固态电池四大核心材料

来源：奇偶派（ID：jioupai） 作者：叶子 编辑：钊

过去三年中，新能源车市需求的膨胀式发展，让动力电池行业的“话语权”掌握在了最上游的锂矿企业手中，而锂矿价格也像坐上了过山车一般，从20年的不足4万元/吨，一路飙涨至最高超57万元/吨，成为了新能源时代的“白色石油”。

而新年伊始，一路狂奔向前的锂矿市场却接连遭遇失速。

以澳大利亚为代表的锂矿石开采产能已经提速，加之涨价使得电池材料回收产业迎来机遇，回收资源很大程度上替代了原始的资源需求。同时，下游需求在第一轮新能源车热潮过后，出现了一定程度的萎靡。

在需求与供给的双重打击之下，锂矿也迎来了“雪崩”，其价格在短短三个月中便下跌到了15万元/吨。

在锂矿价格下跌的同时，锂离子动力电池的经济性也重新凸显了出来，在过去两年中不被看好的锂离子固态电池，在市场与技术的双重利好之下，重新被人们所认知。

4月18日，在上海车展中，长安深蓝首款搭载半固态电池系统的中型SUV深蓝S7亮相，其优异的续航与极高的安全性受到了参展人的广泛关注。而东风汽车、蔚来、赛里斯等车机厂，也纷纷抛出了自己的固态电池制造计划。

而在国家层面，韩国政府于4月20日宣布，将由政府及其头部电池公司牵头，在2030年之前共同投资20万亿韩元，以开发包括固态电池在内的先进电池技术，并在2025年开始商业化生产，进而维持韩国在动力电池领域的绝对实力。

可以说，全球范围内的尖端车机厂商与政府都加入了这场固态电池领域的“军备竞赛”，那么，固态电池究竟是什么？为何在锂离子电池经济性重新出现后便如此受到车机厂、政府与技术人员的关注？

本文将通过研究分析当前固态电池相关技术的推进程度，以及对产业链上相关公司的分析，来为读者展现固态电池行业及公司的发展状况。

固态电池或将取代传统锂电池

固态电池有哪些优点？在回答这个问题之前，我们需要了解锂离子电池的分类。

锂离子电池自出现至今已有近40年的历史，自1976年锂电池之父”斯坦利·惠廷汉姆提出最早的锂二次电池雏形：正极材料使用硫化钛，负极使用金属锂并且使用含锂盐的电解液后，锂离子电池便正式出现了。

但由于电池的安全性、稳定性、电容量等各项指标均不理想，导致其始终无法商用。

而在1980年古迪纳夫开发了钴酸锂、磷酸铁锂以及锰酸锂三大正极材料后，便奠定了现在主流正极材料体系。1991年吉野彰摆脱负极锂金属限制，创新性使用石墨作为负极，才真正突破理论性研究，进而开发了第一个商用锂离子电池。

但是，伴随着科技的快速发展与消费者对锂离子电池容量、安全性的要求不断提高，我们急需一种新型的锂离子电池，此时，与电池容量与安全性息息相关的电解质部分，便被科学家们盯上了。

如果按电解质的形态对锂离子电池进行分类的话，可以按照其中液体含量的多少分为液态电池与固态电池，而固态电池又能分为半固态电池、准固态电池与全固态电池三种类型。

液态电池中的电解质都是由液体组成，而半固态液体电解质质量百分比<10%，准固态液体电解质质量百分比<5%，全固态则不含有任何液体电解质。

那么，固态电池与液态电池在具体表现上究竟有哪些不同？

首先，液态电池即将到达能量密度瓶颈，而固态电池能量密度上限更高。

《中国制造2025》提出的电池技术目标是2020、2025年分别达300Wh/kg、400Wh/kg；而据中科院研究院吴娇杨等统计，1991-2015年锂离子电池的能量密度已提升3倍，GAGR约3%，按线性推算2020、2025年能量密度仅能达到300Wh/kg、320Wh/kg。

而从实际技术来看，由于锂金属负极活性极强、稳定性差导致极难与液态电解液兼容，进而无法发挥其具有最低电化学电势与极高的电容量的优点，直接限制了整个电池能量密度的发展。

