固態電池：下一代高性能電池，產業格局全解析

黑白馬2010 2023-02-19 發布于廣東

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2023-02-17 12:34:26

隨著電動車的滲透率越來越高，安全性變成一個核心要素。固態電池是解決安全性和提升能量密度的重要方向和技術，當前各國企業進入軍備競賽階段，加注研發固態電池。

固態電池采用固態電解質替代液態電解質，可大幅提升鋰電池能量密度、安全性，是現有電池體系長期潛在技術方向。

根據輝能，其固態電池僅需12分鐘便可實現0-80%充電，續航里程超1000km，材料循環性能大幅優于液態電池，且成本僅為液態電池84%。

從應用領域來看，固態電池有望優先從高端應用市場開始商業化，并逐步向動力及消費電池領域擴展。基于固態電池優異性能，未來行業發展潛力巨大。

01 固態電池行業概覽

依據電解質分類，鋰電池可分為液態、半固態、準固態和全固態四大類，其中半固態、準固態和全固態三種統稱為固態電池。

固態電池技術難度大，目前主流廠商以半固態、準固態形式介入固態電池領域，提升電池能量密度，同時對固態電池進行技術儲備。

液態—半固態—準固態—全固態電池的發展路徑：

資料來源：《全固態鋰電池技術的研究現狀與展望》、許曉雄等

固態電池的技術發展采用逐步轉化策略，液態電解質含量逐步下降，全固態電池是最終形態。

但是，當前固態電池都還在實驗室到產業化的孵化階段，或者是從中試到產業化的階段，離大規模量產尚早。

一方面，全固態電池尚有技術難點有待突破，比如固態電解質的離子電導率遠低于液態電解質，這使得電池內阻明顯增大、電池循環性變差、倍率性能變差等。

另一方面，高昂的成本也是制約全固態電池商業化的因素，目前液態鋰電池的產業鏈非常成熟，可以用低廉的成本生產出性能較好的鋰電池，而全固態電池的產業鏈還不夠完善。

半固態路線對于現有液態鋰離子電池體系更迭較小，被視作全固態的過渡路線。

半固態路線仍然會使用隔膜與液態電解液，通過減少電池內部液態電解質的含量可在一定程度上提升電池比能量和安全性，其制備方法大部分沿用傳統鋰離子電池工藝與裝備技術。

固態電池發展技術路線：

資料來源：《固態電池的開發現狀及應用思考》，中科院物理所

02 固態電池技術核心環節

固態電池通常采用軟包+疊片封裝工藝，中后道工序變化大，不需注液化成。

作為過渡階段的半固態電池供應鏈與現有供應鏈的重合度很高，推動新型添加劑、復合涂層隔膜、凝膠態電解質、高性能正負極等關鍵材料體系的創新。

隔膜通過復合固態電解質涂層增加了價值量，電解液添加劑對于原位固態化合成復合固態電解質，固態電解質成膜工藝成為關鍵。

從材料體系的變化來分類，固態電池的技術進步路線可以分成三個階段：

（1）傳統液態電解液替換為固態電解質，正負極材料不變。

該階段通過減少電解液用量，理論上對安全性有一定提升；但由于正負極材料體系沒有本質變化，主要還是高鎳三元+石墨摻硅的正負極體系，無法通過提高能量密度來攤薄固態電池成本的提升。目前大部分廠商的量產規劃均是基于該階段，主要用以打通固態電解質技術與量產的難點。

