng)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(qiáng)的相互作用力，其離子遷移壁壘是液體的10倍以上，離子導(dǎo)電率受限，導(dǎo)致鋰離子傳輸效率低，電池充放電過程中發(fā)熱嚴(yán)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(kuò)散在固態(tài)和液態(tài)是數(shù)量級(jí)的差別。一個(gè)簡單的例子，純凈水里面扔一塊糖，糖化了，整個(gè)純凈水是甜的；一塊糖放到一堆沙子里面，沙子是不會(huì)甜。因此提高離子導(dǎo)電率是實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池加速產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。

3.2 鋰枝晶：仍是固態(tài)電池的技術(shù)難點(diǎn)

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(jié)構(gòu)。它們通常在電池的負(fù)極上生長，鋰離子在負(fù)極上沉積的速度不均勻，導(dǎo)致局部區(qū)域沉積過多，形成了類似樹枝的結(jié)構(gòu)。電池制造有缺陷的話，鋰枝晶會(huì)在缺陷處長出，鋰枝晶是金屬，剛性強(qiáng)，在傳統(tǒng)隔膜電池中會(huì)刺穿隔膜，增加了短路的風(fēng)險(xiǎn)。

但固態(tài)電池中，陶瓷材料相比于隔膜，剛性更強(qiáng)，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(jī)械強(qiáng)度較高，理論上應(yīng)該能夠阻止鋰枝晶的生長，但實(shí)際上鋰枝晶仍然可能在晶內(nèi)與晶間生長，導(dǎo)致電池短路和失效。

3.3 界面問題：商業(yè)化的最難點(diǎn)也是最關(guān)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(xué)接觸和物理接觸?；瘜W(xué)接觸是兩種材料接觸后自發(fā)的發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在固態(tài)電池中，金屬鋰負(fù)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(fù)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(xué)性能。由于固態(tài)電解質(zhì)缺乏液態(tài)電解質(zhì)的流動(dòng)性，因此固-固界面的接觸問題比液體鋰離子電池更為復(fù)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(dǎo)致界面阻抗增大，不利于鋰離子在正負(fù)極直接傳導(dǎo)，影響電池充放電性能。

為了改善固-固界面的接觸，學(xué)術(shù)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(gòu)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(xué)術(shù)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(dāng)?shù)亩询B壓力對(duì)于實(shí)現(xiàn)固態(tài)電解質(zhì)的最佳性能至關(guān)重要。寧德時(shí)代董事長曾毓群在2024世界動(dòng)力電池大會(huì)稱，6000個(gè)大氣壓下才能實(shí)現(xiàn)較高的低溫性能。實(shí)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(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

3.4 成本：仍需等待進(jìn)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(dòng)力電芯價(jià)格0.46元/Wh，磷酸鐵鋰方形動(dòng)力電芯價(jià)格0.37元/Wh；根據(jù)欣旺達(dá)，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(yù)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(yīng)、中游的電池制造到下游的應(yīng)用市場的整個(gè)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(guān)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(yīng)用市場則包括新能源汽車、消費(fèi)電子、儲(chǔ)能系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域。

4.2 政策端：各國政策前瞻布局，驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展

全球范圍內(nèi)，各國政府通過政策引導(dǎo)、資金補(bǔ)貼和產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同等方式，加快推進(jìn)固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)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(lǐng)域處于技術(shù)領(lǐng)先地位，下一代動(dòng)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(dòng)力電池系統(tǒng)比能量達(dá)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(cè)重各有不同

固態(tài)電池技術(shù)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(gè)陣營在技術(shù)路線和發(fā)展策略上各有側(cè)重，競爭的焦點(diǎn)在于誰能在技術(shù)成熟度和市場應(yīng)用上占據(jù)制高點(diǎn)。目前固態(tài)電池的應(yīng)用大體還都處于實(shí)驗(yàn)室階段，商業(yè)領(lǐng)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(duì)使用溫度區(qū)間要求較高，后續(xù)商業(yè)化進(jìn)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(tuán)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(biāo)在2027年量產(chǎn)900Wh/L的固態(tài)電池；LG新能源計(jì)劃在2025-2027年實(shí)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(jìn)展較快。Quantum Scape預(yù)計(jì)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(lán)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(jiān)克難的關(guān)鍵階段，目前業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為固態(tài)電池實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)還需要3-5年時(shí)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(huì)對(duì)固態(tài)電解質(zhì)膜進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提升能量密度。

目前落地的半固態(tài)電池主要應(yīng)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(dòng)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(yù)計(jì)，2030年全球固態(tài)電池出貨將超過600GWh，出貨量滲透率達(dá)到10%。2030年中國固態(tài)電池市場空間有望超過200億元。