固态电池优势、技术、产能及市场空间如何？

理想的电池形态。

1. 传统液态电池体系成熟，但难以出现大幅性能突破

锂离子电池已经得到广泛应用，体系成熟：锂离子电池是一种在储能领域、动力电 池及便携式电子设备中均得到广泛应用的一种储能器件，具有开路电压高、能量密度大、 使用寿命长、无记忆效应、无污染及自放电小等优点，是目前综合性能最好的电池产品， 也是可适用范围最广的电池产品。锂离子电池体系成熟，由正极、负极、电解液、隔膜 等部分组成，其工作原理为：锂离子电池在充放电过程中，锂离子在正负极之间嵌入和 脱出，同时伴随着电子在外电路中进行移动而形成外部电路的电流。充电时，电池正极 生成锂离子，经过电解液移动到负极并嵌入到负极碳层的微孔中。放电时，嵌在负极的 锂离子经过电解液移动回到正极。

传统液态锂离子电池无法同时满足安全和更高能量密度的要求：电动汽车和储能等 领域对电池的需求日益增长，这对电池能量密度和安全性能也提出了越来越高的要求。 根据工信部 2020 年制定的《节能与新能源汽车技术路线图 2.0》，单体电芯比能量要在 2025 年达到 400Wh/kg，2030 年达到 500Wh/kg。尽管目前电池的研究和工业化已经取得 了阶段性的成功，但是锂电池的能量密度仍不满足需求；目前行业内通常采用高镍正极 和掺硅负极的搭配来提升能量密度。然而，一方面高镍体系会带来安全性能的降低，另 一方面即使采用高镍体系，传统的液态锂离子电池体系也难以满足 400Wh/kg 的单体电芯 能量密度需求。此外从安全性能的角度来看，常规的液态有机电解质具有易燃、易泄漏 等缺点，容易引发起火、爆炸等安全问题。

 固态电池具有技术颠覆的性能潜力

锂金属负极是打破能量密度瓶颈的关键：提高电池系统的能量密度可以通过提升成 组效率和电芯单体能量密度来实现，宁德时代的 CTP 方案和比亚迪的刀片电池方案即通 过提升成组效率来提升能量密度，而提高电池单体能量密度极具前景的策略之一就是使 用质量更轻的锂金属（相对原子质量为 6.941，密度为 0.534g/cm-3）作为负极材料。锂金 属作为负极材料具有高达 3860mAh/g 的理论比容量，是石墨负极的 10 倍，同时还具有最 低的电极电势（-3.04V vs．Li/Li+），是下一代可充电电池最有前景的电极材料。然而， 极度活跃的锂金属化学稳定性差，且在循环过程中锂金属不均匀沉积和剥离可能形成锂 枝晶，进一步刺穿隔膜从而造成电池内短路引发安全问题。

使用固态电解质才能从根本上解决安全问题及提升对锂金属的兼容性：使用液态电 解液的锂离子电池，不可避免地存在热失控问题，这也是近年来大多数纯电动汽车发生 严重自燃、爆炸事故的罪魁祸首。一方面，目前商用锂离子电池使用的电解液一般由有 机碳酸酯类有机溶剂与锂盐组成，这些有机溶剂包括碳酸丙烯酯(PC)、碳酸二甲酯(DMC)、 碳酸二乙酯(DEC)和碳酸乙烯酯(EC)等，在使用时均存在氧化分解、挥发和泄漏的风险; 另一方面，若采用锂金属负极，活泼的锂金属在循环过程中容易与电解液发生副反应， 持续消耗电解液和电极材料，在电池容量下降的同时诱生锂枝晶，进而造成严重的安全 问题。目前电池单体的热失控难以杜绝，而电池系统级别的防止热扩散设计也仅能防止 单体电芯热失控蔓延。如果要从根本杜绝安全问题，则要用新的材料替代当前的液态有 机电解液，而使用不可燃且坚固的固态电解质来代替有机液态电解液不仅可以消除燃烧 爆炸的风险，同时也可以大幅提升对锂金属的兼容性和电池的能量密度。 固态电池兼顾能量密度和安全性，具有技术颠覆的潜力：从兼顾高能量密度和本征 安全性两方面出发，以锂金属作为负极，使用稳定、不易燃烧的固态电解质的全固态锂 离子电池将成为未来最有技术颠覆潜力的电池。双极堆叠的可能性、锂金属负极的使用 能保证其具备大幅领先的能量密度，固态电解质则能够保证优秀的安全性能。

