產業化進程加速，固態電池開辟鋰電新未來

導語：

固態電池是指采用固態電解質的鋰離子電池，因其高能量密度和高安全性的顯著優勢，有望解決傳統液態鋰電池安全事故頻現、能量密度臨近上限等諸多問題，在電池需求高速增長及技術代際升級的雙重驅動下乘勢而起。固態電池被認為將顛覆現有的電池體系，成為最具前景的新一代電池材料技術。

(資料圖片僅供參考)

向固態鋰電池過渡是鋰電技術進步的重要趨勢，全球范圍內，各大車企、電池企業、投資機構、科研機構等在資本、技術、人才方面積極布局，以加速固態電池產業化進程。去年11月，由光源資本擔任獨家財務顧問的衛藍新能源宣布完成15億元 D 輪融資，我們看好衛藍新能源作為國內固態鋰電“國家隊”在助推固態鋰電池產業化、引領行業變革方面的深厚實力。本篇研究將分享光源資本對于固態鋰電產業未來發展的觀察與思考。

研究團隊 | 光源碳中和小組 李昊、欒聲遠、王慶雯、刁晨卓、紀鴻思

01 從液態走向固態，鋰電池技術迎來代際升級

對于固態電解質鋰離子電池的理論研究可以追溯到 1972 年，英國科學家 Stanley Whittingham 首次提出固態電解質的基本標準。1991年 Sony 公司成功開發首款商業化液態鋰離子電池，其面世率先革新了消費電子的產品形態，大大降低了移動電話、筆記本電腦等消費電子的重量和體積，并大幅延長了電池的使用時間。隨后液態鋰離子電池進入快速發展階段。

走過半個多世紀的發展歷程，鋰電池技術不斷迭代，使用場景也愈發豐富。以電動汽車為代表的新能源需求旺盛，帶動動力電池出貨量大幅提升。此外，隨著光伏、風電等清潔能源在能源結構中的占比不斷提升，對儲能電池的需求也與日俱增。預計至2025年，全球鋰電出貨量將達到1926GWh。當前，受重量、體積、安全性等因素限制，液態鋰電池已接近能量密度天花板，技術迭代成為動力電池行業焦點議題。而儲能系統的復雜性則對電池循環壽命、安全性、系統兼容性，及電池供應商技術和項目能力提出更高要求。固態電池技術因其高安全性、高能量密度等優勢引起了人們的關注，并將成為未來重要的電池發展方向。

1）固態電池可突破液態電池安全性與能量密度的局限

目前主流的鋰電池產品采用的主要為液態電解質，其問題主要是兩方面：安全性和能量密度。

安全性問題頻出，引發公眾疑慮：近年來，隨著鋰電池的大規模應用，液態電池的安全隱患也逐漸突顯。液態電池的電解液溶劑具有易揮發、低閃點的特點，在較高溫度下易燃易爆，且具有一定毒性。此外，液態電池的負極表面容易形成鋰枝晶，刺穿隔膜造成正負極短路，導致電池起火。這些都將矛頭指向液態電解質。

液態電池能量密度臨近上限，亟需技術迭代升級：液態鋰電池的能量密度在350Wh/kg已到達瓶頸，目前水平已接近天花板，難以獲得進一步的突破。有機電解液無法兼容金屬鋰等高比能量電極材料，且圓柱、方形鋰電池還需要堅固的金屬外殼，這使得電池的形狀、尺寸、比能量等均受到很大限制。

固態電池有望從根本上解決鋰離子電池的安全性和能量密度等問題，顛覆現有的電池體系。從安全性來看，固態電解質耐高溫、耐擠壓針刺，同時無腐蝕性，不易揮發，不存在漏液問題，鋰枝晶在固態電解質中生長緩慢且難刺透，極大降低了電池熱失控風險，電池自燃或者爆炸的概率顯著減小。而從能量密度來看，固態電池允許適配高能正極與鋰金屬負極，目前固態電池的實驗室數據已超過400Wh/kg，突破傳統液態鋰電池的能量密度天花板。此外，固態電池還擁有更簡化的電池系統、寬工作溫度范圍、可柔性制備等優勢，都使得固態電池較傳統液態電池擁有更豐富的應用場景，能滿足更多樣的市場需求，且性能指標更優。

2）固態電池不同技術路線各有優劣

全球范圍內，各車企和電池企業都在積極布局固態電池技術。固態電池的技術發展采用逐步顛覆策略，從發展路線來看，液態電解質含量逐步下降，從傳統液態電池到最終全固態電池的發展可以分為五大階段：（1）傳統液態電池；（2）凝膠態電池；（3）半固態電池；（4）準固態電池；（5）全固態電池。