此外，电解液也很难匹配高电压正极，目前主流的电解液电压窗口不超过4.5V，这直接制约了正极材料的可选范围，从而限制了能量密度的发展。

也就是说，现在的锂离子电池能量密度增速明显放缓并接近理论极限，在不更新材料的前提下，再难取得新的突破。

而固态电解质便很好地解决了这些问题。

相较于液态电解质，固态电解质的电化学性能更稳定，能兼容活性极强的锂金属负极；同时固态电解质可抑制锂枝晶析出，满足锂金属负极应用的必要条件。

同时，部分固态电解质电压窗口更大，可适配高电压的正极材料；若采用锂金属负极，则理论上正极可用不含锂材料，能量密度、降本空间都有望得到巨大提升，体积能量密度更有望超过100Wh/L。

次之，液态电池难以解决安全性的问题，固态电池却从根本上杜绝了问题的发生。

电解液是造成液态锂离子电池安全事故的最大推手。锂电池的热失控主要是因内部短路或工作温度过高的原因导致初始温度上升，导致SEI膜分解，同时电解液持续升温释放多种可燃气体与氧气，进而出现燃烧的情况。

目前锂电池产业主要依靠缓解热失控来应对安全事故，如在电芯内添加阻燃剂、惰性气体等；在Pack层面可增加反穿刺设计、热屏障等。但是高危的电解液是LIB安全问题的本质，而其作为LIB的必需材料，理论上无法解决安全性问题。

而固态电解质的失控初始温度均超过液态电解质（120℃），而氧化物固态电解质的安全性最高，热失控温度均超过600℃，从理论上杜绝了电池燃烧等安全问题。

最后，便是液态电池的工艺优化空间远不如固态电池大。

目前，液态电池的电信制造流程主要包括电极制备（湿法为主）→卷绕→封装→注液→化成→分选→组装，而高速率混浆、涂覆和卷绕/叠片技术以及大容量电芯技术推动单线产能不断扩大。

资料来源：高工锂电，中国银河证券

但由于湿法电极制备环节中涉及低效率的涂覆、烘干，卷绕环节需要停线插入极片等因素，即使是特斯拉升级后的4680技术，仍涉及复杂的激光焊接环节，因此电芯制造效率提升仍存在较大瓶颈。

此外，传统组装CTM为电芯-模组-电池包-车身的过程，会使用大量零部件并增加整体质量，同时涉及复杂连接、电池管理系统的配合。

而固态电池则可以采用干法电机工艺。干法电极技术是一种无溶剂的生产技术，方法是将正负极材料与粘结剂等混合，然后直接通过压延、喷涂、挤出或气相沉积的方式形成片状、薄膜状电极。

与湿法电极制备相比，干法技术的优势主要体现在：①省去了浆料搅拌、干燥、有害溶剂回收等环节，节省了材料、时间、厂房和人工等生产成本；②性能方面，电极更厚能量密度更高；③无有毒溶剂更环保。

数据来源：中国银河证券

此外，在组装环节中，固态电池使用多层双极结构的电芯本身就可视为“成组”过程，通过串联式的致密堆积可以大大提升空间利用率，实现更低的内阻、更高的能量密度与电流输出，在后续封装过程中也无需复杂的连接，在量产后有着极大的提效空间与降本空间。

也正是打破能量密度瓶颈、有效优化传统锂电池缺陷、可以进一步突破工艺空间，成为了固态电池加速发展，替代液态电池的三大推力。

“折中”的方案——半固态电池

那么，既然固态电池较传统锂电池来说有着如此多的优势，那么并未加速普及的背后，自然有着它自身尚未攻克的难题。

而这些难题总结下来，主要集中于两个方面：

一方面，全固态电池尚有技术难点有待突破，比如固态电解质的离子电导率远低于液态电解质，这使得电池内阻明显增大、电池循环性变差、倍率性能变差等；

而另一方面，高昂的成本也是制约全固态电池商业化的因素，目前液态锂电池的产业链非常成熟，可以用低廉的成本生产出性能较好的锂电池，而全固态电池的产业链还不够完善。

而解决这些问题的最主要着手点，还是推进固态电解质的研发。

目前，固态电池有着三条主流路线，分别为聚合物、氧化物、硫化物，三种技术路线体系不同，各有优劣。

首先是聚合物技术路线，聚合物做电解质的优点是易加工，与现有的液态电解液的生产设备、工艺都比较兼容，并且机械性能较好。但其电导率太低，需要加温至60℃方可正常工作，也无法适配高电压的正极材料。

