文：任澤平團隊
固態電池為什麼備受市場關注？因為其將極大拓展新能源汽車、低空經濟、人形機器人等各大新興領域的新能源應用，是未來新能源、新基建、新技術發展的主要方向。那麼，固態電池有潛力顛覆現有電池體系嗎？大規模商業化有什麼技術阻礙和難點？固態電池時代中國電池產業發展還能繼續領跑全球嗎？
固態電池能顛覆現有電池體系，主要三大原因：1）安全性更高：固態電解質不易燃且在高溫下具有更好的穩定性和機械效能。2）能量密度天花板更高：固態電解質具有更寬廣的電化學視窗，減少了與電極材料的副反應，拓寬了可用電極材料的範圍。3）迴圈壽命更久：固態電解質不易揮發且不存在洩漏問題。由於省去了液態電解質和隔膜，固態電池在重量上也有所減輕。
固態電池效能優勢顯著，但實用性和產業化任重道遠，目前仍面臨一些技術挑戰。1）離子運輸：固態電解質離子導電率低，限制充放電速率。2）鋰枝晶：可能在晶內與晶間生長，導致電池短路和失效。3）介面問題：電極和電解質之間的接觸面積較小，導致介面阻抗增大，不利於鋰離子在正負極直接傳導。4）成本：預計2026年聚合物固態電池成本將降至2.00元/Wh，相較於三元電池電芯價格的0.46元/Wh，仍有較大差距。
預計2030年全球固態電池出貨將超過600GWh，出貨量滲透率達到10%；2030年中國固態電池市場規模有望超過200億元。目前中國的半固態電池已經量產上車，主要應用於高階車型，新能源汽車市場上30萬以上車型的佔比15%左右，半固態電池主要完成這部分市場的滲透。在全球範圍內，包括日韓、歐美在內的多個國家和地區都在積極推動固態電池技術的研發和產業化程序。國內電池龍頭企業披露的時間表，全固態電池大規模量產大多在2027年左右。
1 為什麼要固態電池？—“不可燃”、更安全，能量密度更高，迴圈利用更久
1.1 固態電池電解質熔沸點超200°C，安全性更高
液態鋰電池發生事故，液態電解質是主要推手。熱失控（thermal runaway）是液態電池安全問題的主要原因。在電池的首次充電過程中，正負極表面會形成一層固體電解質介面（SEI）膜，這層膜能夠暫時抑制電解質與電極材料之間的副反應，為電池提供一定程度的保護。然而，當電池遭受撞擊、過度充電或外力穿刺等損害時，其熱失控的風險會顯著增加。一旦電池溫度升高至90°C，負極表面的SEI膜便開始分解，導致熱失控進一步惡化。在這種高溫環境下，液態電解質與負極發生反應，釋放出可燃氣體，這不僅會使得電池內部的隔膜融化，引發正負極之間的短路。最終，電解液的燃燒可能會引發更嚴重的安全事故。
一個直觀的例子，在鋰電池的針刺實驗中，模擬電池遭受尖銳物體穿刺，電池短路，電池內部熱失控失控產生大量的熱量，電池內部的壓力迅速增加，導致電池外殼破裂，穿孔處或破裂處有火焰噴出，這個火焰就是燃燒著的電解液。
與液態鋰電池相比，固態電池將液態電解質和隔膜替換成固態電解質，固態電解質溶沸點更高，大多數固態電解質的初始放熱溫度都在200°C以上，且無液態有機電解液，從根源斷絕燃燒熱源，以提高電池的安全性和穩定性。
1.2 固態電池能量密度天花板更高
固態電池的固態電解質的電化學視窗更寬，可以適配更高電壓的正極材料。在電池中，電化學視窗定義為電解質能夠穩定存在的電壓範圍。在這個範圍內，電解質不會分解，不會與電池的正極或者負極材料發生反應。目前液態電池的電解液的電化學視窗一般小於4.5V，這意味著它們適用於電壓較低的電池系統。目前液態電池為什麼磷酸鐵鋰和三元佔據絕大多數正極市場，就是因為只有這倆個正極材料適配當前的電解液體系。固態電解質的電化學視窗可以達到5V以上，意味著它可以相容更高電勢和更低的還原電位正負極材料。
