同花顺-圈子

　　摘要

　　近年来，固态电池的产业化进程按下“加速键”。多款搭载半固态电池的新能源车型已经正式推出。固态电池可以大幅提升电池的能量密度和安全性，解决困扰新能源车的续航和热失控两大难题，发展潜力十足。

　　一般来说，固态电池相较于液态电池，对锂的用量会增加。固态电池远期有望明显提升锂用量：1)预锂化技术；2）金属锂负极。

　　一

　　定义

　　固态电池是指使用固态电解质代替传统电解液的锂电池，按照固态电解质用量可分为半固态、准固态和全固态三种类型。其中，半固态电池中液体电解质质量百分比<10%，准固态电池中液体电解质质量百分比<5%，全固态电池中不含有任何液体电解质。

　　传统的液态锂离子电池已经逼近理论能量密度上限。固态电池采用固态电解质，部分或全部替代液态电解质，可以大幅提升电池的能量密度和安全性，被视为下一代电池技术的首选方案之一，发展潜力十足。

　　二

　　固态电池的主要优势

　　传统的液态锂离子电池已经逼近理论能量密度上限（350Wh/kg）。固态电池采用固态电解质，部分或全部替代液态电解质，可以大幅提升电池的能量密度和安全性。

　　全固态电池电化学窗口可达5V以上，高于液态锂电池（4.2V），因此可以兼容更高比容量的正负极，比如超高镍、富锂锰基、硅碳负极、锂金属负极等材料，从而大幅提升电芯的能量密度。同时，全固态电池可实现电芯内部串联,在极片、电芯、成组各个阶段，均能提升体积能量密度。固态电池能量密度有望达到500Wh/kg甚至更高。

　　固态电池的安全性提升，可以大幅降低电池热失控的风险。固态电池采用具有高离子传导性、稳定性的固态电解质取代易燃、易爆的有机电解液，能够大幅提升电池的本征安全性，拓宽电池应用场景。固态电解质耐热极限较高，显著高于液态电池不超过60度的最高工作温度。同时，固体电解质不流动，对于撞击或损坏也更加耐受，且不存在漏液问题，安全性大幅提升。

　　固态电池的发展中也存在一些待攻克的技术难题：1）固-固界面接触导致电池内阻较大。同时固体电解质中存在大量晶界，不利于锂离子在正负极之间传输，会影响电池的快充性能和循环寿命；2）离子电导率较低，会限制电池充放电速率，降低电池能量密度；3）成本较高，主要体现在固态电解质和正负极。固态电解质目前用到的部分稀有金属原材料价格较高，叠加高活性正负极材料的产业化尚未成熟，总材料成本较锂离子电池大幅提升。同时，全固态电池的生产设备更复杂，工作条件也更为严苛，全固态电池成本或明显高于液态锂离子电池。

　　全固态电池面临技术和产业化两方面的掣肘，仍处于实验室研发阶段。业界比较普遍的观点是，在2030年左右才有望实现量产装车。半固态电池因技术难度和成本相对较低，已经进入量产阶段。半固态电池可以视作全固态电池过渡的中间方案。半固态电池因保留了一定量的电解液，内部电阻相对较小。电极材料浸润在电解液中，可以有效提高离子电导率。同时，半固态电池的制备可以在现有液态锂离子电池产线的基础上改造升级，同时正级材料沿用三元正级，成本和技术难度较固态电池明显降低。预计半固态电池规模化量产后，成本比液态锂电池高10-20%。

　　三

　　固态电池的三种技术路线

　　固态电池正级的材料与路线和液态电池区别不大，不同的技术路线主要依据电解质的类型进行区分。按照电解质的不同，固态电池路径可大致分为三类：聚合物、氧化物和硫化物，三大体系各有优劣。

　　1）聚合物电解质。聚氧化乙烯(PEO)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯腈(PAN)等。优点主要是制备简单、柔韧性好、易加工，且工艺和现有的锂电池比较接近，可以通过改造现有设备实现量产使用。缺点为室温离子电导率低、电化学窗口略窄、热稳定性和能量密度提升有限。

　　2）氧化物电解质。综合性能较好，优点为电化学窗口宽、机械强度高、热稳定性好，缺点为电导率较硫化物偏低、界面接触差、加工难度大。氧化物体系制备难度适中，较多新玩家和国内企业选取此路线，在半固态电池中率先实现规模化装车；

