固態電池研究：半固態已來，全固態還遠嗎？

佐思汽研發布《2023年全球及中國固態電池行業研究報告》。

近幾年，新能源汽車市場如日方升，新能源汽車滲透率節節攀升。2023年1-4月，中國新能源汽車產銷分別完成229.1萬輛和222.2萬輛，同比均增長42.8%，市占率達27%。在鋪量過程中，新能源汽車對動力電池的需求也水漲船高。預計2023年全球電動汽車電池使用量將達到約749GWh。 在動力電池裝車逼近TWh的時代，更高能量密度的固態電池在政策鼓勵和市場需求雙重驅動下，供應商的產線進程開始加快。 在中國，國務院辦公廳2020年11月2日印發的《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035年）》明確提出，要加快固態動力電池技術研發及產業化，首次將固態電池的研發上升到國家層面。中國動力電池產業化的目標是，到2025年，液態體系電池單體能量密度將達到350Wh/kg；2030年，固液混合體系電池單體能量密度為400Wh/kg；2035年，準/全固態體系電池單體能量密度將達500Wh/kg。 與此同時，日韓、歐美國家也都紛紛推出鼓勵政策，發力固態電池。比如美國2021年發布《鋰電池2021-2030年國家藍圖》；歐洲推出了《電池2030規劃》及《2030電池創新路線圖》；日韓企業大多采用抱團研發，車企、科研機構、電池和材料企業分工明確，積極合作開發固態電池技術。

1、相比目前主流液系電池，固態電池憑借諸多優勢開始發力

相比液態鋰電池，固態電池是一種使用固體電極和固體電解質的電池，理論上，其能量密度能達到400-500Wh/kg，達到液態鋰電池的2-3倍。固態電池的優點主要包括續航能力提升、大幅降低熱失控風險、充電時間更短、循環壽命更長、體積更小等。尤其值得注意的是，通過采用金屬鋰負極，能將電池能量密度提升70%以上。

圖片來源：網絡

基于此，越來越多企業加碼研發并生產固態電池。動力電池企業中，寧德時代、國軒高科、贛鋒鋰業、億緯鋰能、欣旺達等均在積極推進固態電池技術布局。不過目前來看，半固態電池量產落地會更快一些。

2、電池能量密度持續提升，半固態電池原型開始上車應用

半固態電池作為一種過渡路線，能改善安全性能， 這是因為電解液的減少使得外部加熱、沖擊，以及內部短路造成熱失控風險降低。半固態電池電解液含量約在10%以下（傳統鋰電池電解液質量占比約為20%），通常采用軟包+疊片封裝工藝。在體系上，半固態可以沿用811體系，也可以適配更激進的9系等化學體系，在能量密度和綜合成本上獲得雙重提升。 2022年1月22日，東風汽車公司與贛鋒鋰業合作開發的東風-贛鋒高比能固態電池E70示范運營車在江西省新余市全球首發。此后，固態電池原型試車應用徐徐拉開序幕。

圖片來源：佐思汽研制圖

目前已經實現半固態電池量產的企業有衛藍新能源、清陶能源、太藍新能源、輝能科技、贛鋒鋰業、國軒高科、億緯鋰能等。 其中，衛藍新能源首顆半固態電池于2022年11月下線，能量密度達360Wh/kg；太藍新能源2022年10月投產國內首條半固態電池量產線，預計2023年7月滿產，2023-2024年產能規劃10GWh, 2024-2026年設計產能達26GWh；2023年4月，清陶能源首條設計產能1GWh的生產線投產，首批半固態電池將在郫都工廠下線。

