产业观察 | 固态电池产业及技术现状分析
文章来源：k8凯发智汇工场 | 发布时间：2024-10-31
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固态电池是一种使用固体电极和固体电解质的电池。与现今普遍使用的锂离子电池和锂离子聚合物电池不同，固态电池采用锂、钠制成的玻璃化合物为传导物质，取代以往锂电池的电解液大幅提升锂电池的能量密度、安全性及使用寿命。 固态锂电池主要由正极、负极以及固态电解质组成，最本质区别是将液态电池的电解液与隔膜替换成固态电解质，实现不用或者少用隔膜及电解液。正极通常采用锂、镍金属或类似材料。当锂离子从固态电解质中移动到正极时，正极材料会发生氧化反应，释放出电子。负极一般采用石墨烯、硅材料、锂合金或类似材料，锂离子从固态电解质移动到负极时，负极材料会发生还原反应，接收电子。固态电解质是由可导电的固体材料组成，主要可以分为以下几类：聚合物、氧化物、硫化物、氯化物及卤化物固态电解质，具有高离子电导率、高机械强度和长循环寿命等优势。 依据电解质形态分类，电池可细分为液态(25wt%) 、凝胶态（10-25wt%）半固态(5-10wt%)、准固态(0-5wt%)和全固态(0wt%)四大类，其中半固态、准固态和全固态三种统称为固态电池。车企采用固态电池考量要求，短期驱动因素主要为安全性，长期驱动因素主要是能量密度，其中以半固体及全固态电池为目前技术研发及产业化应用重点关注方向。 半固态电池：通过减少液态电解质的用量，增加氧化物和聚合物的复合电解质，其中氧化物主要以隔膜涂覆和正负极包覆形式添加，聚合物以框架网络形式填充，此外负极从石墨体系升级到预锂化的硅基负极、锂金属负极，正极从高镍升级到了高镍+高电压、富锂锰基等正极,隔膜仍保留并涂覆固态电解质涂层，能量密度可达350 Wh/ kg 以上。半固态电池虽然减少了液态电解质的用量，但仍存在易燃的风险。 全固态电池：通过取消原有液态电解质，选用氧化物、硫化物、聚合物等作为固态电解质，以薄膜的形式分割正负极，从而替代隔膜的作用，其中氧化物目前进展较快，硫化物未来潜力最大，聚合物性能上限较低，负极从石墨体系升级到预锂化的硅基负极、锂金属负极，正极从高镍升级到了超高镍、镍锰酸锂、富锂锰基等正极，能量密度可达500 Wh/ kg。 依据固态电解质材质及特性，固态电池技术路线主要可以分为以下几大类别： 硫化物固态电池：硫化物固态电池使用的是无机硫化物材料作为电解质，这类材料通常具有较高的锂离子电导率，接近或超过传统液态电解质的水平。硫化物固态电解质因其高的离子电导率而备受关注，然而，硫化物电解质对水汽敏感，容易与水反应生成有毒的硫化氢气体，且与空气中的氧气、水蒸气发生不可逆的化学反应，导致离子电导率降低和结构破坏。因此，硫化物固态电解质的开发难度较大，对生产环境要求严苛。 氧化物固态电池：氧化物固态电池使用的是氧化物材料作为电解质，这类材料的离子导电率一般较低，但具有良好的机械性能和化学稳定性。氧化物电解质的致密形貌使其具有更高的机械强度，在空气中稳定性好，耐受高电压。但是，由于其机械 强度高，氧化物电解质的形变能力和柔软性能差，电解质片易脆裂，固固界面接触损耗大，限制了其应用。 聚合物固态电池：聚合物固态电池由聚合物基体和锂盐构成，室温下离子电导率较低，但在加热至60℃以上时，离子电导率得到显著提升。聚合物电解质具有质量轻、弹性好、机械加工性能优良的特点，且其工艺与现有锂电池接近，易于大规模量产。然而，聚合物电解质室温下离子导电率低，且存在锂枝晶穿透造成短路的风险，热稳定性有限。 结合型固态电池：除了上述三种主要类型的固态电池外，还有结合型固态电池，如复合固态电解质，它是由硫化物/氧化物和聚合物电解质复合得到的电解质。这种复合电解质综合了无机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。 这些固态电解质各有优势和劣势，聚合物电解质柔韧性好、质量轻，但室温电导率较差；氧化物电解质电化学窗口宽、稳定性好，但易脆裂；硫化物电解质室温电导率高，但空气稳定性较差；此外，还有卤化物、氯化物固态电解质，目前尚处于实验室研发阶段，在大规模商业化方面不具备可行性。根据不同的应用需求和性能要求，选择合适的固态电解质材料是全固态电池研发的关键。 