　　3）硫化物电解质。优点是电导率最高、界面接触好、机械性能良好，并且电化学稳定窗口较宽（5V 以上），最具发展潜力。但其化学稳定性较差，生产难度大。硫化物电解质对水分很敏感，与空气中的微量水即可发生反应，释放有毒气体。目前处于研发阶段，但后续发展潜力最大。

　　对技术路线的选择上，国内外厂商有所不同。国内厂商侧重氧化物固态电解质，而日韩厂商选择的多是潜力最大的硫化物固态电解质技术路线。氧化物体系因研发成本和难度相对较低，较多新进厂商和国内企业选择这一路线，也在半固态电池中率先实现量产装车。日韩诸多巨头则选择潜力更大、技术难度也最高的硫化物固态电解质为其主要技术路径。

　　三

　　固态电池的材料体系

　　半固态电池的材料体系较有液态电池变化不大。1）正极材料：可以沿用现有的磷酸铁锂、三元NCM等正极材料体系，能量密度更高的高镍三元有望占主导；2）负极材料：石墨负极或硅基负极均可使用；3）电解液：目前仍需要添加少量的液体电解质进行离子传导；4）隔膜：由于半固态电池中保留了少量的液态电解质，仍然需要隔膜进行绝缘阻隔防止短路，但要求隔膜的孔径更大、强度更高。

　　全固态电池或将对传统液态电池材料体系造成较大的冲击。1）正极材料：目前市场主流的磷酸铁锂、三元等正极体系理论上均可用于全固态电池。后期可能向超高镍、富锂锰基等更高比容量的正级材料发展。2）负极材料：向更高性能的负极材料迭代，中短期向硅基负极发展，长期能量密度更高的金属锂负极有望应用。3）电解液：液态电解质将被固态电解质完全取代。固态电解质主要有聚合物、氧化物和硫化物三类类型。4）隔膜。固体电解质具备良好的绝缘性，全固态电池中理论上不需要隔膜。

　　四

　　固态电池产业化进程

　　2023年以来，固态电池的产业化进程按下“加速键”。多款搭载半固态电池的新能源车型已经正式推出。东风岚图品牌旗下首款轿车追光正式上市，标准版搭载82kWh半固态电池，CLTC续航里程580公里，成为国内首个搭载半固态电池的车型。2023年7月，蔚来发布搭载了半固态电池的ET7。2023年12月搭载150kWh电池包的蔚来ET7直播实测行驶超1000km。ET7搭载了蔚来汽车与卫蓝新能源合作开发的半固态软包电芯，单电芯能量密度为360Wh/kg，整包能量密度260Wh/kg。

　　2024年4月，上汽集团旗下纯电品牌“智己汽车”正式推出智己L6车型，搭载了“业内首个准900V高压超快充固态电池”。固态电池由上汽集团和固态电池初创企业清陶能源联合研发而成。据悉，第一代光年固态电池采用了纳米尺度固态电解质包裹超高镍正极和新一代高比能硅碳负极，固态电解质含量在90%左右。电池容量密度达368Wh/kg，电池包容量为133kWh。CLTC续航超1000公里，充电12分钟续航可增加400KM。

　　海外方面，美国固态电池厂商量子景观(QuantumScape)宣布，其固态电池成功通过了德国大众公司严苛的50万公里耐久性测试。据大众集团电池子公司PowerCo发布的报告显示，QuantumScape提供的24层固态电池A样品在位于德国萨尔茨吉特的实验室里经历了数月之久、高达1000多次的充电循环测试，电池容量保持率仍高达95%以上。

　　据高工锂电，2023年全年，国内半固态电池的出货量已达到GWh级别。其中，以初创电池企业卫蓝新能源为代表，其在2023年的固态电池装车量便达到了0.8GWh。2024年，国内搭载（半）固态电池上市销售的新车型将超过5款，出货量有望实现5GWh。

　　五

　　固态电池中锂的用量

　　在目前的液态锂电子电池中，锂主要应用在正级材料和电解液的制作中。固态电池的锂含量并没有一个固定的数值，它会因为电池的类型、规格、设计以及制造商的不同而有所变化。一般来说，固态电池相较于液态电池，对锂的用量会增加。

　　随着技术的发展，固态电池远期有望明显提升锂用量：1）预锂化技术。若固态电池应用预锂化技术，据海通证券测算，假设在负极中添加5%的金属锂，对应增加锂电池用锂量约25%；2）金属锂负极。根据雅宝公告，全固态电池若采用金属锂作为负极，锂单耗存在翻倍的空间。