固态电池 头豹词条报告系列

固态电池（Solid-State Battery）主要由固态电解质、正负极活性物质组成。传统锂离子电池的电解质为液态电解质，液态电解质存在易泄漏、热稳定性差、电池内部短路引起起火爆炸等一系列安全隐患，固态电解质相 比传统液态电解质具有安全性高、能量密度大、循环性能好、工作温度范围宽、回收方便等优点，固态电解质锂 离子电池是当今储能领域的研究热点之一。固态电池有广义与狭义之分，狭义上的固态电池是指电芯中含有较高质量或体积比的固体电解质，同时含有少量液体电解质的电池，是混合固液锂离子电池的一种，而广义上的固态 电池则包括混合固液锂离子电池和全固态锂离子电池，其中半固态、准固态、固态锂离子电池都属于固液锂离子 电池，本文采用广义的固态电池概念。 无机固态电解质包括氧化物固态电解质与硫化物固态电解质。氧化物固态电解质的优点在于循环性能良好，电化学稳定性高，缺点在于材料总体电导率较低，界面接触差，成本较低，中国固态电池企业如赣锋锂业、清陶能源等较多选择氧化物固态电解质技术路线，其中非薄膜型电解质电池已尝试打开消费电子市场。硫化物固态电解质的优点在于电导率高，工作性能表现优异，缺点是易氧化且界面稳定性较差，成本较低，硫化物固态电解质技术路线广受日韩企业热捧，性能较好且适配全固态电池，同时研究难度较大。氧化物固态电解质体系因研发成本和难度相对较低，有望在半固态和准固态电池中广泛应用，最快实现规模化上车，较多新玩家和中国企业选择这一技术路线。硫化物固态电解质虽研发难度高，但因其优异的性能和巨大的潜力吸引实力和资本雄厚的电池玩家不断投入研发，头部玩家已有十几年的技术积累，一旦实现技术突破将形成高技术壁垒。 无机固态电解质电池 聚合物固态电解质主要有聚氧化乙烯(PEO)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)等。其中，PEO具有和锂金属相容性好、电化学稳定性好、价格低廉等优点，缺陷在于室温离子电导率低。相较于PEO，PAN有着更高的锂离子迁移数，但力学性能较差，成膜后脆性较大。PMMA和PVDF自身也存在力学性能差、离子电导率低的问题，可通过与其他聚合物共混、交联、共聚或添加无机填料来提高聚合物电解质的离子电导率、稳定性。选择聚合物固态电解质技术路线的以Bollore、SEEO、Ionic、Solid Power等欧美企业为主，高能聚合物将成为未来固态电池的重要研发方向。 固态电池分类 聚合物固态电解质电池 复合固态电解质一般是由无机填料和聚合物固态电解质复合得到的电解质，结合无机固态电解质和有机固态电解质的优点，兼具高锂离子导电率和电化学稳定性，已成为目前固态电池研究的热点之一。在聚合物固态电解质中加入无机填料后得到的固态电解质具有优异的综合性能，无机填料可以起到三方面的作用：(1)降低结晶度，增大无定形相区，利于锂离子迁移；(2)填料颗粒附近可以形成快速锂离子通道；(3)增加聚合物基质的力学性能，使其易于成膜。 复合固态电解质电池 固态电池行业特征 为实现相较于传统液态电池更优的电化学性能、更高的安全性和更低的成本，固态电池的研发难度较大，技术壁垒较高。随着新材料的不断发现与制造工艺的改进，未来固态电池可在加工流程上转变技术路线，减低75% 的生产成本。当前全固态电池存在电池内阻较大、离子电导率较低、电解质成本较高的阻碍，投用尚需时日，未来本土企业在技术革新的过程中可逐步减少对液态电解质的依赖，从液态逐步实现到半固态、准固态、全固态的 目标。 技术壁垒高 为实现相较于传统液态电池更优的电化学性能、更高的安全性和更低的成本，固态电池的研发难度较大，技术壁垒较高。 固态电池包含全固态电池和混合固液电解质电池。