固态电池：下一代高性能电池，产业格局全解析

2023-02-17 12:34:26

随着电动车的渗透率越来越高，安全性变成一个核心要素。固态电池是解决安全性和提升能量密度的重要方向和技术，当前各国企业进入军备竞赛阶段，加注研发固态电池。

固态电池采用固态电解质替代液态电解质，可大幅提升锂电池能量密度、安全性，是现有电池体系长期潜在技术方向。

根据辉能，其固态电池仅需12分钟便可实现0-80%充电，续航里程超1000km，材料循环性能大幅优于液态电池，且成本仅为液态电池84%。

从应用领域来看，固态电池有望优先从高端应用市场开始商业化，并逐步向动力及消费电池领域扩展。基于固态电池优异性能，未来行业发展潜力巨大。

01

固态电池行业概览

依据电解质分类，锂电池可分为液态、半固态、准固态和全固态四大类，其中半固态、准固态和全固态三种统称为固态电池。

固态电池技术难度大，目前主流厂商以半固态、准固态形式介入固态电池领域，提升电池能量密度，同时对固态电池进行技术储备。

液态—半固态—准固态—全固态电池的发展路径：

 资料来源：《全固态锂电池技术的研究现状与展望》、许晓雄等

固态电池的技术发展采用逐步转化策略，液态电解质含量逐步下降，全固态电池是最终形态。

但是，当前固态电池都还在实验室到产业化的孵化阶段，或者是从中试到产业化的阶段，离大规模量产尚早。

一方面，全固态电池尚有技术难点有待突破，比如固态电解质的离子电导率远低于液态电解质，这使得电池内阻明显增大、电池循环性变差、倍率性能变差等。

另一方面，高昂的成本也是制约全固态电池商业化的因素，目前液态锂电池的产业链非常成熟，可以用低廉的成本生产出性能较好的锂电池，而全固态电池的产业链还不够完善。

 

半固态路线对于现有液态锂离子电池体系更迭较小，被视作全固态的过渡路线。

半固态路线仍然会使用隔膜与液态电解液，通过减少电池内部液态电解质的含量可在一定程度上提升电池比能量和安全性，其制备方法大部分沿用传统锂离子电池工艺与装备技术。

固态电池发展技术路线：

 资料来源：《固态电池的开发现状及应用思考》，中科院物理所

02

固态电池技术核心环节

固态电池通常采用软包+叠片封装工艺，中后道工序变化大，不需注液化成。

作为过渡阶段的半固态电池供应链与现有供应链的重合度很高，推动新型添加剂、复合涂层隔膜、凝胶态电解质、高性能正负极等关键材料体系的创新。

隔膜通过复合固态电解质涂层增加了价值量，电解液添加剂对于原位固态化合成复合固态电解质，固态电解质成膜工艺成为关键。

从材料体系的变化来分类，固态电池的技术进步路线可以分成三个阶段：

（1）传统液态电解液替换为固态电解质，正负极材料不变。

该阶段通过减少电解液用量，理论上对安全性有一定提升；但由于正负极材料体系没有本质变化，主要还是高镍三元+石墨掺硅的正负极体系，无法通过提高能量密度来摊薄固态电池成本的提升。目前大部分厂商的量产规划均是基于该阶段，主要用以打通固态电解质技术与量产的难点。

