固态电池优势、技术路径及商业化进程如何？

高安全、高能量密度的固态电池为锂电池发展必由之路。

1.优势显著，固态电池或将成锂电技术终局

全球电动化快速发展，锂离 子电池凭借高能量密度、长循环寿命等优势成为消费电子、新能源汽车、储能等诸多下游 行业主要供能载体，支撑全球电动化进程。但随着新能源汽车渗透率持续提升，由于电池 热失控导致的新能源车安全事故成为新能源车行业面临的一大挑战；此外，随着液态锂电 池技术愈发成熟，其能量密度提升愈发困难，限制新能源车续航提升，里程焦虑成为限制 新能源车渗透率进一步提升另一大瓶颈。全固态电池使用固体电解质替代易燃易爆的电解 液，实现电池本征安全，同时可以应用更高比容量的正负极材料，打开锂电池能量密度天 花板，成为全面提升锂电池性能的必然选择。

液态电池为目前全球锂电池主流技术，工艺及供应链成熟，成本低，但电池本征安全 问题及能量密度限制其进一步发展。半固态电池安全性及能量密度较液态电池有所提升， 且产线与液态电池可以较好的兼容，成为液态与固态电池之间的过渡方案；固态电池可以 解决电池本征安全问题，并可大幅提升锂电池能量密度，此外具有更好的宽温性能，是锂 电池发展终局之选，但目前仍有制造成本高、固固界面导电性差等问题，限制其大规模商 业化应用。

固态电池核心优势之一为其具有高安全性，主要由于其以热稳定性强、不易燃的固态 电解质，替代易燃的液态电解液，大幅降低电池自燃、爆炸风险。此外，固态电解质具有 更高的机械强度，能更好地抵抗电池内部的机械应力，防止锂枝晶穿透隔膜导致短路。同 时，其化学稳定性强，不易与电极材料发生反应，进一步增加电池稳定性。因此，机械滥 用、电滥用、热滥用三大锂电池热失控主要成因，在固态电池的应用下均得到良好的解决， 固态电池安全性较液态电池大幅提升。

固态电池另一大核心优势为能量密度大幅提升。其提升能量密度主要通过：1）以固态 电解质替代液态电解质与隔膜，减少电池内部非活性材料，增加有效储能空间；2）固态电 解质不易燃，不挥发，也不易引起电池内部短路，使电池可以承受更高电压，使用更广泛 的电极材料，如金属锂负极、富锂锰基等，同时提升正负极材料比容量及电压平台，进而提升能量密度；3）结构优化，由于没有液态电解质，固态电池结构设计可以更紧凑，减少 电池组件之间的空间，从而提高体积能量密度。

除高安全性及能量密度，固态电池具有更好的低温性能。液态电池在低温下，由于电 解液粘度增加，锂离子电导率降低，电池内阻上升，容量损失较大，甚至可能因电解液凝 固导致电池无法正常工作。固态电池由于使用固态电解质，避免了液态电解质的这些问题， 根据《Tailoring polymer electrolyte ionic conductivity for production of lowtemperature operating quasi-all-solid-state lithium metal batteries》，聚合物固 态电池在-20℃的表现远优于液态电池，且在-50℃条件下仍能正常工作。

纵使固态电池具有高安全、高能量密度、优秀的低温性能等一系列优势，其产业化进 程仍存一定阻碍，一方面由于生产工艺复杂、成本高，另一方面由于固态电池仍然存在科 学问题，根据《全固态电池的研究进展与挑战》，固态电解质离子输运机制、锂金属负极 枝晶生长机制、多场耦合体系失控/失效机制为固态电池三大核心科学问题，先进表征技术、 原理机制创新、新型材料创制成为固态电池进一步发展重要途径。

2、 多技术路径并存，终局路径尚未明晰

根据不同的电解质类型，固态电池主要包括聚合物、氧化物、硫化物三种技术路线。 其中聚合物固态电池具有良好的机械性能，但常温下离子电导率较低；氧化物固态电池离 子电导率较高，热稳定性好，适合大规模生产，但界面接触差，为目前半固态电池主要技 术路线；硫化物电解质离子电导率最高，电化学窗口宽，柔度和可塑性好，或最终为全固 态电池主要路径，但其生产要求高，且硫化锂前驱体昂贵，短时制约其商业化。

氧化物电解质主要包括石榴石型、钙钛矿型、NASICON、LISICON 等，其中 LLZO 为代表 的石榴石型氧化物固态电解质与锂负极接触稳定性高，同时拥有较宽的电化学窗口，但空 气中不稳定，界面相容性较差；NASICON 型固态电解质对空气环境稳定性更高，但在固态电 池循环中 Ti4+与锂金属负极接触易被还原，导致对锂金属电化学稳定性较差。目前石榴石型 电解质为氧化物半固态电池主流选择。

硫化物固态电解质中的 S 2-半径比氧化物固态电解质中的 O 2-大，且极化用强，用硫元素 代替氧元素，可以增加电解质内部的晶胞体积、扩大 Li+的传输路径，提高离子电导率，但 硫化物固态电解质对生产环境要求极高，导致了工艺成本升高。 硫化物固态电解质主要包括玻璃、玻璃陶瓷、Thio-LISICON 型、LGPS 型和硫银锗矿型。 玻璃态硫化物电解质是最早被研究的快离子导体之一，由于玻璃态电解质没有晶粒，有效 消除了晶界阻抗，使玻璃态硫化物电解质比相同组分的晶态硫化物电解质离子电导率高 1-2 个数量级，且玻璃态硫化物电解质合成工艺与当前多种技术兼容，有扩展到商业应用的潜 力；玻璃陶瓷相是通过对玻璃态硫化物电解质进行高温析晶而得，析出的微晶超离子导锂 晶相可以通过非晶态玻璃基体连接而形成连续的传导网络，是玻璃陶瓷具有较强的离子传 导能力；Thio-LISICON 型材料具有较好的电化学稳定性，但离子电导率较低，在固态电池 中的应用受到限制；LGPS 型硫化物电解质离子电导率高，但其中的 Ge 元素成本高且对锂金 属不稳定，Sn、Si、Al 等元素对 Ge 的替代可有效降低成本，并进一步提升离子电导率；硫 银锗矿型电解质在高温下具有高离子电导率，但热稳定性较差。

