自20世紀(jì)90年代以來，鋰離子電池已發(fā)展成為最成熟、應(yīng)用最廣泛的電池技術(shù)路線。隨著市場(chǎng)對(duì)電池能量密度、安全性、經(jīng)濟(jì)性等方面要求的日益提升，采用固體電極和固態(tài)電解質(zhì)且具備更高能量密度和安全性的“固態(tài)電池”便應(yīng)運(yùn)而生。受國(guó)家政策推動(dòng)影響，新能源汽車行業(yè)快速發(fā)展。根據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)，今年上半年我國(guó)新能源汽車?yán)塾?jì)銷量為374.7萬輛，市場(chǎng)占有率達(dá)到28.3%。7月，新能源汽車市場(chǎng)占有率更是升至32.7%，接近1/3。固態(tài)電池主要應(yīng)用于新能源汽車等領(lǐng)域，隨著下游新能源汽車需求規(guī)模快速增長(zhǎng)，固態(tài)電池行業(yè)發(fā)展前景廣闊。
一、固態(tài)電池概述
傳統(tǒng)鋰離子電池包括正極、負(fù)極、電解液、隔膜四大組成部分，固態(tài)電池將電解液換成固態(tài)電解質(zhì)。固態(tài)電池較之傳統(tǒng)鋰離子電池，關(guān)鍵區(qū)別在于電解質(zhì)由液體變?yōu)楣腆w，兼顧安全性、高能量密度等性能。
固態(tài)電池的優(yōu)勢(shì)：
（1）使用固態(tài)電解質(zhì)替代液體電解質(zhì)和隔膜，固態(tài)電解質(zhì)燃點(diǎn)非常高，提高電池?zé)岱€(wěn)定性能；
（2）固態(tài)電池的電壓平臺(tái)是5V，高于液態(tài)電池的4.3V，能夠匹配高壓電極材料，電池能量密度和比容量?jī)?yōu)于液態(tài)電池；
（3）固態(tài)電解質(zhì)不具有流動(dòng)性，因此不存在漏液現(xiàn)象，簡(jiǎn)化電池成組設(shè)計(jì)，降低電池的重量和體積，能量密度有望突破300Wh/kg。
固態(tài)電池可以分為聚合物固態(tài)電池、硫化物固態(tài)電池、氧化物固態(tài)電池及薄膜固態(tài)電池等不同的電池體系。
二、固態(tài)電池生產(chǎn)工藝
與傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池相比，固態(tài)電池的前段工序基本與液態(tài)鋰離子電池相同，中、后段工序上，固態(tài)電池需要加壓或者燒結(jié)，不需要注液化成。
整個(gè)固態(tài)電池的生產(chǎn)流程中，電解質(zhì)成膜工藝是關(guān)鍵工藝。不同的工藝會(huì)影響固體電解質(zhì)膜的厚度和離子電導(dǎo)率，固體電解質(zhì)膜過厚會(huì)降低全固態(tài)電池的質(zhì)量能量密度和體積能量密度，同時(shí)也會(huì)提高電池的內(nèi)阻。相反，固體電解質(zhì)膜過薄機(jī)械性能會(huì)變差，有可能引起短路。
電解質(zhì)成膜工藝作為固態(tài)電池的核心工藝，可分為干法工藝與濕法工藝兩大類。除干法與濕法兩種工藝外，還可以通過化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、電化學(xué)氣相沉積和真空濺射的氣相法制備固體電解質(zhì)膜。但是氣相方法的制備成本較高，只適用于薄膜固態(tài)電池。
固態(tài)電池干法/濕法生產(chǎn)工藝比較
1）固態(tài)電池存在固-固界面接觸難題，內(nèi)阻較大，循環(huán)性能、倍率性能差。
2）加工工藝難度大：硫化物固態(tài)電解質(zhì)對(duì)生產(chǎn)環(huán)境要求苛刻，需要隔絕水和氧氣，同時(shí)涉及薄膜沉積等與現(xiàn)有液態(tài)鋰電池完全不同的生產(chǎn)工藝，大規(guī)模量產(chǎn)技術(shù)尚未解決。
3）生產(chǎn)成本高：根據(jù)國(guó)際新能源網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，固態(tài)電池生產(chǎn)制造成本占比超50%，而液態(tài)鋰離子電池生產(chǎn)成本僅為20%-30%。固態(tài)電池生產(chǎn)工藝流程。
對(duì)于固態(tài)電池，其生產(chǎn)工藝需要在電極、電解質(zhì)、界面工程及封裝技術(shù)等方面進(jìn)行突破，生產(chǎn)工藝性的優(yōu)化提升是實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池工程化和商用應(yīng)用的重要組成部分。
三、固態(tài)電池技術(shù)路線