例如，金屬鋰負極、氧化物電解質、三元正極固態電池的能量密度已經達到350-400Wh/kg，而硫化物體系（金屬鋰負極或矽負極）實現能量密度約320Wh/kg。相比之下，傳統的液態鋰離子電池能量密度通常在170-300Wh/kg，部分產品已接近理論極限。
1.3 固態電池的迴圈壽命更持久
液態鋰電池在長時間使用過程中，由於其電解液的化學性質，會逐漸與電極材料和電池外殼發生相互作用和反應，這可能導致電解液的乾涸、揮發甚至洩漏，增加了電池的維護成本和潛在的安全風險。相比之下，固態電池採用固態電解質，這種電解質不易揮發且不存在洩漏問題，因此可以顯著提高電池的壽命。
從迴圈壽命來看，固態電池在10,000次迴圈後仍能保持其原始容量的90%以上（液態電池約為3000次迴圈壽命）。電池的迴圈壽命超過27年，按每日充放電迴圈計算，超過了大多數裝置甚至車輛的使用壽命。隨著固態電池技術的成熟和成本的降低，預計二手電動汽車的貶值速度將大幅降低。因為固態電池的長壽命和高能量密度使得電動汽車在初次使用後仍能保持較長時間的高效能，減少了電池退化的擔憂。
1.4 新場景應用
消費電子：固態電池因其能量密度高、體積小的特點，能夠滿足無人機、智慧手錶、行動式儲能等產品對電池輕量化、長續航的要求。2024年8月，日本TDK宣佈已成功研發出新版CeraCharge固態電池。該電池能量密度高達每升1000瓦時，約為TDK傳統固態電池能量密度的100倍。TDK初步規劃將該電池應用於無線耳機、助聽器及智慧手錶等小型電子產品，同時表達了向智慧手機等更廣闊市場進軍的願望。同時，2022年小米推出了半固態電池的米家戶外電源1000Pro；松下將在2025-2029年量產用於無人機的全固態電池；富士康與Blue Solutions將合作生產固態電池應用於二輪車領域。
新能源車：儘管傳統鋰電池在成本和效能展現了良好的表現，但在續航里程、使用溫度、安全性等問題上，電動車仍需要進一步的提升，固態電池作為新一代革命性產物，正從走在產業化的康莊大道上，助力新能源車續航里程、安全性等效能邁向一個臺階。蔚來、上汽等均提出2024年量產半固態電池車型，廣汽、長安等均提出2025-2026年量產半固態電池車型。
儲能：固態電池相較於傳統鋰離子電池，更具穩定效能，能夠顯著提升儲能電站的安全性，同時，儲能要求電芯有更好的迴圈壽命，固態電池也剛好適配。2023年10月，衛藍新能源與三峽集團合作的“兆瓦時級固態鋰離子電池儲能系統”專案入選國家能源局第三批能源領域首臺（套）重大技術裝備（專案）名單。2024年8月，喬治費歇爾金屬成型科技（崑山）有限公司4.5MW/8.94MWh儲能專案開工，該儲能專案採用半固態磷酸鐵鋰電池，系統總容量配置為4.5MW/8.94MWh。
eVTOL飛行汽車：低空經濟發展加速固態電池產業發展。2024年3月，工信部發布《通用航空裝備創新應用實施方案（2024-2030年）》，要求加快佈局新能源通用航空動力技術和裝備，推動400Wh/kg級航空鋰電池產品投入量產，實現500Wh/kg級航空鋰電池產品應用驗證。
2 鋰電終局：固態電池關鍵看電解質破局
2.1 液態電池 vs 固態電池
傳統的液態鋰離子電池由正極、負極、隔膜和電解液等關鍵元件構成。正負極材料負責儲存鋰離子，直接影響電池的能量密度。而電解液則關係到鋰離子在充放電過程中的遷移速度，通常採用有機溶劑作為介質。液態電解質的易燃特性使得電池在高溫或撞擊下存在起火爆炸的隱患。