聚合物固态电解质具有良好的柔性和可加工性，适用于可穿戴设备等应用的固态电池。 但其室温离子电导率低，导致电池倍率性能及功率密度均较低。此外，由于锂盐对适度敏 感，合成过程须在干燥条件下进行，其生产成本有一定增加。另一方面，聚合物热稳定性较差，使其对电池工作温度的变化范围有较严格的要求。部分聚合物固态电解质机械强度 较低，因此当使用锂金属负极时，难以阻止锂枝晶生长。由于以上问题，聚合物固态电解 质在固态电池中的应用受到限制。

目前海外主要企业如 Solid Power、丰田、三星 SDI 等均选择硫化物路线作为固态电池 技术方向，并以研发全固态电池为主；国内企业如卫蓝、清陶等均选择氧化物路线，并先 行研制、生产半固态电池。虽各企业技术路径选择具一定差异，但从现有趋势来看，氧化 物与半固态、硫化物与全固态成为主流搭配，硫化物或成为全固态电池终局技术路径。

3、 海内外企业共同推进，产业化进程加速

全球企业共同推动固态电池商业化进程，各企业规划固态电池量产时间点普遍在 2027- 2030 年。全球固态电池势力主要包括中国传统电池厂、中国新势力企业、韩国传统电池厂、 日本主机厂、美国新势力企业等。其中日本对固态电池布局时间早、布局力度大，日本政 府推出《日本蓄电池产业战略》，举国家之力推动固态电池产业化，试图在固态电池领域 弯道超车，目前丰田具有全球最多的固态电池专利；韩国主要由三星 SDI、LG 等龙头电池 企业布局固态电池；美国固态电池布局以 Solid Power、Quantum Scape 等初创企业为主， 其与欧洲龙头主机厂大众、宝马等深度合作；中国则由传统电池厂、固态电池新势力厂商 共同推进。

车企端来看，由于国内企业采用半固态电池作为过渡方案，东风 E70、东风岚图、蔚来、赛力斯、上汽智己等已实现半固态电池量产上车；海外企业多采用全固态电池路线，其中 宝马与 Solid Power 合作，预计 2025 年推出固态电池原型车，2030 年量产固态电池车型； 大众与 QS 合作，预计 2025 年建立固态电池量产线；奔驰与辉能、Factorial Energy 等合 作，计划 2028 年批量生产固态电池；丰田计划 2025 年推出全固态电池混动汽车，2030 年 推出全固态电池纯电汽车。

海外电池企业来看，美国 Solid Power 及 QS、日本丰田固态电池进展较快。其中 Solid Power 2022 年完成硫化物全固态电池试生产线安装，周电池产能达 300 个，并于 2023 年 11 月向宝马交付第一批 A 样产品，固态电池正式进入装车验证阶段，其计划 2024 年完成 B 样和 C 样开发，2025 年完成 D 样开发并进入 SOP 阶段。产品方面，Solid Power 计划 2024 年测试锂金属负极+八系三元正极固态电池产品，能量密度可达 440Wh/kg，并计 划 2026 年量产锂金属负极+下一代正极固态电池产品，能量密度预计将达 560Wh/kg。

QS 固态电池主要与大众合作，2024 年初，大众 PowerCo 证实 QS 固态电池充放电 1000 次后仍可保持 95%容量，意味着固态电池产业在循环方面取得重大进展。QS 计划 2024 年首 次小批量试产 B 样固态电池产品，并于 2025 年底开始批量化生产固态电池。

丰田是全球最早布局固态电池的车企之一，其与石化巨头出光合作研发固态电解质， 共同解决质量与成本问题，出光 2001 年便开始固态电池基础研究工作，丰田则 2006 年开 始研发固态电池，相关专利数量超过 1000 件。根据丰田规划，第一代全固态电池将于 2027-2028 年问世，续航里程将达 621 英里（993 公里）以上，预计可以 10 分钟内将电池 电量由 10%充电至 80%；第二代固态电池预计续航将达到 745 英里（1192 公里）。

中国布局固态电池的企业包括宁德时代为代表的电池厂、卫蓝为代表的新势力、金龙 羽为代表的其他行业转型、赣锋锂业为代表的上游企业一体化布局。宁德时代 2023 年 4 月 发布凝聚态电池，能量密度达 500Wh/kg，可用于电动载人飞机；孚能科技第一代半固态电 池能量密度达 330Wh/kg，已在东风岚图量产装车；卫蓝半固态电池能量密度达 360Wh/kg， 已批量交付蔚来 150kWh 车型。根据中国汽车动力电池产业创新联盟，2024 年前 4 月国内半 固态电池装车量达 1.1GWh，主要由上述三家企业贡献。其他企业中，清陶能源半固态电池 已在上汽智己上车，2025 年有望装车上汽飞凡、MG、荣威等；赣锋锂业 2023 年上车赛力斯 SERES-5，12 月与长城汽车达成合作协议，并预计 2026 年上车广汽；辉能科技与奔驰、 Vinfast 等合作进行固态电池研发。整体来看，国内企业半固态电池企业与主机厂合作顺利， 正有序上车，产业化进程提速。