近年來，下游應(yīng)用領(lǐng)域的不斷革新對(duì)鋰電池行業(yè)提出了愈來愈高的要求，鋰電池技術(shù)也由此不斷進(jìn)步，向更高的比能與安全性進(jìn)發(fā)。從鋰電池技術(shù)發(fā)展的路徑來看，液態(tài)鋰電池能夠?qū)崿F(xiàn)的能量密度已經(jīng)逐漸接近了它的極限，固態(tài)鋰電池將是鋰電發(fā)展的必經(jīng)之路。
技術(shù)路線：固液混合向全固態(tài)漸進(jìn)式發(fā)展，多路線并行
固態(tài)電池技術(shù)路徑從固液混合電池向全固態(tài)電池漸進(jìn)發(fā)展?，F(xiàn)階段固態(tài)電池體系包含部分液態(tài)電解質(zhì)以取長(zhǎng)補(bǔ)短。而技術(shù)發(fā)展過程中將逐漸減少液體，從混合固液電池最終邁向無液體的全固態(tài)電池。
三大體系各有優(yōu)劣，全固態(tài)鋰電池短期內(nèi)難以得到規(guī)模化推廣
聚合物、氧化物、硫化物三類固態(tài)電解質(zhì)仍存在技術(shù)分歧，三大體系各有優(yōu)勢(shì)：
2）氧化物固態(tài)電解質(zhì)綜合性能好，LiPON薄膜型全固態(tài)電池已小批量生產(chǎn)，非薄膜型已嘗試打開消費(fèi)電子市場(chǎng)，但成本過高；
3）硫化物固態(tài)電解質(zhì)電導(dǎo)率最高，研究難度最高，開發(fā)潛力較大，如何保持高穩(wěn)定性是一大難題。
總體上，當(dāng)前主流技術(shù)以氧化物及硫化物電解質(zhì)為主，氧化物在穩(wěn)定性上占優(yōu)，而硫化物在導(dǎo)電性上占優(yōu)。氧化物代表企業(yè)包括中國(guó)臺(tái)灣輝能、TDK、豐田、江蘇清陶能源、北京衛(wèi)藍(lán)新能源等。硫化物代表企業(yè)包括寧德時(shí)代、松下、LGC等。
四、企業(yè)布局
固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈與液態(tài)鋰電池大致相似，兩者主要的區(qū)別在于中上游的負(fù)極材料和電解質(zhì)不同，在正極方面幾乎一致，若完全發(fā)展至全固態(tài)電池，隔膜也完全被替換。下游應(yīng)用領(lǐng)域主要為消費(fèi)電子、新能源汽車、儲(chǔ)能等新興領(lǐng)域。
固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈圖譜
固態(tài)電池的研發(fā)，主要集中在中日韓美歐五個(gè)國(guó)家和地區(qū)。目前固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)總體處于研發(fā)和中試階段，中、日、韓在固態(tài)電池開發(fā)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，歐美政府和多家企業(yè)則寄希望于通過固態(tài)電池改變現(xiàn)有動(dòng)力和儲(chǔ)能電池格局。
布局的固態(tài)電池企業(yè)分為三大類，一類為創(chuàng)業(yè)型企業(yè)，如QuantumScape、SolidPower、輝能等；一類為電池企業(yè)，如CATL、三星SDI等，一類為車企，如豐田、本田等。
4.1國(guó)內(nèi)企業(yè)固態(tài)電池布局情況
1、贛鋒鋰業(yè)
主要技術(shù)路線：采用氧化物厚膜技術(shù)路線
規(guī)劃產(chǎn)能：已建成0.3GWh固液混合產(chǎn)能，2021年擴(kuò)大1GWh產(chǎn)能。
項(xiàng)目：2017年12月子公司浙江鋒鋰投資2.5億元建設(shè)固態(tài)鋰電池研發(fā)中試生產(chǎn)線。2021年7月與東風(fēng)公司技術(shù)中心簽約，共同開發(fā)固態(tài)電池。
進(jìn)度：2019年建成第一代固態(tài)鋰電池研發(fā)中試生產(chǎn)線；2021年12月舉行首批載混合固液鋰電池東風(fēng)E70電動(dòng)汽車試車儀式。
技術(shù)水平：第一代單體容量10Ah，能量密度超過240Wh/kg，第二代能量密度超350Wh/kg，循環(huán)壽命約400次。
2、輝能科技
規(guī)劃產(chǎn)能：2021年1GWh；2023年7GWh；2025年54GWh。
項(xiàng)目：2017年建成40MWh的中試線；2019年與蔚來合作，為其生產(chǎn)“MAB”固態(tài)電池包；2021年獲3.26億美元融資，用于固態(tài)鋰電池量產(chǎn)建設(shè)及全球擴(kuò)產(chǎn)規(guī)劃。