从电池技术变革层面来看，锂离子电池技术过去几十年中迅速发展，传统液态电池体系成熟，但难以出现大幅性能突破，仍存在能量密度、充电速度、成本、循环寿命等问题有待解决，这为新的技术路径提供了发展机会。固态电池由于具有较高理论能量密度和高安全性，是最有技术颠覆潜力、最具产业发展前景的下一代电池技术。随着研发持续投入，新技术新材料的加速升级，预计固态电池在未来几年内会有更多商业化应用落地。回顾固态电池的发展历程，主要可以分为以下几个阶段： 科研人员开始探索固态电解质的概念，主要使用金属锂作为负极材料，玻璃陶瓷作为电解质。但由于这些材料存在较高的电阻和较低的离子电导率，使得电池性能不太理想，且金属锂的活泼性导致电池存在安全隐患，因此这一阶段的固态电池未能得到广泛应用。 20世纪90年代，橡树岭国家实验室开发出一类新型固态电解质，用于制造薄膜锂离子电池，为固态电池的后续发展奠定了一定基础。然而，整体而言，固态电池的发展速度较为缓慢，仍面临着诸多技术难题，如电解质的离子电导率提升、电极与电解质界面的稳定性等问题有待解决。 随着电动汽车和便携式电子设备市场迅速发展，人们对电池的能量密度和安全性提出了更高要求，固态电池重新引起广泛关注。研究者们开始探索采用聚合物电解质替代玻璃陶瓷电解质，并逐渐发展出以聚合物电解质为核心的固态电池。例如，法国博洛雷集团在聚合物固态电池领域起步较早，2011年就利用自主开发的电动汽车和电动巴士在法国巴黎及其郊外提供汽车共享服务，其固态电池能量密度为100wh/kg。 近年来，材料科学和纳米技术不断发展，固态电池技术取得重大突破。科研人员成功研发出具有高离子电导率、高机械强度和长循环寿命的固态电解质材料，2016年至2019年期间，固态电池专利增长率为45%，相关研究成果及文章专利的数量实现了爆炸性增长，技术逐步从实验室走向产业应用。 固态电池的发展是一个渐进的过程，涉及材料科学、电化学、机械工程等多个领域的技术突破和创新。随着全球对清洁能源和电动汽车需求的增加，固态电池依托其高能量密度、安全性和长寿命等优势，成为电池技术发展的重要方向。预计未来几年将实现技术突破和市场规模的显著增长。随着产业化进程的加速，固态电池有望在新能源汽车、储能、消费电子、低空飞行等领域得到广泛应用。 固态电池技术因其高安全性、高能量密度和良好的温度适应性而被视为最具有发展潜力下一代电池技术，但其商业化进程面临诸多挑战，其中生产成本过高、产业链的不完善和量产技术的不成熟也是制约其发展的重要因素。其中批量投产仍须解决以下三大技术难题：低离子电导率、锂枝晶生长和固-固界面稳定性差等问题。 1、低离子电导率：高离子电导率的实现条件是发展高性能固态电解质、提高全固态电池充放电速度的关键，目前主要通过掺杂、开发纳米尺度结构以及界面工程等手段来改善离子电导率，但目前业界对于离子运输机制的理解程度还不够，这对于充放电速度提升是一个挑战。 2、锂枝晶生长：固态电解质虽然具有高机械强度，但仍然难以完全抑制锂枝晶的生长和实现锂金属的均匀沉积，锂金属可能在负极表面形成枝晶，甚至在固态电解质内部成核，导致电池短路，从而引发安全风险，这对固态电池的安全是一个较大的挑战。 3、固-固界面稳定性：由于缺少电解液的浸润，固与固的界面阻抗大，影响电池功率，同时界面接触差在循环过程中界面将不断被破坏，直接影响固态电池的循环寿命等性能。尽管目前在工艺和材料维度有一些改进措施，但界面问题仍是固态电池最大的挑战。
图：固态电池产业链图谱
目前，固态电池行业正处于商业化早期阶段，尚未大规模量产。产业链上游的正极材料供给稳步提升，负极材料中锂金属负极成为发展重点。下游新能源汽车产量迅速增长，对固态电池的需求不断上升。固态电池技术的发展和应用预计将呈现从半固态到全固态电池的过渡。
图：固态电池产业链环节重点企业