而硫化物则刚好与聚合物相反，硫化物有着最高的电导率与较宽的电化学稳定性，是最有发展潜力的技术路线，但硫化物的制备工艺十分复杂，且容易与空气中的水、氧气反应产生硫化氢剧毒气体。

而氧化物则兼具两者的优点，有比较好的导电性、稳定性和电化学性能，也是目前推进最快的技术。

资料来源：信达证券

氧化物体系因研发成本和难度相对较低，故国内厂商侧重氧化物固态电解质，也有望在半固态池中实现规模化上车。

但从长远角度看，硫化物固态电解质虽然研发难度高，但因其优异的性能和较大的潜力吸引实力和资本雄厚的电池企业不断投入研发，诸多巨头选择其为主要技术路径，头部企业已有十几年的技术积累，一旦实现突破将形成高技术壁垒。

而在电解质的选择之外，电池能量密度的提升还需要匹配高能电极材料。

固态电池可以沿用现有的负极体系，但对提升能量密度的帮助不大。而如果想要大幅度提升电容量，便需要高效应用锂金属负极。

锂金属负极具有能量密度高的优势，这直接关乎电池的容量问题。因此，可以不夸张的说，哪家公司掌握了锂金属负极的应用技术，这家公司便能获得产品性能、成本的双重优势，占据市场战略高地。

但是，目前锂金属负极亟需解决稳定性的问题，且锂金属负极量产降本空间极大，这都是尖端电池技术企业需要跟踪长期研究的课题。

所以说，当前全固态电池的发展仍然任重道远，规模量产的挑战极大。

此时，半固态电池作为一种“折中”的工艺，便是当下最好的选择。

半固态电池制造工艺流程和装备与目前锂电池通用程度高，只是一些关键的工艺环节，比如原位固态化、混料、注液等，操作方式和现在的液态锂电池不同。

但其却拥有能量密度高、体积小、安全性更高、柔性化程度更好等诸多特点，成为了目前车机厂商们下一代主流电池技术路线的首选。

同时，半固态电池也被视作全固态的过渡路线，毕竟没有哪一项新技术是一蹴而就，都需要在研究与商业化之间来回往返，共同进步。

清陶能源、卫蓝新能源，突围固态技术制高点

由液态电池逐渐向固态电池过渡是锂电技术进步的重要趋势。在全球范围内，各大车企、电池企业、投资机构、科研机构等在资本、技术、人才方面均积极布局，以加速固态电池产业化进程。

而从全球范围来看，大致可分为中国、日韩及欧美三个阵营。

在技术方向上，日韩起步最早并选择了硫化物固态电解质路线，目前日韩企业持有固态电池专利数全球领先。欧美选择氧化物固态电解质路线居多，且均在直接开发锂金属负极应用。

而中国三种固态电解质路线均有布局，在开发全固态电池的同时也在大力发展对现有产业更友好的半固态电池，也有众多优秀的中国公司从快速发展的行业中脱颖而出。

其中，卫蓝新能源在固态电池技术革新上发挥了自身的价值。

卫蓝新能源成立于2016年，是一家专注于全固态锂电池研发与生产、拥有系列核心专利与技术的国家高新技术企业，是中国科学院物理研究所清洁能源实验室固态电池技术的唯一产业化平台。

虽然公司成立较晚，但其由中国工程院院士陈立泉、中科院物理所研究员李泓、原北汽新能源总工俞会根共同发起创办，早在上世纪九十年代便开始进行固态电池的研发，具有较为深厚的技术积累。

图源：Sensor Tower

卫蓝新能源的产品覆盖面很广，研发内容包含了正负极、电解液、隔膜、生产设备等整个电池生产的全方面。并拥有22Ah、23Ah、27Ah、30Ah 四种固态锂离子电芯产品，以及 7 种不同规格的固态锂离子电池包，可用于巡检、安防、无人机、机器人、医疗设施设备等领域。