部分車企半固態電池裝車進展

來源：佐思汽研《2023年全球及中國固態電池行業研究報告》

3、全固態電池預計將在2024年左右陸續量產

全固態電池預計將在2024年左右陸續量產，主要公司有日產、三星SDI、盟維新能源等。 從固態電池產線布局來看，國外企業起步較早，例如：

Solid Power在2019年將連續工藝中試生產線在科羅拉多州路易斯維爾投入運營。2020年生產320 Wh/kg 20 Ah鋰金屬電池，2021年Solid Power宣布在科羅拉多州桑頓增加第二個丹佛地區生產設施，于2022年6月6日宣布已完成了電動汽車電池試點生產線的安裝，加速推進生產車規級固態電池。2023年1月寶馬與Solid Power啟動下一階段全固態電池聯合研發。Solid Power將向寶馬授權電池設計與制造工藝，助其在慕尼黑建設中試線。2025年前推出首輛原型車，2030年實現全固態電池量產。 2022年3月，三星SDI宣布在位于京畿道水原市靈通區的SDI研究所內開始建設了全固態電池試驗線（S-line產線），2023年開始試生產，2027年開展大規模生產。 國外主機廠中，日產將于2024 年在日本橫濱啟動一個試點工廠，設立全固態生產線，2025年全固態電池正式生產，并于2028 年正式實現全固態電池裝車。豐田2025年前全固態電池將實現小規模量產，并首先搭載在混動車型上，2030年前全固態電池要實現持續的、穩定的生產。 國內企業中，多半是從半固態逐步邁向全固態電池生產的路線，較快實現全固態電池生產的主要企業有高能時代、衛藍新能源、清陶能源、輝能科技、國軒高科、億緯鋰能等。 例如，億緯鋰能全固態技術迭代將分為三個階段，未來將重點研發氧化物、硫化物、鹵化物路線， 公司計劃于2024年完成全固態電池1.0技術研發，能量密度為350Wh/kg，循環壽命300次以上。2028年將實現全固態電池3.0技術迭代，能量密度提升至550Wh/kg、循環壽命1000次+、且具備高安全性、高柔性、耐高溫等特性，以滿足動力電池領域需求。 2021年12月21日，高能時代日本實驗室成功研制出1.5Ah全固態鋰電池樣品，此次樣品的成功研制，預示著高能時代在全固態鋰電池研發領域已經進入快車道。其全固態動力電池通過了針刺和350℃熱失控試驗，能量密度大于400Wh/kg, 循環使用次數超過1200次，在零下40-150℃均能使用。

全球部分固態電池相關企業產業化進展情況

來源：佐思汽研《2023年全球及中國固態電池行業研究報告》

4、固態電池產業化落地還面臨哪些限制因素？

目前，固態電池還存在固態電解質與電極之間界面阻抗高、固態電解質的體相離子電導率相對比較低等問題。解決高的界面阻抗和低的電導率是實現固態鋰電產業化的關鍵。 解決之道： ① 將電解質超薄化是業界降低界面阻抗的有效方式之一，比如太藍新能源研究院和重慶生產制造基地通過工藝創新定制新的設備，研發出電解質超薄膜制備技術和界面柔化技術，且兼容現有液系電池的工藝體系，可以快速投產。 ② 固態電池界面柔化技術也是降低界面阻抗的有效方式之一，比如億緯鋰能已有的全固態薄膜軟包電池技術基于鹵化物體系，可適應特殊高溫及彎折條件，搭配高鎳正極可以在150 °C高溫溫區穩定放電，柔性技術使電池在120°彎曲條件仍可正常充放電。

億緯鋰能固態電池柔性可彎曲技術

③ 在電解質三大體系（聚合物、氧化物、硫化物）中，硫化物質地柔軟、可塑性強，離子電導率最高，達到液態電解液的水平（ 10-2 S/cm ），克服了固態電解液導電率不佳的瓶頸，但其抗阻較高，容易與空氣、水等發生副反應，工藝上仍需要克服諸多挑戰。采取硫化物路線的代表企業包括高能時代、恩力動力、寧德時代、豐田、本田、三星、Solid Power等。

然而，當前氧化物固態電解質在產業化應用和量產節點上，都走在最前。因為氧化物兼具電導率和穩定性，量產難度適中，目前發展進度較快，選擇氧化物體系的代表企業包括衛藍新能源、清陶能源、輝能科技、國軒高科、孚能科技、贛鋒鋰業等。 除了以上所述，生產工藝的不同及新增設備的購置在一定程度上拖慢了生產速度。目前，半固態生產可以基本做到與液系電池生產線兼容，成本可以基本持平。然而，逐漸過渡到全固態電池生產，因為工藝差異較大，生產程序不同，需要購置大量新的工藝設備，比如購買靜壓工藝設備等， 等靜壓工藝的設備生產、調試及使用難度大，需要積累大量know-how經驗以趕上鋰電池輥壓、熱壓工藝的效率和良率水平，這無疑對固態電池產業化也構成一定的壓力。 最后，相關廠商還需要對產線設備及各生產工序做持續優化，不斷提高電芯封裝的良率，提升銷量，也是實現固態電池產業正向循環的關鍵因素之一。

審核編輯 ：李倩