2024年固态电池专题报告：硫化物固态电池产业化提速

1. 全固态电池产业化进程加速

1.1全固态电池迎来积极催化

全固态电池技术由于其在安全性与能量密度方面的显著优势，已成为目前锂电 行业重要发展方向。相较于传统液态电池，全固态电池具有以下优势：（1）能量密 度上限高，最大程度实现电车超长续航问题；（2）电化学反应速度更快，在高电流 快充时能保持低温运行且不影响电池寿命，充电速度更快；（3）使用固态电解质没 有液体泄露风险，且材料本身更稳定，因此安全性更高且使用寿命更长。全固态电池 在新能源车领域具有极大应用潜力。

全固态作为解决高能量密度的终极方案，产业化进程加速。10 月 24 日，北京纯 锂新能源科技公司推出纯锂 50Ah 全固态电池，国内首条全固态量产线投产；10 月 26 日，江西于都 500MWh 全固态电池量产线正式投产，该基地实现了硫化物固态电解质 的公斤级制备，并已完成中试基地二期项目，产能达 300MWh/年；11 月 5 日，华为公 布硫化物固态电解质新专利申请《掺杂硫化物材料及其制备方法、锂离子电池》。

相关车企近期公告全固态电池装车计划。11 月 7 日，太蓝新能源&长安汽车召开 新型固态电池发布会，长安宣布全固态电池 2027 年装车测试；11 月 8 日，广汽宣布 全固态电池计划 2026 年装车搭载，该电池能量密度达 400Wh/kg 以上，并将体积能 量密度提升 52%以上，质量能量密度提了 50%以上，实现超 1000 公里的续航能力。

随着新能源汽车高速发展，全球固态电池出货量有望持续增长。2023 年全球固 态电池出货量为 1GWh，据中商产业研究院，预计 2024 年固态电池出货量将达 3.3GWh， 到 2030 年出货量将增至 614.1GWh，市场空间达 200 亿元，固态电池逐步替代现有锂 电池的空间广阔。此外，在消费电子、航空等领域，下游市场对价格敏感度较低，能 接受较高技术溢价，有望加快提升固态电池渗透率；在低空经济领域，如 eVTOL 等新 产品对锂电池能量密度的要求提升，也为全固态电池打开了新的需求空间。据固态锂 电池技术发展白皮书，预计到 2030 年固态电池渗透率将达 20%，其中全固态渗透率达 10%。

1.2硫化物全固态电池被视为重点研发路线

全球均积极布局固态电池赛道。当前，固态电池技术正处于从实验室研究向工业 化生产过渡的关键阶段，各国企业均在研发上取得不断突破。QuantumScape 已向客 户交付 24 层原型固态电池第一批 A 样，2024 年 1 月样品电池通过了大众集团子公司 50 万公里耐久性测试；Solid Power 已于 2023 年生产出 A 样品，并交付给宝马进行 测试，计划 2024 年进入 A-2 样品阶段；丰田完成了固态电池研发，计划在 2027-2028 年实现全固态电池在电动汽车上的商业化应用；日产计划 2024 年建设一条用于量产 全固态电池的生产线，2028 年将其推向市场；本田计划 2025 年后在新车型上使用全 固态电池；三星 SDI 计划在 2027 年量产全固态电池。LG 计划 2030 年实现硫化物全 固态电池商业化。 全固态是下一代电池技术发展主要路径。半固态电池体系与液态电池生产工艺 流程有非常大的互通性，主要采用半固态电解质替换液态电解质，保留隔膜，优点在 于提升电池的安全性以及续航能力。而全固态电池对于锂电材料、制作工艺、封装方 式的要求更高，但可大幅提升电池性能以及安全性，有效缩短电动汽车充电时间、大 幅增加行驶里程，将成为未来主流应用技术。

全固态电池基于电解质体系的不同可分为聚合物全固态电池、氧化物全固态电 池、硫化物全固态电池以及卤化物全固态电池。氧化物电解质电化学窗口范围较大， 但界面接触较差、离子电导率较低；聚合物电解质界面接触较好，成本低易加工，但 离子电导率及电化学窗口窄；硫化物电解质的离子电导率较高，但空气稳定性较差； 卤化物电解质电化学窗口范围较大，界面接触较好，但力学性能较差且成本较高。

硫化物因其高离子电导率、低杨氏模量特性被多数企业视为重点研发路线。在 无机含量为主的路线中，以硫化物为主的路线是以高无机含量为主流的选择，因为其 在性能上相对较好。目前硫化物线主要面临两大挑战：一是硫化物材料本身成本高， 二是电化学稳定性较差及对空气敏感。