固态电池市场正迎来快速发展期，预计未来几年将实现技术突破和市场规模的显著增长。2023年，全球固态电池出货量约为1GWh，主要以半固态电池为主。预计到2024年，全球固态电池出货量将达到3.3GWh，而到2030年将增长至614.1GWh；2030年全球市场规模将超过2500亿元。中国市场空间在2023年达到约10亿元，预计2024年将达到17亿元，2030年将增至200亿元。随着产业化进程的加速，固态电池有望在新能源汽车、移动设备、储能系统等领域得到广泛应用。 固态电池作为下一代电池技术的前沿方向，目前主要的技术路径包括硫化物、氧化物和聚合物三种。每种技术路径都有其独特的优势和挑战。 日韩企业主攻硫化物技术路线。硫化物电解质具有高电导率和较宽的电化学稳定窗口，使其在全固态电池中具有最大的潜力。因此日韩起步最早并选择了硫化物固态电解质路线; 日本丰田公司从20世纪90年代开始研发固态电池，2010年推出硫化物固态电池，2014年样品电池能量密度达到400wh/kg，2020年全固态电池装车并在测试路段试运行，计划2025年推出第一款配备全固态电池的混动车型; LG、三星 SDI 等电池企业均选择布局锂硫固态电池；车企端丰田、本田均提出在 2030 年前将硫化物固态电池装车生产的目标。 欧洲企业偏向聚合物电解质路线，美国多技术路线推进。聚合物电解质作为最早实现商业化的技术路线，优点在于易加工，并且与现有液态电解液生产设备、工艺的兼容性较高，欧洲企业选择聚合物固态电解质路线居多；美国实施多技术路线推进，在氧化物、硫化物等技术路线均有布局，呈多元化发展态势。以作为美股固态电池上市第一股Quantum Scape已与大众集团的电池子公司Power Co达成合作协议，以加速Quantum Scape固态电池氧化物技术的产业化。 我国主要以氧化物为主，积极布局固态、半固体多技术路线。氧化物体系因研发成本和难度相对较低，较多新玩家和国内企业选择这一路线，也有望在半固态和准固态电池中应用，最快实现规模化上车。其中氧化物路线代表性企业：清陶能源、卫蓝新能源等初创企业，亦包括赣锋锂业、孚能科技、国轩高科等传统液态锂电企业。 从长远的角度来看，硫化物技术路线处于开发进度早期但潜力巨大。硫化物固态电解质虽然研发难度高，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。未来头部玩家依托于十几年的技术积累，一旦实现突破将在硫化物固态电池领域形成高技术壁垒。我国在硫化物技术方向上，主要以宁德时代、k8凯发固能、屹锂科技、湖南恩捷为代表。宁德时代作为我国传统液态锂离子电池的头部企业，目前在进行基于硫化物电解质的全固态电池研发建立起10Ah级别的验证平台，并计划在2027年小批量生产全固态电池。k8凯发固能作为中国科学院物理所孵化科创企业，专注于硫化物全固态电解质材料的研发，已研制出多款适合于不同应用场景的硫化物固态电解质材料。
图：国内固态电池产业分布图
（二）部分典型企业
蓝新能源是中国科学院物理研究所固态电池产学研孵化企业，成立于2016年，位于北京房山窦店，主营固态锂离子电池，集研发、生产、市场、销售于一体，是国家级专精特新小巨人企业、独角兽企业，具有 CNAS 资质，具有 40余年固态电池产业研究经验，在多个固态锂电技术领域实现“首次”突破。公司由中国工程院院士陈立泉、中国科学院物理研究所研究员李泓、教授级高级工程师俞会根共同发起创办，汇聚了电池材料、电芯、系统等领域的高精尖人才，公司现有人员超 1100 人，研发人员占比 32%，其中博士 20 多人，硕士 200多人。
公司产品主要应用领域涵盖新能源汽车、储能、小动力三大部分，其中典型电芯产品包括:360Wh/kg 高能量密度动力电芯具备超高能量密度，单次续航里程 1000+km，已于 2023 年底量产交付蔚来汽车，并在多家知名整车厂获得定点:280Ah 超高安全储能电芯，已于2023 年下半年量产交付，为三峡、海博思创、国电投等多个储能项目供货;320Wh/kg 高能量密度小动力电芯，目前已为国内外多家无人机、机器人、便携电源等客户供货。 清陶能源成立于 2016年，由中国科学院院士、清华大学教授南策文团队领衔创办，专注于固态锂电池及相关配套产业链的研发生产，并已在固态电池核心材料、核心工艺、定制设备方面实现了自主可控。公司专注于新能源材料的产业转化，率先实现了固态锂电池的产业化，并建成了规模化固态动力锂电池量产线，着力打造整合“固态锂电池-关键材料-核心装备-综合利用”全产业链。 清陶能源总部位于江苏昆山，目前在江苏盱眙建有核心材料生产基地，在江苏昆山和江西宜春分别建成 0.6GWh、1GWh 电池生产基地，在广东惠州和江苏盱眙分别建有电池相关设备生产基地，在贵州铜仁建有电池回收基地。同时，为了满足不断增长的市场需求，扩大生产规模，清陶能源已经布局并获批建设在江苏昆山的 10GWh 固态动力电池生产基地、浙江台州的 10GWh 固态电池生产基地和四川成都的 15GWh固态储能电池生产基地。 