進(jìn)度：2020年45.1Ah大容量電池產(chǎn)品在德國(guó)萊茵實(shí)驗(yàn)室完成了動(dòng)力電池第三方測(cè)試并取得報(bào)告；2021年半固體達(dá)1GWh產(chǎn)能，具備小批量生產(chǎn)能力。
技術(shù)水平：2019年開發(fā)的電芯能量密度已超過液態(tài)電池包的水準(zhǔn)；2020年預(yù)計(jì)達(dá)到384Wh/L超過豐田以及Tesla-Model3的水準(zhǔn)。
3、國(guó)軒高科
項(xiàng)目：2020年開始固態(tài)電池技術(shù)引入階段；2022年開始固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化；2025年生產(chǎn)全固態(tài)電池。
進(jìn)度：2019年，公司推出半固態(tài)電池的試生產(chǎn)線；2021年宣告為國(guó)內(nèi)高端純電動(dòng)配套半固態(tài)電池實(shí)現(xiàn)超1000km的續(xù)航里程比其第一代車型提高了一倍。
技術(shù)水平：能量密度達(dá)到300Wh/kg。
4、衛(wèi)藍(lán)新能源
規(guī)劃產(chǎn)能：現(xiàn)有產(chǎn)能0.2GWh，2022年新增2GWh，2023年新增8GWh。
項(xiàng)目：2019年3月開啟固態(tài)電池一期項(xiàng)目，總投資5億元；2021年2Gwh固態(tài)電池項(xiàng)目，總投資9.5億元。
進(jìn)度：溧陽基地中試線2020年已投產(chǎn)，湖州基地2GWh項(xiàng)目2022年投產(chǎn)；北京房山基地8GWh項(xiàng)目2023年量產(chǎn)。
技術(shù)水平：已完成300Wh/kg以上高鎳三元正極的混合固態(tài)電池設(shè)計(jì)開發(fā)，已向整車廠送樣測(cè)試。
5、珈偉股份
規(guī)劃產(chǎn)能：一期0.1GWh，二期2GWh。
項(xiàng)目：年產(chǎn)2.1GWh快充類固態(tài)電池項(xiàng)目，總投資為3.8億元，分成兩階段進(jìn)行。
進(jìn)度：一期已正式投產(chǎn)，產(chǎn)能為0.1GWh；二期建設(shè)正在進(jìn)行產(chǎn)能為2GWh。
技術(shù)水平：36Ah類固態(tài)軟包三元材料動(dòng)力鋰離子蓄電池通過國(guó)家質(zhì)檢，安全性高。
6、清陶能源
規(guī)劃產(chǎn)能：年產(chǎn)10GWh。
項(xiàng)目：2019年7月開啟年產(chǎn)10GWh固態(tài)鋰電池項(xiàng)目，項(xiàng)目分兩期建設(shè)。
一期年產(chǎn)1GWh，投資5.5億元；
二期年產(chǎn)9GWh，投資49.5億元，開工后兩年內(nèi)全部投產(chǎn)。
進(jìn)度：2021年一期年產(chǎn)1GWh項(xiàng)目已投產(chǎn)。
技術(shù)水平：清陶QT-360高能量密度固態(tài)動(dòng)力電池單體實(shí)測(cè)放電容量(1/3C)超過116Ah，能量密度為368Wh/kg。
7、神州巨電
規(guī)劃產(chǎn)能：年產(chǎn)10GWh。
項(xiàng)目：2019年12月開啟年產(chǎn)10GWh單體大容量、固態(tài)聚合物動(dòng)力鋰電池項(xiàng)目，項(xiàng)目計(jì)劃投資總額為60億元，分兩期建設(shè)(準(zhǔn)備期)。
進(jìn)度：項(xiàng)目一期計(jì)劃投資20億元建設(shè)期18個(gè)月；項(xiàng)目二期計(jì)劃投資40億元，建設(shè)期18個(gè)月、占地1000畝。
8、蜂巢能源
項(xiàng)目：2021年，公司與中科院合作設(shè)立固態(tài)電池技術(shù)研究中心。
進(jìn)度：2021年7月開始批量供應(yīng)半固態(tài)果凍電池。
技術(shù)水平：半固態(tài)電池能量密度已達(dá)260Wh/Kg。
4.2國(guó)外企業(yè)固態(tài)電池布局情況
1、豐田+松下（日本）
主要技術(shù)路線：硫化物
進(jìn)度：2004年起，豐田就已經(jīng)進(jìn)行了全固態(tài)電池研發(fā)，技術(shù)及專利積累豐富；
2019年1月，宣布于2020年前與松下設(shè)立新公司開發(fā)固態(tài)電池，5月展出固態(tài)電池樣品；
2020年推出搭載固態(tài)電池的新能源車型，計(jì)劃2025年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
2、日立造船（日本）
主要技術(shù)路線：硫化物