2. 硫化物固态电池未来可期

2.1不同硫化物固态电解质均具备差异化竞争力

硫化物因其优异的离子电导率已成为固态电解质中的佼佼者。硫化物固体电解 质是一种无机固体电解质，主要由硫、氧、氢等元素组成。与氧离子相比，硫离子的 电负性更低，对锂离子的束缚更小。同时硫离子半径大，使晶体结构中锂离子的传输 通道更宽，有利于锂离子的移动，因此硫化物固态电解质具有高离子电导率特性。 2011 年 Kanno 成功研发了 Li10GeP2S12(LGPS)硫化物固态电解质，其离子电导率高达1.2×10-2 S/cm-1 ,为固态电池带来了革命性突破，之后 Kato 丰富了硫银锗矿型硫化物 电解质的材料体系，Nazar 证明了通过成分优化与结构设计能有效提升硫化物电解质 的离子传输能力。2023 年东京工业大学合成了一种单相固态电解质，离子电导率可 达 3.2×10-2 S/cm-1。

按照结晶形态，硫化物固态电解质可分为玻璃态、玻璃陶瓷态和晶态 3 种。玻 璃态硫化物电解质的优势在于材料中没有晶体通道，传导路径是各向同性的,同时, 材料中缺乏晶粒且有结晶度，可消除晶界电阻，高能球磨法、熔融法和阴离子掺杂法 可有效提高硫化物玻璃态电解质离子电导率；玻璃陶瓷态硫化物电解质离子电导率 的高低与退火温度有关，一般离子电导率相对较低，玻璃陶瓷态硫化物通过高温析晶 处理可转换为富硫超离子导体（晶态硫化物 Thio-LISICON）；晶态硫化物电解质主 要分为 LGPS 电解质、硫银锗矿（Argyrodite 型）电解质。

LGPS 电解质、硫银锗矿（Argyrodite 型）电解质均具有差异化竞争力。非晶态 电解质离子电导率相对较低。Thio-LISICON （LGPS(LISICON）)是较为典型的一类晶 态硫化物电解质，由东京工业大学 KANNO 教授最先发现。LGPS 综合性能最好，但原 材料成本高，预计未来聚焦中高端产品路线；LPSCl 具备成本优势，但在空气中不稳 定，预计未来主打低端产品路线。

硫化物固态电解质的常见制备方法主要有高温淬冷法、高能球磨法、液相法以 及气相合成法。为了确保制备过程中材料的稳定性，整个制备流程均需在惰性气体环 境中进行保护。高能球磨法具有制备时间短、操作简单、易控制和适合大规模制备等 优点,且整个过程是在室温下进行,较安全，目前作为核心制备工艺被业界所认可。液 相法通过在液体中制备固体电解质,可以缩短反应时间,制得的材料均一性也更好。 液相法是一种形成紧密电极-电解质界面的简单方法，此方法容易一次性制备电解质, 因此具有较好的应用前景，天赐材料主要采用液相法进行全固态电解质的制备。

2.2国内外企业加速布局硫化物路线

中国在固态电解质申请专利数量上占据领先地位。据 incoPat 专利数据库，截 至 2024 年 6 月 25 日，固态电池相关专利申请数共 8494 件。考虑到申请专利至公开 之间存在 3-18 个月，因此 2023 年与 2024 年实际专利申请数量大于公开数量。其中 排名前十的专利申请人主要以日韩为主，第一名是握有 1297 件专利的丰田汽车，第 二名的是握有 703 件专利的 LG。从国家申请专利总数来看，中国在固态电解质相关 领域的专利申请量上占据领先地位，累计达到了 2987 件，占总专利数量的 35.17%， 其后依次为美国 (1507 件)、日本(1455 件)、韩国(790 件)等。目前我国已在固态电 池领域已展现出强劲的赶超势头。

全球多家企业选择硫化物作为未来全固态电池关键材料。中国企业目标是在 2027-2030 年间实现全固态电池商业化生产，其中宁德时代目前已建成 10Ah 级全固 态电池验证平台，预计 2027 年实现固态电池小批量生产；天赐材料硫化物固态电解 质处于中试阶段，预计 2027 年硫化物固态电解质千吨级产线建成。日本主要集中于 硫化物的研发，计划到 2030 年前实现全固态电池的实用化，并支持丰田在 2027 年 推出一款续航里程达 960 公里，充电仅需 10 分钟的纯电动计划。韩国 LG、三星 SDI 等电池企业均选择布局硫化物固态电池，三星集团计划 2027 年全面投产全固态，实 现量产和装车应用。美国 Solid Power、QuantumScape 等企业均布局硫化物固态电 池。

