2024年固态电池行业专题报告：eVTOL商业化临近，固态电池迎来新机遇

固态电池能量密度高、安全性能显著

固态电池使用固态电解质替代电解液和隔膜

突破能量密度上限和解决安全隐患，固态电池成为下一代锂电池重要技术路线。传统锂离子电池采用液态电解质，容易引发安全隐患，同时能量密度的瓶颈为350Wh/kg，无法满足行业更高要求。为解决安全隐患并提高能量密度上限，全球范围内的科学家都在积极研发固态锂离子电池。

固态电池是一种使用固态电解质的电池，用固态电解质替代了传统锂电池的电解液和隔膜。固态电池在高能量密度、高安全性等方面优势明显，其理论能量密度上限为500+Wh/kg。固态电池的正极可沿用磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、三元等，有望以高镍多元、富锂锰基材料为主；负极的发展初期以硅系负极材料为主，再过渡到纳米硅碳负极，最后发展到锂金属负极材料；包装材料一般采用铝塑膜。

高安全性与高能量密度兼备，固态/半固态电池前景坚定

液态电池：液态电池的主要材料是正负极、隔膜和电解液。半固态电池：半固态锂电池是固液混合电解质电池，是液态到固态电池的过渡产物，可以被目前的液态电池生产线兼容，通常液体含量10%为半固态与液态划分临界点，仍旧需要隔膜。 固态电池：全固态电池的电解质采用全固体材料，不需要隔膜。其固态电解质能够匹配电容量更大的正负极材料，实现更高的电池能量密度。而且固态电池安全性突出，可以抵抗热失控和穿刺等挤压力。

固态电池优势一：能量密度提升（内部串联）

电芯内部串联能有效提升固态电池电压，提高体积能量密度。传统锂电池承载电压超过5V后会出现易分解甚至爆炸的情况，因此只能外部串联。固态锂陶瓷电池能在电池内部形成串联，使单颗电池芯的额定电压从7.4V，最大串联叠加至60V，在单体电池电压上远高于传统动力电池，且不需要焊接集流体，体积能量密度有望进一步提升。

固态电池优势二：安全性优势显著

相比液态电池，固态电池具有较高的化学和热稳定性，能够有效抑制锂电池中发生热失控或燃烧的风险，电池在被刺破时仍可安全运行，不会泄漏或爆炸。根据丰田研发实验室的报告，通过对比研究NCA/NCM锂电池和铌掺杂锂镧锆氧（LLZNO）全固态电池的产热特性，丰田发现全固态电池产热量只有传统锂电池的25-30%，因此具有显著的安全性优势。考虑其放热量依然存在，还需进一步降低放热量，以实现真正意义的“安全”。

固态电池优势三：固态电池低温性能出色

固态电解质(SEs)在宽温度范围内保持固态，不完全丧失离子传导功能，是其潜在优势之一。近期，智己汽车宣布，全球首款搭载“超快充固态电池”智己L6将于5月正式上市，该电池由上汽集团与清陶能源联合研发制造，可实现1000km以上超长续航，且低温性能出色。液态电池的电解液在低温下粘度大幅增加，锂离子迁移速度显著降低，因此冬季性能较差。相比之下，固态电解质在低温下电导率也会降低，但受温度影响幅度较小，即使在-30℃环境下，放电容量保持率也能达到90%以上，低温续航更好。 非晶态SE是实现致密固态电解质隔膜的希望材料，使用这种SE的固态电池在-10℃下仍然可以展示出长循环寿命。

固态电池技术路线及生产工艺

固态电池有聚合物、氧化物、硫化物三种技术路线

根据固态电解质的不同，目前固态电池有聚合物、氧化物、硫化物三种技术路线。  聚合物：聚合物固态电解质以欧美企业技术最为成熟，商业化难度较小，未来有望率先实现大规模量产，但是其电导率低、能量密度低。 氧化物：氧化物固态电解质综合性能好。 硫化物：硫化物固态电解质的电导率最高，延展性更好，潜力最大。但是其机械性能差，生产工艺复杂，且硫化物固态电解质中的硫元素具有一定的活性，如何保持高稳定性是一大难题。

聚合物固态电解质

聚合物固态电解质，由聚合物基体（如聚酯、聚醚和聚胺等）和锂盐（如 LiClO4、LiAsF6、LiPF6等）构成。聚合物固态电解质的主要优点有柔韧性高以及可加工性高，因此已经具备低成本规模生产的可能。然而聚合物电解质室温下离子电导率低，仅为10 −8~10 −6S/cm，需加热至60℃以上才可达到10 −4S/cm。围绕聚合物的研究多集中在通过化学修饰或复合材料的方法来提高其电导率和热稳定性。