全固態電池尚存在諸多技術難題有待解決，短期內實現產業化及商業化仍面臨較大的挑戰。目前行業尚處于半固態向全固態發展的階段，半固態電池基本滿足當前商業化應用需求，有望率先實現量產，根據技術發展和市場需求逐步調整向全固態迭代。業內預計全固態鋰電池將在2020-2025年期間實現小批量生產，大規模商業化則需等到2030年左右。

固態電解質是固態電池的核心，電解質材料對電池的各項性能參數有著決定性影響，如功率密度、循環穩定性、安全性能、高低溫性能以及使用壽命。目前比較成熟的固態電解質分為三類：聚合物、氧化物、硫化物。從技術路線上看，三種技術路線皆有企業布局，其中歐美企業偏好聚合物與氧化物體系，而日韓企業則更多致力于研發硫化物體系。

聚合物是最早實現固態電池裝車測試的技術路線，已實現小規模量產，但其離子導電能力率低，有待向高能聚合物電解質方向發展。2011年法國公司 Bolloré 率先實現固態電池電動車的商業化應用，生產出負極采用金屬鋰、正極采用 LFP、電解質采用 PEO 等聚合物薄膜的固態電池（LMP?），并批量應用于自主開發的電動汽車 Bluecar 和 Bluebus。聚合物固態電池的界面相容性好，具備較好的機械性能和韌性，制備工藝較為簡單，但其劣勢在于室溫下離子電導率低，需要加熱到60度高溫才能正常工作，升溫后離子電導率大幅提高，但既消耗能量又增加成本，增大了商業化的難度。并且穩定性較差，難以匹配適用于高電壓的正極材料，限制能量密度，性能上限不高。

氧化物固態電池綜合性能較為優異，在微型電子、消費電子等領域已有應用，其研發成本和難度較低，缺點為界面阻抗嚴重。相較于聚合物，氧化物的優勢在于離子電導率較高，環境穩定性好，同時電化學窗口寬，適用高電壓電極材料。但氧化物為陶瓷材料，存在剛性界面接觸問題，造成界面阻抗較大，而且加工難度大，機械性能差，倍率性能低。

硫化物是三種固態電解質中電導率最高、開發潛力最大的材料，但該技術路線穩定性較差，易氧化問題突出，研究難度最高。硫化物電解質的離子電導率可與液態電解質相媲美，電化學窗口寬，質軟易加工，力學性能較好，受到諸多企業青睞。但其缺點也很明顯：穩定性差，硫化物與水接觸會產生有毒氣體H?S，對生產使用環境要求高；機械強度較弱；開發難度大；原材料成本高。因此硫化物電池的技術難度最高，商業化進展也是當前三種技術路線中最慢的。

固-固界面接觸對電池的倍率性能和循環性能有較大影響，是固態電池邁向商業化途中最大的技術難題之一。除了高能量密度、高安全性以外，新一代鋰電池對高倍率性能及長循環壽命同樣具有強烈需求。然而由于存在固-固界面問題，固態電解質的離子電導率比液態電解液低1-2個數量級，同時固態電解質和電極之間難以保持長期穩定的接觸，導致電池內阻較大。此外，固態電池的電極在充電時會膨脹，放電時收縮，固-固界面在這個過程中可能會造成電解質破裂或分離，對電池的循環性能帶來挑戰。

總體上，單一的電解質技術路線很難解決所有的問題，因此很多企業尋求復合路線。衛藍新能源基于原位固態化技術，采用聚合物和氧化物的復合技術路線，可在短期內實現規?；慨a，并持續探索優化固態電池技術方案。衛藍新能源已申請國家專利400余項，授權100余項，涉及固態電池復合正極、固態電解質、隔膜和負極等核心材料和技術，目前已攻克固態電池界面、安全、能量密度三大核心問題，聚焦高能量密度、高安全、高功率、寬溫區、長壽命的固態電池產品，持續在高端動力、儲能等領域推出技術和經濟性同步領先的系列產品，率先實現商業化應用。

02 技術變革重塑鋰電產業格局，新材料、新技術進入高速發展階段

1）固態電池處于商業化早期，產業鏈完善需要時間

固態電池對現有液態電池體系有著較好的兼容性。在材料上，固態電池與液態電池的正極材料體系基本相同，同時由于固態電解質擁有高電化學窗口，可兼容更高電壓的正極材料，如高鎳層狀氧化物、富鋰錳基、高電壓鎳錳尖晶石型等；負極可以兼容現有材料體系，也能逐步衍變到克容量更高的硅基負極以及金屬鋰；隔膜是液態電池的必備材料，可以隔絕正負極材料，防止電池短路，當前在半固態鋰電池體系下仍存在，但全固態時代下將被逐步替代。