资料来源：卫蓝新能源公司官方网站

而在前沿技术推进的同时，公司也在推动固态电池的量产与商业化，分别于2020年与2022年，在溧阳、淄博、湖州三地进行了固态电池产线的开工与投产。

而也就在去年11月，卫蓝新能源成功量产了360Wh/kg车规级固态电池产品，可以实现电动汽车一次充电续航里程达到 1000km。较好地解决了消费者最为关切的里程焦虑和安全性问题，这就标志着2023年，成为了中国车用固态电池商业化的开始。

而在公司的背后，也有众多头部车厂、产业资本和政府资金的身影。

2018年，卫蓝新能源完成A轮数亿元人民币的融资，投资方包括三峡资本、中科院创投等多家基金，还在各地政府的扶持下成立了江苏卫蓝新能源电池有限公司、北京卫国创芯科技有限公司、溧阳先导固态电池材料有限公司等三家子公司。

随后，还与天齐锂业合资成立天齐卫蓝固锂新材料有限公司，从事预锂化负极材料与回收、金属锂负极及锂基合金（复合）负极材料、预锂化试剂（原材料）、预锂化制造设备等相关业务。数据显示，截止2022年12月，卫蓝新能源共完成了八轮融资，老股东蔚来资本、IDG资本继续加注。

率先实现规模化量产，清陶能源基本领跑了固态电池行业新格局。

清陶能源是清华大学南策文院士团队领衔创办的高新技术企业，是国内固态锂电池产业化的领跑者，建有国内首条固态锂电池生产线，率先实现了由0.1GWh到1GWh的产能升级，构建了完备的自主知识产权体系。

实际上，早在2018年，清陶在3C数码领域便实现了固态电池的第一代电池的量产；2020年，清陶与合作伙伴共同公开披露了可行驶固态电池的样车，也是国内固态电池发展领域多个第一名的取得者。

目前，清陶能源下设固态锂电池、固态锂电池相关材料、相关设备和电池回收利用四个板块，覆盖产业链中下游，通过核心材料和设备创新来共同支撑固态锂电池整个产业创新的发展。

资料来源：清陶能源官网

在技术方面，清陶能源背靠清华大学团队，主要着重于以氧化物为电解质的半固态电池方向的研发，通过正负极、电解液、隔膜、粘接剂、封装工艺等多项发明专利，成功减少了电解液中易燃易爆的添加剂，其量产的固态电池，在提升安全性的同时，还具有能量密度高、长寿命、可柔性化等优点。

在产品方面，公司不仅生产固态电池，还包括许多相关新材料与自动化设备，主要包括括固态电解质材料、复合隔膜材料、凹土新材料与众多非标定制化设备等，已经成为了国内众多固态电池企业材料、设备的供应商。

而在固态电池相关产能的布局方面，清陶能源也在加速扩张。据统计，目前公司固态电池已建、在建和拟建的产能合计达到 35GWh。拥有三条固态动力电池项目生产线，并将于2023年全部投产，成为行业的中“吃螃蟹的人”。

写在最后

可能再也没有一种前瞻锂电池技术，像“固态电池”那样拥有这么高的人气。

作为传统锂电池的升级，固态电池通过更换电解质与负极材料的方法，获得了能量密度更高、安全性更好、工艺优化空间更大、柔性更强的电池，成为了下一代锂电池的理想形态。

但是，一项先进技术的研发过程，绝不会是一路坦途，固态电池的发展道路也是如此。时至今日，三种固态电解质各有优劣，都没有达到理论中那么良好的状态。此外，尚未形成规模化的生产，也大大抬升了固态电池的成本。

但也正是在科研与商业化不断交织的过程中，一项新的技术才能发展起来。

时至今日，其实在众多对期望性能高但对经济性没有过多要求的场景，固态电池已经在悄无声息的渗透，并正在逐步取得广泛应用。

而我相信，伴随着时间的推移与技术的突破，固态电池一定会逐步普及，并在各个领域中替代掉传统的液态锂电池。而相关公司，也将在这场事关所有人的电池替代大潮中快速成长。

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