固態電池主要由正極、負極、固態電解質等主材組成，本質區別就在於固態電池用不可燃的固態電解質替代了液態電池的可燃性液態電解液。根據固態電池內部液體含量，可以將固態電池分為半固態電池和固態電池。根據學術界的定義，電池液體含量超過10%就是液態電池；液體含量在5%-10%被定義為半固態電池，半固態電池中的液體（清陶能源將其定義為潤溼劑）與液態電池中的電解液不同，潤溼劑成分單一，提升電池內部介面的潤溼性，降低電池電阻；全固態電池不含任何液態成分。
2.2 液態電解質率先實現商業化
鋰離子電池自20世紀中葉被發現以來，科學家們就一直在探索電池全固態形式的可能性。因為固態電池元件更直觀，易於加工和控制。然而，實現這一願景的關鍵挑戰在於找到一種材料，它能夠在電子層面上提供絕緣，同時允許較大的鋰離子透過。
在電池中，導電用到的是電子，鋰離子是離子，電子很小，離子很大。我們需要一種既能阻擋電子流動，又能讓鋰離子自由移動的材料。這種材料在自然界中並不常見，因此需要科學家們進行精心設計和合成。多年來，研究人員一直在尋找具有高鋰離子傳導性的材料—電解質。然而，固態電解質離子電導率低、剛性強度大、介面相容性差等技術瓶頸限制了其產業化程序，全固態鋰電池的研究停滯於20世紀末。
20世紀70年代和80年代，工業界的研究主要集中在液態電解液上，這些電解液能夠有效地傳導鋰離子並阻擋電子。到了90年代，含有液態電解液的鋰離子電池技術得到了產業化，這種電池設計在行動式電子裝置和電動汽車中得到了廣泛應用。
儘管液態鋰離子電池取得了商業成功，但學術界對於鋰離子在固態材料中傳導的研究從未停止。經過數十年的努力，科學家們已經發現了一些具有與液態電解液相媲美的鋰離子傳導速度的固態材料。這些材料的離子電導率已經達到了實用化的水平，為固態電池的商業化鋪平了道路。
2.3 固態電解質是固態電池的破局之道
萬里長征第一步，中國科學院歐陽明高院士將固態電池未來發展規劃拆解為三步。首先重點攻關固態電解質，第二步重點攻關高容量複合負極，第三步重點攻關高容量複合正極。固態電池發展，攻克固態電解質至關重要。
與液態電池的隔膜和電解液作用相同，固態電解質同時代替了隔膜和電解液，在鋰電池中負責鋰離子的傳輸。因此，固態電解質的效能也很大程度上影響著固態電池的效能。理想的固態電解質要滿足優良的離子導電率、微乎其微的電子導電率、寬的電化學窗、低介面阻抗、能夠低成本大規模量產等特點。目前，固態電解質根據材料型別的不同大致可以分為氧化物電解質、硫化物電解質、聚合物電解質等。
2.3.1 氧化物電解質：電化學視窗寬，剛性強度大
氧化物電解質由氧化物和無機鹽組成，可分晶態電解質和非晶態電解質，主要透過晶格空隙傳遞離子。根據晶體結構主要可以分為鈣鈦礦（LLTO）型、石榴石（LLZO）型、快離子導體（LISICON）型和（NASICON）型等。LLTO型電解質具有高離子電導率的優勢，但低電勢下容易被鋰金屬負極還原，穩定性相對較差；LLZO型電解質離子導電率高，對金屬鋰負極有較高相容性，穩定性高，受關注度高，目前提高LLZO材料質密程度是重要的研究方向之一。
整體上，氧化物電解質效能優異，對空氣和熱穩定性高，電化學視窗寬，機械強度高，是理想的高低壓固態電解質體系。但化學剛性太強，必須得把顆粒燒接成緻密的陶瓷才能把固-固接觸的問題解決掉，但是一旦燒結成緻密陶瓷，它就很容易碎裂，用於做疊片電池很難，卷繞電池更沒法實現。同時，氧化物電解質在電池迴圈過程中無法消解電極膨脹產生的應力，有損於電池電導率和迴圈壽命。