2. 固态电池技术成为热门概念，多元化发展

技术飞速发展，政策催化固态电池产业化：过去二十年中锂固态电解质和固态锂电 池相关研究的进展可以大致分为三个阶段。从 2000 年到 2010 年，年度文章发表和专利 申请数量保持在较低水平。从 2011 年到 2015 年，文献数量的稳步增长表明该领域的逐 渐发展。2015 年之后，文章和专利的数量实现了爆炸性增长，并且今天仍在迅速增加。 显然，固态锂电池技术已成为学术界和工业界的热门概念，并受到全球科学家和工程师 的广泛关注。

中国专利领先：在文章发表数量和比例方面，中国、美国、日本、德国和韩国排名 前五，分别占 35.5%、16.1%、10.2%、7.5%和 6.3%。显然，在文章发表方面，中国目前 在固态锂电池领域处于领先地位。此外，专利申请数量和比例显示，中国（39.5%）、日 本（21.4%）、美国（14.8%）、韩国（5.7%）和德国（2.6%）排名前五。

中日韩欧美技术领先：中国、日韩、欧洲和美国在固态电池技术方面具有较强的研 发能力和自主创新能力，并且现在是该领域的主要研发国家，除了各国当前在科研方面 取得的显著进展以外，固态电池产业发展迅速也与相关政策和计划有着深刻的关系。

各国技术路线各异：在技术方向上，日韩起步最早并选择了硫化物固态电解质路线； 欧美选择氧化物固态电解质路线居多，且均在直接开发锂金属负极应用；中国三种固态 电解质路线均有布局，在开发全固态电池的同时也在大力发展对现有产业更友好的半固 态电池。

半固态已经量产装车，全固态 2027 年有望开始量产装车

半固态电池已经量产装车：2022 年以来，固态电池的研发和产业化取得了明显的进 展，尤其是伴随着以卫蓝新能源和赣锋锂电等为代表的中国企业的半固态电池的量产装 车，标志着半固态电池在 2023 年实现了经济学意义上的产业化。 全固态 2027 年有望实现量产装车：尽管许多公司声称已经实现了性能非常好的固态 电池制样和测试，但到目前为止，全固态电池仍处于实验室研究和开发阶段。综合工信 部针对固态电池的专项计划和目前业内专家学者的观点，我们预计固态电池的大规模生 产和装车应用将在 2027 年左右开始到来。

3.市场空间：预计 2030 年出货超 600GWh，市场超 2500 亿元

半固态率先产业化，预计 2030 年市场规模超 2500 亿元：2022 年以来，固态电池的 研究和产业化已经取得了较为明显的进展，尤其是清陶、卫蓝固态电池企业的半固态电 池交付车企并实现装车。基于目前的现状，预计到 2030 年全球固态电池的出货量将达到 614.1GWh，在整体锂电池中的渗透率预计在 10%左右，其市场规模将超过 2500 亿元， 主要出货电池仍然是半固态电池。

预计 2030 年固态电解质需求超 6 万吨，市场规模超 60 亿元：作为固态电池最重要 的组成部分，固态电解质的需求也将随着固态电池需求增长而增长。若按照平均每 GWh 需求固态电解质量为 100 吨来计算，预计 2030 年固态电解质的需求将超 6 万吨，市场规 模超过 60 亿元（以价格 10 万元/吨进行计算）。