3. 硫化物固态电池降本增效成发展趋势

目前固态电池专利分为两类：技术上突破及提高经济性。主要体现在以下 5 点 功效： （1）提高界面稳定性：固态电池研发关键，直接影响电池整体性能与循环性能； （2）提高安全性：安全性为固态电池的主要优势，为固态电池商业化应用提供 坚实的安全保障； （3）提高能量密度：固态电池技术发展的核心目标之一， 为固态电池商业化应 用奠定基础； （4）提高离子电导率：固态电池技术不可忽视的关键技术，直接影响电池的充 放电速率和效率； （5）降低成本：高昂的制造成本是制约固态电池大规模应用的主要因素之一， 探索低成本固态电解质材料的制备工艺，加速其商业化进程。

3.1硫化物路线技术难点迎突破

硫化物固态电解质性能突破关键在于解决正/负极与固态电解质界面问题以及 改善机械稳定性及空气稳定性。全固态锂离子电池主要依靠电解质和电极之间的固固界面上的离子传输电荷。为提供有效的离子和电子传输通道,电解质与正负极之间 需维持界面稳定。目前使用硫化物固态电解质主要有以下三个问题：（1）正极/硫化 物固态电解质界面问题；（2）负极/硫化物固态电解质界面问题；（3）硫化物电解 质稳定性问题。

硫化物固态电解质与正极的界面问题主要包括:产生界面空间电荷层阻碍 Li+扩 散、正极和硫化物之间通过化学反应形成低离子导界面层、氧化物颗粒正极与硫化物 电解质之间的界面相容性差导致的较大界面阻抗以及正极材料和电解质材料在充放 电过程中的体积膨胀系数差距较大,在经历多次循环以后,在电解质与正极界面会形 成接触失效,使得电池阻抗增加、库仑效率下降和电池容量衰减。抑制正极与电解质 界面反应的方法主要包括：（1）电解质改性；（2）正极制备工艺优化；（3）正极 包覆。

锂金属因高理论比容量、低电化学电位和低密度被认为是锂离子电池的理想负 极。相较于液态电解质,固态电解质对锂金属具有更好稳定性,因此可使用固态电解 质与锂金属负极匹配从而提高安全性。硫化物固态电解质与锂金属的界面问题主要 包括:热力学稳定界面层、混合传导界面层、亚稳态固体电解质界面层。由于电解质 内部本身存在的缺陷和具有多晶界结构,全固态电解质并不能完全抑制锂枝晶的生 长。此外,锂枝晶生长也可能是由电解质膜与固体电解质相界面(SEI)膜之间离子电 导率的差异导致。抑制负极与电解质界面反应的方法主要包括：（1）优化电解质组 分；（2）制备人工 SEI 膜；（3）制备锂合金负极。

硫化物电解质自身稳定性问题主要包括:机械稳定性以及空气稳定性。硫化物具 有水分敏感性,样品表面遇水会迅速变化,而材料的变化对全固态电解质本身机械性 能影响较大。相关研究表明，用氧阴离子取代硫可提高硫化物固态电解质机械性能。 此外，硫化物固态电解质在空气中的化学稳定性较差。常规条件下,许多硫化物会与 水分发生水解反应并产生 H2S 气体,控制不当会导致硫化物电解质变性,进而导致材 料离子传输能力下降,电池性能降低甚至产生安全问题。相关研究表明对硫化物固态 电解质进行适当的掺杂，有助于保持全固态锂离子电池的电化学性能。此外，通过表 面改性来构建保护层结构,也可保护硫化物固态电解质免受空气和水的影响。

3.2硫化物固态电池降本空间潜力大

硫化物固态电解质成本高昂是目前多数企业发展硫化物路线的经济性痛点。硫 化物固态电解质生产成本主要由原材料成本、制造成本和研发成本三部分组成，其中 原材料成本占据最大比重，尤其是硫化锂这一关键原材料，因此降低硫化锂成本或者 选择替代材料成为降本的主要研究方向。目前相关研究团队已找到一些降低硫化锂成 本方法，比如中科大马骋教授开发了一种不以硫化锂作为原料的硫化物固态电解质 ——氧硫化磷锂，这种固态电解质以成本低廉的水合氢氧化锂和硫化磷作为原材料 合成，氧硫化磷锂材料还保留了硫化物固态电解质的独特优势，如极低的密度和良好 的负极相容性，使其在性能上具有显著优势。据 TrendForce 集邦新能源，预估硫化 物固态电池产业化初期电芯 BOM 成本在 1-2 元/Wh；规模化量产后中期（2030 年）电 芯 BOM 成本预计在 1 元/Wh 以内；远期（2035 年）当固态电解质成本降至 30 万元/ 吨以内时，电芯 BOM 成本有望降至 0.4 元/Wh 以下。

硫化物固态电解质未来市场空间广阔。按照硫化物固态电解质用量在 10%左右测 算，1GWh 硫化物全固态电池的电解液用量大约为 250 吨。据天赐材料，在未来持续 降低硫化锂成本基础上，预计到 2030 年，硫化物固态电解质的需求有望达到 2 万吨， 市场空间达 106 亿元。

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