（2）负极换成金属锂，正极材料不变。

基于锂金属负极的固态电池成本能够显著提升能量密度，成本也比传统液态电池更低，是固态电池降本的关键，但锂金属负极还面临许多科学和技术问题。

（3）负极用金属锂，正极换成更高能量的材料。

在锂金属负极的基础上，通过正极材料的更新换代能够继续提升能量密度，但技术上需要解决的问题更多，实现周期也更遥远。

03

固态电池产业格局

固态锂电池的研发路线有聚合物、氧化物和硫化物电解质三种。

目前氧化物体系步调最快，硫化物体系紧随其后，高能聚合物体系仍处于实验室研究阶段。从成本而言，硫化物体系性价比最高，最有可能成为未来商用的技术路径。

从技术路线上看，主流技术以氧化物及硫化物电解质为主，氧化物在稳定性上占优，而硫化物在导电性上占优。

固态电池的研发，主要集中在中日韩美欧五个国家和地区。

氧化物代表企业包括中国台湾辉能、TDK、丰田、江苏清陶、北京卫蓝等，硫化物代表企业包括宁德时代、松下、LGC等。

中国四大头部固态电池公司（北京卫蓝、江苏清陶、宁波锋锂、中国台湾辉能），都是以氧化物材料为基础的固液混合技术路线为主。

卫蓝、清陶等一级市场固态电池企业和孚能科技、国轩高科、蜂巢能源等动力企业路线选择有差异，预计2023年陆续看到车端应用。

清陶能源现有技术路线是氧化物体系，未来研发聚焦于聚合物与硫化物体系，2020年已经建成了全国首条固态动力电池规模化生产线。

卫蓝新能源专注于无机氧化物与聚合物固态电解质的研发，有三十年的技术积累优势，厚积薄发。

赣锋锂电走氧化物厚膜路线，与孚能科技均已经建成了中试生产线。

蜂巢能源的半固态果冻电池已经投产。

相较于研发半固态电池，宁德时代偏向于硫化物电解质的开发，同时专注于通过电池结构改性提高性能。

在海外市场上，日韩企业大多在保有独立研发团队的基础上抱团研发。

日本由于较早进行固态电池产业化规划布局，目前在全球范围内处于技术领先地位。

在Alca Spring, Rising2, Solid EV等国家项目中，日本联合了38家研发机构，包括丰田、尼桑、本田等等汽车公司，松下日立造船等电池公司，三井金属等化学制品公司、研究所、大学一起做全固态电池研发。直到今天，丰田依然是全球范围内，拥有硫化物全固态电池专利数量最多的公司

韩国拥有领先技术的三大电池企业也选择联合研发固态电池。代表性企业有LG化学、三星、浦项等。

三星在2022年3月宣布开始建设世界第一条全固态电池生产线，浦项配套建设年产能24吨级的硫化物材料生产线。

欧美各大车企企图通过投资Solid Power、Solid Energy Systems、Ionic Materials 、Quantum Scape等初创公司以获得技术储备，谋求在固态电池领域翻盘。

虽然比亚迪、苹果等企业早早开始固态电池研发规划布局，但多数企业直到2018年才开始投资研发固态电池。

国外公司研发节奏比中国公司早半年到一年，但是国外的量产能力、产业链成熟度、使用新技术的意愿及需求不及国内，国内固态电池产业化有可能更快。

我国部分企业已进入固态锂离子电池（半固态电池）中试阶段，2025年前可能实现固态电池量产。

国内赣锋锂电，卫蓝新能源、清陶等初创公司进展较快。目前，卫蓝、清陶所建产能均为半固态电池，全固态仍处实验室研发阶段。

卫蓝正着手建设2GWh固态电池产线，预计2023年初量产，并与蔚来合作，将其半固态电池产品应用于ET7车型，单体能量密度达360Wh/kg；清陶投资50亿元，建设10GWh固态电池产能，并与当升科技进行固态电池正极材料合作。

半固态电池增加了固态电解质涂层、原位固态化锂盐等材料，锂镧锆氧（LLZO）、磷酸钛铝锂（LATP）、硫化物固态电解质、新型锂盐等增量材料供应链及其供应商有望迎来机遇。

产业链相关布局企业还包括国轩高科、峰巢能源、长春劲能、万向集团旗下A123 Systems、天齐锂业、中天科技、力神电池、中航锂电、卡耐新能源、鹏辉能源、平煤国能锂电、孚能科技、当升科技、华盛锂电、东方锆业、三祥新材、瑞泰新材等。

车企也在进一步加快布局固态电池领域，新兴电动车制造商步伐较快。

东风汽车近期表示正在研发的第二代固态电池有望在2024年上半年量产，届时整车续航里程可达1000公里以上；长安深蓝也开始加速半固态电池研发，目前已经进入工程化研发阶段，2025年将搭载整车应用；吉利汽车专门成立固态电池研发团队，正在与多家动力电池厂商开展联合试验。

当前固态电池领域市场参与者众多，车企、电池企业、投资机构、科研机构等在资本、技术、人才三方面进行博弈。但是从全球来看，目前固态电池仍处于产业化初期阶段，攻克现有的技术痛点仍需较长时间。