2.3.2 硫化物電解質：室溫導電率高，製作工藝複雜
硫化物電解質是由氧化物電解質衍生出來的，就是氧化物電解質中的氧元素被硫元素替代。硫元素相比於氧元素，半徑更大，離子傳導通道更大，電負性小，與鋰離子擁有更小的相互作用，因此硫化物電解質相較於其他固態電解質具有更高的離子電導率，離子電導率10^-7S/cm至10^-2 S/cm（液態鋰離子電池電導率10^-2 S/cm），超離子導體摻雜鹵素後室溫鋰離子電導率甚至超過液態電解質。根據晶體結構，硫化物固態電解質可以分為玻璃態、玻璃陶瓷態和晶態。晶態電解質按照晶體結構又可以分為硫代超快離子導體型(LATP)、硫銀鍺礦型和 LGPS超離子導體型。
硫化物電解質主要挑戰有：第一個是原材料的成本非常貴。硫化鋰價格預計在200萬每噸以上；第二個是硫化物電解質對空氣中的水分敏感反應，產生硫化氫，對大部分溶劑也敏感，跟傳統液態工藝相容性相對差一些，意味著只能用一些低階性或者弱極性的有機容器。第三個挑戰是在做電芯的過程當中，需要加幾百兆帕的大氣壓力，讓硫化物的顆粒變形，才能讓正負極保持好的接觸。這麼大的壓力目前可能只有一種手段，就是把這個電芯放在一個圓柱形的加壓缸裡，往這裡面灌入液體，然後給液體加壓。這種幾百兆帕的壓力想去實現鋰電池的連續生產，目前其實是有一定的難度。
2.3.3 聚合物電解質：成本低、易加工、室溫電導率低
聚合物電解質的效能由三種成分的相互作用決定：聚合物基質、鋰鹽和(可選)新增劑。聚合物電解質主要由聚合物基質和鋰鹽構成，其中聚合物承擔著鋰離子傳輸的載體角色，而鋰鹽則為電解質提供必要的載流子。這類電解質因為其本身的高彈性和柔韌性，通常具備較高的彈性模量和良好的介面接觸效能，即使在充放電過程中電極體積發生變化也能適應，且能有效抑制鋰枝晶的形成。有助於在電池的長期迴圈使用中維持低介面阻抗，從而增強固態鋰電池的穩定性和可靠性。此外，聚合物基固態電解質還具有質輕、成本低、對溫度等環境條件不苛刻的特點，適宜規模化生產。
主流的聚合物固態電解質主要有PEO基（聚環氧乙烷基）、PMMA基（聚甲基丙烯酸甲酯基）、PVDF-HFP基（聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物基）等。PEO是最早被發現能夠有效傳導鋰離子的聚合物材料之一。PEO的玻璃化轉變溫度約為-67℃，這一特性使得它在室溫下容易形成非晶態結構，從而有利於鋰離子的遷移和傳導。基於這些優勢，PEO成為了開發固態電解質的理想選擇。2011年，法國Bollore博洛雷研發的全固態金屬鋰電池開始批次應用於共享電動汽車“Autolib”和小型電動巴士“Bluelus”，這是國際上第一個採用全固態鋰電池的電動汽車案例。其自主研發的電動汽車Bluecar搭載了30kWh金屬鋰聚合物電池，電解質採用的就是PEO。
聚合物電解質技術難點。1.聚合物電解質的室溫下離子電導率低，主要原因是由於聚合物的離子傳輸主要發生在無定形區，其在室溫下結晶度高，而軟化溫度卻高於60℃。2.聚合物電解質的電化學視窗較窄（PEO 的電化學視窗<3.9V >，易於被高電壓正極氧化；特別是與高電壓正極材料，如鈷酸鋰、鎳鈷錳酸鋰、鎳鈷鋁酸鋰等配對時，會發生劇烈的電化學氧化分解，導致電池效能急劇下降。3.熱穩定性差、安全性低。當溫度超過 400℃時會發生分解和燃燒，存在很大安全隱患。