進(jìn)度：推出全固態(tài)電池(AS-LiB)，率先應(yīng)用在航天領(lǐng)域，計(jì)劃2025年后應(yīng)用于汽車市場(chǎng)。
3、三星SDI+SKI+LG化學(xué)（韓國(guó)）
主要技術(shù)路線：硫化物
進(jìn)度：2017年，三星SDI展出固態(tài)電池；
2018年，三家公司達(dá)成合作，并成立一個(gè)規(guī)模1000億韓元的基金，共同投資固態(tài)鋰電池等新一代電池技術(shù)并加速核心技術(shù)商業(yè)化進(jìn)程；
2020年，三星SDI固態(tài)電池最新科研成果發(fā)布，銀碳基全固態(tài)電池能夠?qū)崿F(xiàn)900Wh/L高能量密度、1000圈以上長(zhǎng)循環(huán)壽命及99.8%庫倫效率，電池一次充電后可驅(qū)動(dòng)汽車行駛800公里。
4、Bollore（法國(guó)）
主要技術(shù)路線：聚合物
進(jìn)度：首次使用裝載固態(tài)電池的電動(dòng)汽車，2011年推出Bluecar，配備30kWh的聚合物(LMP)電池。
5、Solid-power（美國(guó)）
主要技術(shù)路線：聚合物
進(jìn)度：由科羅拉多大學(xué)博爾得分校的科研成果衍生出來，獲得過寶馬、現(xiàn)代、三星等公司的投資，2019年與福特達(dá)成合作研發(fā)新一代電動(dòng)汽車全固態(tài)電池；2020年10月，Solid-Power宜布生產(chǎn)和交付其第一代2Ah的全固態(tài)電池(ASSB)，能量密度達(dá)到320Wh/kg，該產(chǎn)品準(zhǔn)備2021年投放市場(chǎng)，2026年應(yīng)用于汽車領(lǐng)域。
6、Solid Energy-System（美國(guó)）
主要技術(shù)路線：聚合物
進(jìn)度：由麻省理工學(xué)院科研人員衍生創(chuàng)立，向通用等公司籌資3000萬美元；2020年，SES與鴻海精密、寧德時(shí)代在動(dòng)力電池領(lǐng)域達(dá)成合作，并計(jì)劃在2024年推出固態(tài)電池；2021年，與通用汽車達(dá)成合作關(guān)系，作為協(xié)議的一部分，兩家公司計(jì)劃在馬薩諸塞州沃本建立一個(gè)原型工廠，目標(biāo)是在2023年之前擁有一個(gè)高容量的預(yù)生產(chǎn)電池。
7、lonic Materials（美國(guó)）
主要技術(shù)路線：聚合物
進(jìn)度：2018年，獲得雷諾-日產(chǎn)-三菱聯(lián)合投資；
2025年雷諾旗下電動(dòng)汽車規(guī)劃使用鉆含量為零的固態(tài)電池，由lonic-Materials提供技術(shù)支持。
8、Quantum Scape（美國(guó)）
主要技術(shù)路線：氧化物
進(jìn)度：獲大眾融資，2014年大眾持有其5%股權(quán)；
2018年6月追加投資1億美元；
2020年6月再次追加投資2億美元；
雙方合作目標(biāo)是計(jì)劃2025年前實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)全固態(tài)電池。
4.3新能源車企固態(tài)電池裝車進(jìn)程規(guī)劃
五、固態(tài)電池前景分析
目前，全球企業(yè)開始加大固態(tài)鋰電池方面的研究布局，加上各國(guó)政策的推動(dòng)下，固態(tài)鋰電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程有望加快。預(yù)計(jì)2021-2025年全球固態(tài)電池出貨量將逐步出現(xiàn)并有所提升，隨著市場(chǎng)的逐步成熟和技術(shù)的穩(wěn)定，預(yù)計(jì)2025-2030年市場(chǎng)出貨量將以59.4%的年復(fù)合增長(zhǎng)快速發(fā)展，到2030年出貨量將超過250GKh。
綜合鋰電池技術(shù)的發(fā)展路徑、我國(guó)各類規(guī)劃、以及各企業(yè)固態(tài)電池布局來看，固態(tài)電池行業(yè)的發(fā)展將成為大勢(shì)所趨。未來，我國(guó)固態(tài)電池行業(yè)的相關(guān)技術(shù)將不斷進(jìn)步，固態(tài)電池也將呈現(xiàn)更高的能量密度，更優(yōu)秀的安全性以及更低的成本，其實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)和商業(yè)化發(fā)展的時(shí)日已并不遙遠(yuǎn)。
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