1978年研发的聚氧化乙烯（PEO）基全固态电池已经被Bollore公司和SEEO公司商用，然而由于室温离子电导率低，该电池一般只能在60℃以上的温度下工作， 且工作电压小于4.0V，使用磷酸铁锂正极材料和锂负极的PEO基全固态电池能量密度低于220Wh/kg，目 前具有较高的室温离子电导率和优良的电化学稳定性的聚合物电解质尚未商业化验证成功。2011年发现的硫化物电解质具有室温条件下高离子电导率，然而硫化物电解质由于对水敏感、高成本、低化学/电化学稳 定性以及高界面阻抗导致其综合性能不及商用液态电解质锂离子电池。固态电池仍有诸多技术难关亟待攻克，中国固态电池企业均较重视技术研发，截至2022年末，清陶能源总申请专利数达502件，卫蓝新能源 已申请国家专利300余项，形成完整知识产权体系，行业技术护城河较深。 降本空间大 在目前对于固态电池的成本预测中，高达75%的生产成本可能被高估，固态电池未来降本空间较大。 2021年美国麻省理工学院Jennifer L. M. Rupp团队以“Processing thin but robust electrolytes for solid-state batteries”为题，在Nature Energy上发表综述文章，批判性讨论固态电池的研究现状以及最新加工成本。文中提到，参考固体氧化物燃料电池技术的加工成本和电解质成本，假设大规模生产，固态 电池电解质的生产成本估计为8.5-12.5美元/m²，如果继续依赖传统的高温烧结成条工艺，即使原材料价格低至10美元/kg，氧化物固态电解质电池依然在经济上不可行。随着对新材料的不断研究与发现，未来基于 磷酸铝钛锂（LATP）、钛酸镧锂（LLTO）或锂镧锆氧（LLZO）的电解质膜不一定需要传统的烧结或从合成粉末和致密化开始，也可以开发湿法化学路线，从而在加工流程上大幅减低成本，促进固态电池的推 广。 由半固态电池向全固态电池梯次渗透 未来固态电池的技术发展和应用将呈现由半固态向全固态“梯次渗透”的趋势。 随着未来中国对动力电池能量密度的要求不断提升，固态电池技术将成为突破电池能量密度和安全性能的重大突破口。当前全固态电池存在电池内阻较大、离子电导率较低、电解质成本较高的阻碍，投用尚需时 日，半固态电池是由液态电池向全固态电池过渡的中间方案，以卫蓝新能源为例，其半固态电池之所以能 快速推向市场，正是因为尽可能地借用了现有液态电池装备和工艺。未来本土企业在技术革新的过程中可逐步减少对液态电解质的依赖，从液态逐步实现到半固态、准固态、全固态的目标。 启动期 海外固态电池的技术主力集中于法国Bolloré、美国Sakit3、日本丰田“三巨头”上。2011年10月， 电动汽车固态电池企业Bolloré就开始利用自主开发的电动汽车“Bluecar”和电动巴士 “Bluebus”，在法国巴黎及其郊外提供汽车共享服务“Autolib”，汽车采用固态电池。美国Sakti3致力于电池技术研究20余年，拥有70余项专利，2015年10月，被家用电器制造商戴森以9,000万美 金的价格全资收购，Sakit3的主要问题在于其采用薄膜沉淀工艺，造成电池成本居高不下，现阶段其产品只能应用于小型家电中。不同于欧美，日本采取38家机构联合的方式研发全固态锂电池，2018 年4月启动的该项目预计总投资100亿日元，联合机构包括丰田、本田、日产、松下等23家汽车、电池和材料企业，以及京都大学、日本理化学研究所等15家学术机构将共同参与研究，计划至2022年 全面掌握全固态电池相关技术。放眼中国国内，2016年8月，作为中国科学院物理研究所清洁能源实验室固态电池技术的唯一产业化平台，北京卫蓝新能源科技有限公司成立。同年11月，中科院南策文 院士带领其团队在昆山开发区创办清陶能源，致力于固态锂电池及其关键材料与生产装备的技术开发与产业化生产。2018年11月，清陶能源建成全国首条固态锂电池量产线，实现固态锂电池技术从高 校实验室到市场化、产业化的转变。2020年7月，清陶能源宜春1GWh固态动力锂电池规模化量产线 正式投产。