（2）負極換成金屬鋰，正極材料不變。

基于鋰金屬負極的固態電池成本能夠顯著提升能量密度，成本也比傳統液態電池更低，是固態電池降本的關鍵，但鋰金屬負極還面臨許多科學和技術問題。

（3）負極用金屬鋰，正極換成更高能量的材料。

在鋰金屬負極的基礎上，通過正極材料的更新換代能夠繼續提升能量密度，但技術上需要解決的問題更多，實現周期也更遙遠。

03 固態電池產業格局

固態鋰電池的研發路線有聚合物、氧化物和硫化物電解質三種。

目前氧化物體系步調最快，硫化物體系緊隨其后，高能聚合物體系仍處于實驗室研究階段。從成本而言，硫化物體系性價比最高，最有可能成為未來商用的技術路徑。

從技術路線上看，主流技術以氧化物及硫化物電解質為主，氧化物在穩定性上占優，而硫化物在導電性上占優。

固態電池的研發，主要集中在中日韓美歐五個國家和地區。

氧化物代表企業包括中國臺灣輝能、TDK、豐田、江蘇清陶、北京衛藍等，硫化物代表企業包括寧德時代、松下、LGC等。

中國四大頭部固態電池公司（北京衛藍、江蘇清陶、寧波鋒鋰、中國臺灣輝能），都是以氧化物材料為基礎的固液混合技術路線為主。

衛藍、清陶等一級市場固態電池企業和孚能科技、國軒高科、蜂巢能源等動力企業路線選擇有差異，預計2023年陸續看到車端應用。

清陶能源現有技術路線是氧化物體系，未來研發聚焦于聚合物與硫化物體系，2020年已經建成了全國首條固態動力電池規模化生產線。

衛藍新能源專注于無機氧化物與聚合物固態電解質的研發，有三十年的技術積累優勢，厚積薄發。

贛鋒鋰電走氧化物厚膜路線，與孚能科技均已經建成了中試生產線。

蜂巢能源的半固態果凍電池已經投產。

相較于研發半固態電池，寧德時代偏向于硫化物電解質的開發，同時專注于通過電池結構改性提高性能。

在海外市場上，日韓企業大多在保有獨立研發團隊的基礎上抱團研發。

日本由于較早進行固態電池產業化規劃布局，目前在全球范圍內處于技術領先地位。

在Alca Spring, Rising2, Solid EV等國家項目中，日本聯合了38家研發機構，包括豐田、尼桑、本田等等汽車公司，松下日立造船等電池公司，三井金屬等化學制品公司、研究所、大學一起做全固態電池研發。直到今天，豐田依然是全球范圍內，擁有硫化物全固態電池專利數量最多的公司

韓國擁有領先技術的三大電池企業也選擇聯合研發固態電池。代表性企業有LG化學、三星、浦項等。

三星在2022年3月宣布開始建設世界第一條全固態電池生產線，浦項配套建設年產能24噸級的硫化物材料生產線。

歐美各大車企企圖通過投資Solid Power、Solid Energy Systems、Ionic Materials 、Quantum Scape等初創公司以獲得技術儲備，謀求在固態電池領域翻盤。

雖然比亞迪、蘋果等企業早早開始固態電池研發規劃布局，但多數企業直到2018年才開始投資研發固態電池。

國外公司研發節奏比中國公司早半年到一年，但是國外的量產能力、產業鏈成熟度、使用新技術的意愿及需求不及國內，國內固態電池產業化有可能更快。

我國部分企業已進入固態鋰離子電池（半固態電池）中試階段，2025年前可能實現固態電池量產。

國內贛鋒鋰電，衛藍新能源、清陶等初創公司進展較快。目前，衛藍、清陶所建產能均為半固態電池，全固態仍處實驗室研發階段。

衛藍正著手建設2GWh固態電池產線，預計2023年初量產，并與蔚來合作，將其半固態電池產品應用于ET7車型，單體能量密度達360Wh/kg；清陶投資50億元，建設10GWh固態電池產能，并與當升科技進行固態電池正極材料合作。

半固態電池增加了固態電解質涂層、原位固態化鋰鹽等材料，鋰鑭鋯氧（LLZO）、磷酸鈦鋁鋰（LATP）、硫化物固態電解質、新型鋰鹽等增量材料供應鏈及其供應商有望迎來機遇。

產業鏈相關布局企業還包括國軒高科、峰巢能源、長春勁能、萬向集團旗下A123 Systems、天齊鋰業、中天科技、力神電池、中航鋰電、卡耐新能源、鵬輝能源、平煤國能鋰電、孚能科技、當升科技、華盛鋰電、東方鋯業、三祥新材、瑞泰新材等。

車企也在進一步加快布局固態電池領域，新興電動車制造商步伐較快。

東風汽車近期表示正在研發的第二代固態電池有望在2024年上半年量產，屆時整車續航里程可達1000公里以上；長安深藍也開始加速半固態電池研發，目前已經進入工程化研發階段，2025年將搭載整車應用；吉利汽車專門成立固態電池研發團隊，正在與多家動力電池廠商開展聯合試驗。

當前固態電池領域市場參與者眾多，車企、電池企業、投資機構、科研機構等在資本、技術、人才三方面進行博弈。但是從全球來看，目前固態電池仍處于產業化初期階段，攻克現有的技術痛點仍需較長時間。