固态电池优势、产业化难点及进展如何？

提升能量密度，解决安全问题的理想电池方案。

1.优势：高安全性与高能量密度

固态电池可从本质上解决锂离子电池的主要安全隐患。传统锂离子电池可能发生自燃、爆炸等安 全事故，其根源来自于易燃易挥发的有机电解液。过度充电、内部短路均会造成热失控，电解液 在高温下被点燃，最终导致电池起火或者爆炸。此外，电解液腐蚀、挥发、漏液也都可能为电池 体系带来严重的安全隐患。而固态电解质本身不可燃、耐高温、无腐蚀、不挥发，机械强度、热 稳定性和电化学稳定性均好于传统电解液，从根本上提高了电池的安全等级。

材料体系和电池结构全面优化，能量密度大幅提升。提高能量密度是电池技术迭代升级的首要目 标之一，主要通过两种途径实现：1）使用容量更高、电势差更大的正负极材料；2）提高电池中 活性材料的比例。在液态锂离子电池中，途径一主要对应高镍三元、硅碳负极等高性能材料的应 用，但电解液的电压窗口直接限制了正极材料的可选范围。途径二可通过改良电池封装工艺、减 小集流体厚度、增大电池尺寸等手段实现，但随着行业的快速发展，封装优化、集流体减重取得 的边际效果已经微乎其微，电池尺寸继续增大也受到热管理等问题的制约。而固态电池则破除了 传统锂离子电池所面临的种种限制，从而实现能量密度的跃升：

1）固态电池可适配高电压正极材料。相较于传统电解液，固态电解质的电化学窗口提高至 5V， 同时对于液态电池里界面反应严重的材料体系，比如高镍正极、有锰溶出问题的含锰化合物、高 电压正极材料兼容性更好，打开能量密度天花板。

2）固态电解质良好的机械性能为锂金属负极的使用提供可能。锂金属作为负极，理论容量 3860 mAh/g，约为石墨的 10 倍，从容量角度而言是最理想的负极形态。但锂金属稳定性差，传统液态 锂电池若采用金属锂负极，在循环过程中会产生锂枝晶刺穿隔膜，导致电池内部短路，影响安全 性和循环稳定性。而固态电解质具有良好的机械性能，能够有效抑制锂枝晶的形成，兼容锂金属 负极，可实现能量密度的跃升。

3）Pack 设计简化，系统重量减轻。固态电解质集电解液与隔膜功能于一身，若叠加锂金属负极 的使用，将大幅缩短极片之间的距离；单体电芯间可以串联叠加、致密堆积以实现升压效果，从 而提高制造效率，减小封装尺寸，提升体积能量密度。此外，由于固态电解质出色的耐热性，固 态电池对系统热管理的需求减少，进一步减轻系统重量。

2.挑战：生产成本尚高，技术难点犹存

固-固界面问题是产业化痛难点，影响倍率与循环性能。电解质的功能在于为锂离子在正负极之间 传输搭建通道，决定锂离子运输顺畅情况的指标被称为离子电导率。在电极与电解质界面上，传 统液态电解质与正、负极的接触方式为液-固接触，界面润湿性良好，界面之间不会产生大的电阻， 而固态电解质与正负极之间以固-固界面接触，接触面积小，紧密性较差，离子电导率通常比液态 电解质低两个数量级。这一特性导致了电池的快充性能受限。由于固-固界面是刚性接触，对电极 材料体积变化更为敏感，充放电过程中应力堆积也会导致电化学性能衰减，影响电池的循环稳定 性。如何兼顾电导率、减少副反应、降低阻抗仍是目前产业仍在攻克的方向。

产业链尚不成熟，成本高昂。固态电池体系通常选用高性能正负极材料，材料本身尚未真正实现 规模化商用，价格高于传统电极材料；而核心材料固态电解质技术路线尚不明确，生产过程更为 复杂，部分涉及高价稀有金属，原材料成本即远高于液态电池。在制造方面，量产工艺开发更滞 后于材料体系，部分电解质体系对于生产环境要求严苛，进一步抬高制造成本。

3.半固态电池：率先商业化的过渡方案

半固态电池落地能见度高，国内企业布局领先。固态电池的商业化应用之路面临技术与成本两大 阻碍，行业普遍认为其产业化时间节点在2030年左右。而半固态电池仍保留隔膜与部分电解液， 材料体系较液态电池变化较小，工艺设备与液态电池的重合度较高，可继承现有的成熟产业链， 有望率先实现产业化落地。因此，国内较多企业选择半固态电池作为过渡阶段产品，积极进行研 发与产能布局，代表企业包括卫蓝新能源、清陶能源、赣锋锂业、辉能科技等。目前经过装车验 证的半固态电池能量密度最高可达 368 Wh/kg，相较于成熟高镍三元电池提升 40%左右。据我们 统计，截至 2023 年底，国内公开发布的半固态电池产能规划合计已达 240GWh。

半固态装车元年已至，产业化进程加快。2021 年 1 月 9 日，蔚来在 NIO Day 上发布 150kWh 半 固态电池包，自此半固态车规级电池进展捷报频传。在车企和电池厂的合力推动下，半固态电池 自 2022 年起逐步实现量产与装车交付，如蔚来的半固态电池供应商卫蓝新能源，分别在 2022 年 年 11 月和 2023 年 6 月实现电池包下线与装车交付。动力电池联盟发布的数据显示，2023 年，卫 蓝新能源、赣锋锂电等企业的固液混合态电池实现批量装车，装车量约 0.8GWh，其中卫蓝新能 源11月、12月装车量分别为0.41GWh和0.35GWh，标志着半固态电池的产业化进程大幅提速。

半固态电池或带来高镍三元、硅基负极的增量与隔膜附加值的提升。相比液态电池，半固态电池 减少液态电解质的用量，增加氧化物和聚合物的复合电解质，其中氧化物主要以隔膜涂覆和正负 极包覆形式添加，聚合物以框架网络形式填充。正负极有向高性能材料迭代的趋势，因此高镍三 元、硅基负极需求均有望增长。当升科技先后获卫蓝新能源和清陶能源 2.5 万吨、3 万吨固态锂电 正极材料订单，据公司披露为超高镍三元材料；容百科技同为卫蓝新能源正极材料供应商，其配 套半固态电池装车 ET7 的产品为 Ni90 高镍三元。据卫蓝湖州项目环评，负极采用硅基材料掺杂 石墨的方案。隔膜仍保留并涂覆固态电解质涂层，锂盐从 LiPF6 升级为 LITFSI，将分别带来隔膜 与电解液锂盐的价值量提升。恩捷股份与北京卫蓝、天目先导成立了专注半固态电池隔膜研发、 生产的企业江苏三合，已经实现了对卫蓝新能源的量产供货。