2022年11月，卫蓝新能源成功量产360Wh/kg车规级固态电池产品，可实现电动汽车一次充电续航里程达1,000km。 国内外固态电池技术蓬勃发展，并衍生出多元化技术路线。法国企业Bolloré抢先实现固态电池装 车，美国企业Sakti3固态电池产品主要用于小型家电，日本固态电池国际发明专利数量世界领先。中 国固态电池企业陆续创立，建成首条固态电池量产线。 高速发展期 2023~至今 大众汽车保守估计，关于全固态电池量产或工业化生产的规划将在2023年至2024年间实施，固态电池最早将在2025年产品化或投入整车之中。日产汽车2021年发布“日产汽车2030愿景”，计划在未 来5年内投资2万亿日元，加快推进电驱化产品布局和技术创新，并公布固态电池量产时间表，到2028财年推出搭载独创全固态电池（ASSB）的电动车型。卫蓝新能源首席科学家、中科院物理所研 究员李泓也在央视财经《年终讲》栏目中表示，2023年将成为中国车用固态电池商业化的开始。 多家车企、电池企业发布对固态电池的未来规划，固态电池逐步由实验室阶段迈向大规模商业化应 用，车用固态电池产业化进程加速，需要上下游产业链的协同配合，实现对液态锂离子电池的渐次替 固态电池产业链分析 固态电池主要由固态电解质与正负极活性物质组成，产业链上游包括正极材料供应商、负极材料供应商与固 态电解质供应商，正极材料供应商有湖南裕能、德方纳米、龙蟠科技等，负极材料供应商有贝特瑞、璞泰来、尚太科技等，固态电解质供应商有Bolloré、SEEO、宁德时代等。产业链中游为固态电池生产商，代表性参与方有 赣锋锂业、清陶能源、卫蓝新能源等。产业链下游包括新能源汽车制造商、消费类电子产品制造商与储能系统集成商，新能源汽车制造商有特斯拉、蔚来、比亚迪等，消费类电子产品制造商有大族激光、立讯精密、歌尔股份 等，储能系统集成商有国家电网、南方电网、华能集团等。 固态电池产业链上游链路较为复杂，下游应用场景广阔，固态电解质作为电池的核心材料，目前仍存在室温 条件下离子电导率不高、固态电解质与正负极之间界面阻抗较大、全固态电解质成本较高等问题，电解质新材料 的开发与工艺的改进程度将成为产业链发展的重要制约因素。当前半固态锂电池的制备工艺流程可兼容传统锂电池生产工艺，具备快速落地的可能性。卫蓝新能源的半固态电池之所以能快速推向市场，正是因为尽可能地借用 了现有液态电池装备和工艺，其中仅有10%-20%的工艺设备要求不同，包括固态电解质膜引入、原位固化工 艺、负极一体化工艺等。而全固态锂电池与传统锂离子电池的生产工艺存在一定区别诸多环节需要进行调整。未 来固态电池的市场化推广需要产业链上下游的协同，配置相应材料的生产设备及工艺，有效推动电池全产业链的 成本的降低。 上 产业链上游 生产制造端 固态电池正极材料供应商 上游厂商 湖南裕能新能源电池材料股份有限公司 深圳市德方纳米科技股份有限公司 江苏龙蟠科技股份有限公司 查看全部 产业链上游说明 固态电池产业链上游包括固态电池正极材料供应商。高能量密度的固态电池需要高容量的正极材料， 在全固态锂离子电池中，界面问题导致锂离子脱嵌效率更低，对应的正极材料需要具备高电位、高比能量、高比功率、长循环寿命等特点。根据2022年欧洲最大的应用科学研究机构弗劳恩霍夫协会下属 系统与创新研究所（Fraunhofer ISI）发布的《Solid-State Battery Roadmap 2035+》，针对固态电池正极材料，传统的层状氧化物材料如锂镍锰钴氧化物(NMC)，以及锂镍钴铝氧化物(NCA)、钴 酸锂(LCO)应用的技术潜力最高，其次是中等价格和中等性能的磷酸铁锂(LFP)或高电压材料。其中由于磷酸铁锂的低成本和高安全性，其市场应用潜力与层状氧化物材料相当。 生产制造端 固态电池负极材料供应商 上游厂商 贝特瑞新材料集团股份有限公司 上海璞泰来新能源科技股份有限公司