3 固態電池研發面臨什麼挑戰？三個卡點
2024年，半固態電池已經量產上車，實現了從0到1的突破。相較於固態電池，半固態電池主要依託於現有的電化學體系，並在工藝上進行升級，這對於各大電池製造商而言，技術改造的難度和成本相對較低，且對正極、負極材料以及生產裝置的影響較小。而全固態電池的量產仍然面臨諸多挑戰。目前，限制全固態電池發展的核心問題主要有：離子運輸機制、鋰枝晶生長機制、固-固介面問題，成本較高等。
3.1 離子運輸：充放電效率的關鍵
固態電解質離子導電率低，限制充放電速率。全固態電池目前的應用瓶頸在於較慢的充放電速度和較快的容量衰減，這些與固態電解質自身的理化性質相關。液態電解質分子結構鬆散，離子移動相對自由。與液態電解質不同，固態電解質的晶體結構穩定。離子運動需要克服晶格位移的壁壘，固態電解質中離子間具有很強的相互作用力，其離子遷移壁壘是液體的10倍以上，離子導電率受限，導致鋰離子傳輸效率低，電池充放電過程中發熱嚴重，電池充放電效率低，電量損失大。
鋰離子電池內部離子的擴散在固態和液態是數量級的差別。一個簡單的例子，純淨水裡面扔一塊糖，糖化了，整個純淨水是甜的；一塊糖放到一堆沙子裡面，沙子是不會甜。因此提高離子導電率是實現固態電池加速產業化的關鍵。
3.2 鋰枝晶：仍是固態電池的技術難點
鋰枝晶（Lithium Dendrites）是指在鋰電池中，鋰金屬在電池充電過程中形成的樹枝狀金屬結構。它們通常在電池的負極上生長，鋰離子在負極上沉積的速度不均勻，導致區域性區域沉積過多，形成了類似樹枝的結構。電池製造有缺陷的話，鋰枝晶會在缺陷處長出，鋰枝晶是金屬，剛性強，在傳統隔膜電池中會刺穿隔膜，增加了短路的風險。
但固態電池中，陶瓷材料相比於隔膜，剛性更強，鋰枝晶不容易刺破，一定程度上保障了電池的安全性。儘管固態電解質的機械強度較高，理論上應該能夠阻止鋰枝晶的生長，但實際上鋰枝晶仍然可能在晶內與晶間生長，導致電池短路和失效。
3.3 介面問題：商業化的最難點也是最關鍵
固態電池的介面問題可以分成兩類。按固-固接觸介面性質可以分為化學接觸和物理接觸。化學接觸是兩種材料接觸後自發的發生化學反應，在固態電池中，金屬鋰負極和固態電解質的介面處尤為常見；物理接觸是電解質和電極之間的接觸，其中又分為正極-電解質介面和負極-電解質介面。
介面阻抗問題直接影響固態電池的電化學效能。由於固態電解質缺乏液態電解質的流動性，因此固-固介面的接觸問題比液體鋰離子電池更為複雜。固-液接觸是以浸潤形式存在的“軟”接觸，而固-固接觸是很難充分貼合的“硬”接觸，因此在固態電池中，電極和電解質之間的接觸面積較小，導致介面阻抗增大，不利於鋰離子在正負極直接傳導，影響電池充放電效能。
為了改善固-固介面的接觸，學術界採取了多種策略。包括使用具有良好潤溼性的電解質、構建三維介面、以及在電極和電解質之間引入緩衝層或中間層。例如，透過在正極材料表面包覆一層無定形的固態電解質薄層，可以避免正極與電解質之間的直接接觸，減少介面阻抗，提高電池的迴圈穩定性和安全性。
此外，學術界也在探索使用外部壓力來改善固-固介面的接觸。例如，適當的堆疊壓力對於實現固態電解質的最佳效能至關重要。寧德時代董事長曾毓群在2024世界動力電池大會稱，6000個大氣壓下才能實現較高的低溫效能。實際生活中幾乎沒有符合條件的場景，意味著這些器件還無法實現商業化。
3.4 成本：仍需等待進一步降本