氧化物固态电解质

氧化物固态电解质的离子电导率一般在10 −6~10 −3 S/cm之间，致密的形貌使其具有更高的机械强度，在空气中稳定性好，耐受高电压。而刚性过强、易碎，固-固界面相容性差，是其面临的主要挑战。

氧化物固态电解质按照形态可分为晶态和非晶态。晶态氧化物电解质空气和热稳定性较高，因此容易实现大规模生产，其中，钙钛矿型（LLTO）拥有最高的晶体电导率，对锂金属较为稳定，尽管烧结温度高带来更高成本，但业内普遍认为，从长期来看LLTO应用潜力相对较大。而非晶态固态电解质主要是 LiPON 型固态电解质，离子电导率低，是目前唯一实现商业化应用的氧化物电解质材料，多家国外企业已率先实现全固态薄膜锂电池在无线传感器、射频识别标签、智能卡、消费类电子等低容量需求电子设备上的应用。

硫化物固态电解质

硫化物固态电解质因其超高离子电导率（10 −3~10 −2 S/cm）、低加工温度和低 刚性而备受关注。其主要缺点为热力学稳定性较差，易与空气中的水分反应生 成H2S气体，从而破坏电解质，因此开发难度较大，对生产环境要求严苛。

硫化物固态电解质按照组成可分为两类，一类是二元硫化物电解质由Li2S和 P2S5组成；一类是三元硫化物固态电解质由Li2S、P2S5和MS2（M=Si、Ge、Sn） 组成。锂硫银锗矿电解质，尤其Li6PS5X（X=Cl、Br、I）类电解质，因同时具 备较高的室温锂离子电导率、在硫化物电解质中相对较低的成本和较高的稳定 性和电极兼容性，是当前最具应用前景的无机固态电解质之一。

半固态电池生产设备与传统电池兼容，且仍使用隔膜

半固态生产工艺：半固态电池可兼容传统锂电池生产工艺，生产设备基本上可以与锂电兼容，只需新增加一条专产半固态隔膜的生产线，生产设备与液态电池隔膜的设备兼容。

半固态电池要求隔膜的孔径更大、强度更高，并采用湿法+涂覆的工艺。对比传统电池，半固态电池的隔膜无明显工艺改变，调整参数即可，不过因为半固态电池需要提升离子导电率，所以要求隔膜的孔径更大、强度更高，因此需要采用湿法拉伸+涂覆的工艺。另外，单位半固态电池对隔膜的需求量没有变化。

固态电池制造核心：固态电解质的成膜工艺

固态电解质的成膜工艺是全固态电池制造的核心。不同工艺会影响固态电解质膜的厚度和离子电导率，膜过厚会降低电池的质量和体积能量密度，过薄则会导致机械性能变差。成膜工艺主要包括湿法工艺、干法工艺和气相沉积工艺，其中干法工艺是未来电极工艺的迭代方向，也将会是全固态电池的主要使用工艺。

eVtol助力固态电池产业化

固态电池产业链

固态电池产业链上 游为基础材料及设 备，包括原材料矿 产、电芯材料和生 产设备；中游为电 池包加工制备，包 括电池封装、电池 管理系统等；下游 为应用领域，包括 新能源汽车、消费 电子、储能、eVTOL 等。

政策推动，eVTOL加速发展

作为国家五年规划中重要子领域，低空经济涉及 的装备制造和服务业备受重视。2021年2月25日党 中央、国务院出台《国家综合立体交通网规划纲 要》， “低空经济”概念首次写入国家规划，成 为“十四五”时期谋划的新兴经济形态。近两年， 交通部、科技部、工信部等中央部委相关部署已 经将产业政策细化到无人机、飞行汽车等具体领 域，推动相关行业的商业化、规模化应用。同时， 除国家级的政策法规推动外，有条件的地方政府 也在加速布局无人驾驶垂直起降航空器产业的发 展。 2024年“低空经济”首次被写入政府工作报告， 带动电动垂直起降飞行器（eVTOL）引起广泛关注。

eVTOL主要构型与应用场景

基于对外公开的eVTOL项目统计，目前在研的载人eVTOL项目主要面向城市通勤市场，基于货物运输需求的项目占比较低。按照推进动力方式，eVTOL可分为多旋翼型、升力与巡航复合型、倾转旋翼/机翼型和倾转涵道型四大类。其中后两类因飞行器可通过改变螺旋桨/机翼/涵道方向实现飞行器的起降和巡航，又称为矢量推进型。

据美国垂直飞行协会（VFS）发布的最新统计，全球超过700个eVTOL设计研发项目，其中235个倾转构型布局，124个复合翼构型布局，195个多旋翼构型布局，103个为悬停自行车和个人飞行器，47个电动旋翼机设计，涉及全球48个国家的347家公司或创新机构。

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编辑：火腿肠