固態電池的制備也應用了一批特有的新材料。例如，在固態電池中，現有的液態溶劑會被完全取代，聚合物固態電池則需要以 PEO 或類 PEO 聚合物作為固體溶劑，溶質則會被 LiTFSI/LiFSI 或新合成的容易解離的大陰離子基團型鋰鹽來替代。而對于氧化物/硫化物電池來說，相應的固態電解質需要通過溶膠凝膠法、高溫固相法、高溫燒結法等來制備。

在生產工藝方面，不同技術路線的固態電池，對液態電池的生產工藝兼容性差距較大。聚合物電解質的成膜性好，可直接使用液態電池凝膠涂布法來制備；氧化物電解質因韌性差，電池組裝難度大，需要開發新的特殊工藝；而硫化物則介于兩者之間，其機械強度適中，電解質粉末經冷壓即可制備。未來，固態電池的技術發展還有很大空間，生產工藝亦有可能出現革新，如鋰金屬負極的應用、固態電解質混料與包覆就需要額外的工藝流程。

2）政策引導+企業積極布局，固態電池商業化提速

全球范圍內，各國政府陸續出臺政策措施，推動固態電池領域快速發展。例如，美國在2021年發布《鋰電池2021-2030年國家藍圖》，并宣布撥款2.09億美元支持相關技術研究；歐洲則推出了《電池2030規劃》及《2030電池創新路線圖》，并批準了歐洲固態電池投資專項計劃，由歐盟多國共同出資32億歐元用于發展固態電池。歐美多國政府撥款助力固態電池研發，科研機構及固態電池初創企業是主力，各大車企紛紛投資；日韓企業則是在保有獨立研發團隊的基礎上，大多采用抱團研發的方式，車企、科研機構、電池和材料企業共同開發固態電池技術。

中國早在十年前已著手布局固態電池產業，多家電池廠商固態電池技術領先，越來越多的企業參與固態電池研究。受新能源車的旺盛需求拉動，中國政府也加大了對固態電池的前瞻性投入，加速布局。國內車企聯合電池企業，新興電動車制造商步伐較快，預計2023年電動汽車有望搭載固態電池。隨著政策扶持、車企布局、資本涌入，固態電池產業化進程不斷加速，行業必將進入高增長期。

03固態電池產業化提速，新玩家如何前瞻性布局？

全球范圍內都在積極推進固態電池的研發和產業化，固態電池前景廣闊。隨著固態電池技術成熟，將加速其在動力電池和儲能電池市場滲透，預計2030年全球固態電池市場將有千億空間。我們認為，對于希望在固態電池產業鏈上搶占市場的企業而言，技術創新、產品矩陣、產業鏈布局與商業化應用缺一不可。

1) 領先的技術創新

固態電池是技術創新驅動的新型電池路線，在材料和結構層面均有對于現有傳統液態電池體系的創新顛覆，并且目前仍然存在固-固界面問題等限制產業化的難點。我們認為，優秀的固態電池公司必須具備頂尖科研人才儲備，領先行業攻克核心難點，并通過專利布局，構建堅實技術壁壘。

2) 清晰的產品布局

固態電池具備高安全性、高能量密度、高功率、寬工作溫區、長循環壽命等多維度的性能優勢，不同細分市場所看重的性能指標有所差異，并且各性能之間可能存在此消彼長的關系，需要進行平衡設計。我們認為，如何基于目標市場需求分析，布局清晰的梯度化產品矩陣，將是固態電池企業在未來推進商業化時的核心競爭力。

3) 穩定的產業鏈布局

當前固態電池規?；瘧玫碾y點之一在于產業鏈不成熟帶來的成本高企，核心原材料和設備與液態電池存在差異，尚未大規模生產導致供應不確定性。我們認為，固態電池公司應當與原材料廠商、設備廠商等產業方建立深度合作關系，通過成立合資公司或簽訂戰略合作協議的方式，鎖定關鍵材料和核心設備，并具有定制化合作開發的能力，保障在持續擴產過程中的供應鏈安全和穩定。

4) 明確的商業化應用

現階段固態電池仍在市場導入期，距離大規模商業化仍需數年時間，且在獲得確定訂單之前需經歷較為漫長的送樣測試流程。我們認為，固態電池企業在推進批量生產的同時，需要積極綁定下游新能源汽車企業和儲能企業，驗證自身產品與下游需求的匹配性，并鎖定訂單資源，代表性客戶的訂單達成也有利于形成市場口碑，加速商業化進程搶占市場份額。

參考文獻

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[14] 2023.01，華鑫證券，《尋找新平衡，擁抱高景氣與新技術》。

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