固態電池成本相較於液態電池電芯成本差距較大。根據百川盈孚，2024年7月底三元方形動力電芯價格0.46元/Wh，磷酸鐵鋰方形動力電芯價格0.37元/Wh；根據欣旺達，2026年將聚合物體系的全固態電池成本降至2.00元/Wh。目前來看，固態電池的成本較高，未來3-5年的下降空間還未可預知。
4 產業鏈：半固態先聲奪人，全固態尚待佳音
4.1 固態電池產業鏈與液態電池大致相同
與液態電池產業鏈大致相同，固態電池產業鏈涵蓋了從上游的原材料供應、中游的電池製造到下游的應用市場的整個流程。上游主要包括礦產資源的開採和提煉，如鋰、鈷、鎳等關鍵金屬，以及固態電解質的原料，如氧化物、硫化物或聚合物等。中游環節包括電池材料的製備、電池單元的組裝和電池管理系統的開發。下游應用市場則包括新能源汽車、消費電子、儲能系統等多個領域。
4.2 政策端：各國政策前瞻佈局，驅動產業鏈發展
全球範圍內，各國政府透過政策引導、資金補貼和產業鏈協同等方式，加快推進固態電池的產業化程序。目前在全球範圍內主要處於研發和中試階段。中國、日本和韓國在固態電池的開發領域處於技術領先地位，下一代動力電池的產業化已經提上日程。根據我國《汽車產業中長期發展規劃》，到2025年，動力電池系統比能量達到350Wh/kg，而液體鋰電池理論能量密度上限約為350Wh/kg，研發更高能量密度的鋰電池替代傳統液態電池將成為必然。
4.3 廠商佈局：各國發展路線側重各有不同
固態電池技術的競爭在全球範圍內日益激烈，形成了以中國、日本、韓國和歐美為代表的主要陣營。每個陣營在技術路線和發展策略上各有側重，競爭的焦點在於誰能在技術成熟度和市場應用上佔據制高點。目前固態電池的應用大體還都處於實驗室階段，商業領域仍是小批次製造階段。
聚合物路線上，企業主要聚集在歐洲和美國。聚合物電池商業化早，但對使用溫度區間要求較高，後續商業化進展較慢。
硫化物路線上，企業主要聚集在日韓和美國。Solid Power 在2023年向寶馬集團交付硫化物固態電池用於測試；豐田規劃在2025年前量產固態電池；三星SDI目標在2027年量產900Wh/L的固態電池；LG新能源計劃在2025-2027年實現全固態電池商業化。
氧化物路線上，企業主要聚集在中國和美國。中國在半固態電池的進展較快。Quantum Scape預計在2024年下半年開始量產氧化物固態電池。清淘能源的半固態電池，已經量產上車上汽智己L6；衛藍新能源已於2023年6月量產360Wh/kg半固態電池交付給蔚來；鵬輝能源2024年8月正式釋出了20Ah和2000mAh兩款軟包全固態電池。
4.4 車企佈局：繫結電池廠研發，半固態率先落地
5 市場空間：2030年全球固態電池出貨將超過600GWh
固態電池整體處於攻堅克難的關鍵階段，目前業內普遍認為固態電池實現量產還需要3-5年時間。目前行業正處於第一階段，引入部分固態電解質，降低電解液的含量，正極依然採用傳統鐵鋰或三元正極；未來，行業將提高固態電解質含量直至完全取代液態晶體液；最終階將會對固態電解質膜進行設計，進一步提升能量密度。
目前落地的半固態電池主要應用於高階車型，新能源汽車市場上30萬以上車型的佔比15%左右，半固態電池主要完成這部分市場的滲透。根據中國汽車動力電池產業創新聯盟，2024年上半年我國半固態電池裝車量2154.7MWh。根據中商產業研究院預計，2030年全球固態電池出貨將超過600GWh，出貨量滲透率達到10%。2030年中國固態電池市場空間有望超過200億元。
關鍵詞
固態電池
材料
能量密度
固態電解質
全固態