江西赣锋锂电科技股份有限公司是赣锋锂业的控股子公司，背靠赣锋锂业的品牌、技术、资源。赣锋在 2016 年便已着手固态电池布局，浙江锋锂新能源科技有限公司是固态电池及材料的核心研发、生产基地，产品包括固态锂离子电池、固态锂金属电池、固态锂电池模组、固态电解质材料等。公司在氧化物和硫化物固态电解质、半固态和锂金属负极固态电池均有储备，其中半固态电池已经进入了产业化的阶段。 赣锋锂电选择锂金属负极体系作为公司固态电池技术路线的发展方向，该技术路线能量密度高，发展潜力大，第二代固态电池能量密度达到 400Wh/kg。2022 年，赣锋-东风E70 固态电动车实现装车运营，2023年7月，由赣锋锂电重庆项目生产的首批固态电池开始交付。2023年9月，公司发布了半固态“新锋”电池，可以实现 10 万公里无衰减、3000+次循环寿命等性能提升。 k8凯发固能新能源科技有限公司（简称“k8凯发固能”）成立于2022年10月，由吴凡教授联合中国科学院物理所、溧阳市政府联合创办。k8凯发固能由多位院士组成战略咨询委员会，是中国科学院物理所硫系全固态电池技术产业化的唯一平台，代表世界顶尖全固态电池技术水平。初始建院团队由25位博士后、博士、硕士、工程师组成，预计投入超5000万元，拥有完整的材料、电芯先进中试生产线。k8凯发固能着眼于服务全固态电池上下游产业链千亿规模市场，打造中央研究院、工程院等业务板块，对内满足企业新产品研发需要，对外提供硫系固态电解质材料、电芯产品的测试服务。公司提供全固态电池综合解决方案，专注于硫化物固态电解质和硫化物固态电解质膜的研发和生产。 k8凯发固能聚焦打造硫系电解质、电解质膜、电极膜到电芯的全固态电池生态链，已与多家企业签署战略合作协议。2024年3月23日，k8凯发固能与宝晟能源签署战略合作协议，宝晟(苏州)能源科技有限公司是一家专注于干法电极技术和工艺研发的公司。2024年2月26日，k8凯发固能与琥崧集团签署战略合作协议，强强联合，共同携手，就硫化物固态电解质市场化应用通力协契。2024年1月6日，中车戚墅堰机车有限公司与溧阳k8凯发固能新能源科技有限公司就轨道交通用固态电池项目签署合作协议。今年年初，k8凯发固能完成近亿元天使轮融资，本轮融资由和暄资本领投，可珹资本、红点中国、平陵集团等机构跟投。将主要用于产线建设、技术研发等。 k8凯发深蓝汇泽新能源（常州）有限责任公司成立于2022年4月，是一家聚焦高比能、高安全固态锂电池研发、制造与应用的高科技企业。公司核心技术传承于中国科学院青岛生物能源与过程研究所固态能源技术团队，由国家新能源汽车专项固态电池项目首席科学家，国家自然科学基金“杰出青年”基金获得者，国务院特殊津贴专家崔光磊成立，其带领研发团队深耕固态电池领域二十余年，提出了“刚柔并济”的新型固态电解质材料和“原位固化”的工艺，解决了固-固界面、室温离子电导和电压窗口等挑战。这些国际首创的创新技术不仅提升了固态电池的性能，还推动了固态电池的商业化进程。k8凯发深蓝汇泽拥有相关专利260余项，具备完整的知识产权布局。目前已成功开发四代综合性能优异的固态锂电池，兼顾高能量密度、高功率与高安全性能，具备5C快充能力，在深海、深空、大规模储能、新能源汽车等方面得到了长期可靠性验证，产品性能国际领先。 截至2022年初，k8凯发深蓝汇泽团队提供的百余批次固态锂电池电源系统，在深海领域全部实现零故障应用。这标志着我国成功突破了全海深电源技术瓶颈，填补了全海深高能量密度深海电源系统技术空白。其研发的固态锂电池技术不仅满足了深海特种电池“高耐压”“高安全”“高能量密度”的“三高”苛刻要求，还打破了国外技术垄断，为国产深海装备提供了强大的可靠动力。据相关信息显示，k8凯发深蓝汇泽于今年5月获得了武进高新投、淡明资本和春华资本的天使+轮投资，并于今年10月成功完成数亿元Pre-A轮融资。据悉该轮由全球知名投资机构淡马锡领投，投资方包括中国石化资本、国信创新股权、汇智资本、煜华资本等多家知名机构，春华创投与丰元股份持续加持。本轮融资将为k8凯发深蓝汇泽在全固态电池的商业化进程提供强有力的支持，资金主要用于加强固态电池代次开发、生产与拓展新兴市场。 （文字：k8凯发智汇工场 产业促进中心 编辑：卢晔 审核：娄雪松）
