据储能界了解到，
1 研究背景
锂离子电池（以下简称锂电池）凭借其可循环使用、使用寿命长等优势，在碳中和方面发挥了积极作用。然而，随着常规液态锂电池技术的迭代发展，电极材料、能量密度、安全性等方面的问题逐渐暴露。在推动锂电池向高性能高密度迭代的探索过程中，固态电池因理论能量密度高、安全性好成为关注热点。
在固态电池中，固态电解质替代了现有液态锂电池的电解液与隔膜部分，起到传输锂离子、隔绝正负极的作用。固态电池较传统液态锂电池有以下优势：①电化学窗口更宽，可匹配电极电位更高的正极材料，工作电压更高；②适配比容量更高的电极材料；③外包破损不会造成电池液外漏，电解质热分解温度更高，电池本征安全更好；④结构更简单，可通过多层堆垛技术实现内部串联，输出电压更高，无效质量或体积更少。固态电池对能源发展意义重大，从基本原理出发，比较不同电池技术发展前景趋势。
2 固态电池技术原理与发展趋势
2.1 提高固态电池能量密度
固态电池是打破现有锂电池能量密度极限的突破口，拆解能量密度，从比容量、工作电压、有效质量或体积等方面展开分析（见图1）。在其他条件不变的情况下，电荷容量越高，质量或体积越小，工作电压越高，电池能量密度越高。
电荷容量的大小取决于电极材料的性质，提升固态电解质能量密度的关键是适配性能更好的电极材料。若不更换电极材料，仅将传统液态锂电池的电解液和隔膜部分更换为固态电解质，由于固态材质的密度一般比液态材质高，电池能量密度可能不增反降。
电化学（稳定）窗口的宽窄取决于电解质的性质，在电化学窗口范围内，电极不与电解质材料发生界面反应，电池处于稳定状态。电化学窗口越宽，可适配的电极材料工作电压越广。固态电解质的电化学窗口一般比液态电解质更宽，可适配更活跃的电极材料。
更换比容量更高、正（负）极电位更高（低）的电极材料是固态电池电极材料体系迭代的核心。
2.1.1 更换正极材料体系
已实现商业化的锂电池正极材料包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂等。目前，在固态电池领域中，三元材料（镍钴锰）等由于界面阻抗大以及与电解质接触不佳，易导致电池容量低、循环差等问题。一般通过掺杂、包覆改性等方式改善传统正极材料的性能和表现。
建议从三方面着手开发新型正极材料。一是开发低电位下比容量更高的正极材料，如高镍正极材料；二是提高正极材料的嵌脱锂电位，如更高电压的钴酸锂、锰酸锂和富锂锰基层状氧化物正极材料；三是开发工作电压更高的正极材料，如尖晶石型镍锰酸锂正极材料。因此，高电压钴酸锂（电压≥4.50V），更高镍含量（镍含量＞0.80）或更高电压（电压≥4.35V）的镍钴锰酸锂和镍钴铝酸锂、富锂锰基正极材料以及无锂正极材料发展潜力巨大（见表1）。
高镍正极材料的发展难点在于镍含量和比容量的提升伴随着电池安全性和循环寿命的下降。当前，业界小规模试产的固态电池大多使用高镍8系或9系正极材料。富锂锰基材料理论比容量高、工作电压高、环境友好且与硅碳负极适配，是终极状态下能量密度突破500Wh/kg锂电池的理想正极材料。但富锂锰基材料电子电导率极低，与电解质界面副反应严重，现阶段难以实现产业化。工作电压较高的尖晶石型镍锰酸锂材料，兼具较高能量密度、经济性和安全性，但在稳定高压正极界面和避免界面副反应发生方面存在瓶颈。
新型正极材料尚处于研发阶段，距离全面商业化投产仍有较长时间。目前，固态电池厂商基本沿用原有的正极材料体系，以三元材料为主，在此基础上掺杂或包覆改性，使其性能更适配固态电解质。
2.1.2 更换负极材料体系：硅负极
在当前锂电池电极材料体系中，已实现商业化的负极材料以石墨为主，尽管石墨类材料容量是正极材料的2倍，但在模拟计算中负极材料比容量不超过1200mAh/g的情况下，提高负极材料的容量仍可有效提升电池能量密度。
石墨电导率高、稳定性强，但理论比容量较低（372mAh/g），当前，锂电池石墨负极的比容量已接近理论上限，开发高比容量的新型负极材料始终是固态电池领域的重要研究方向，硅负极和锂负极作为石墨负极的上位替代，具有重要讨论意义（见表2）。
硅负极的理论比容量远高于石墨负极（纯硅负极比容量达4200mAh/g），且储量丰富、环境友好，被视为高能量密度锂电池的理想负极材料。但硅负极在储锂过程中体积会发生较大膨胀，当锂离子完全嵌入时，硅负极的理论体积膨胀率达320%。体积的剧烈变化易导致活性物质从导电网络中脱落，使硅负极产生裂纹直至粉末化，循环寿命显著减损。
另一个影响硅负极产业化进程的原因是固体电解质界面膜（SEI）。在传统液态锂电池中，负极表面生成的SEI会阻止负极和电解液接触，避免两者进一步反应。而在硅负极电池中，体积的反复变化易使硅暴露在电解液中，导致SEI反复破裂和生成，厚度难以把控。这也消耗了自由锂离子，进一步限制了离子传输，使导电网络受损、电池容量衰减、循环性能下降。
硅负极材料的主要发展方向是氧化亚硅和硅碳复合材料（一般以纳米硅和碳材料为原料）。氧化亚硅可由气相沉积法制备，使纳米颗粒硅均匀分布在氧化硅介质中，既能充分发挥硅负极的高容量优势，又能部分缓解硅负极在充放电过程中由于体积变化而易粉末化的情况。
2.1.3 更换负极材料体系：锂负极
锂金属的理论能量密度是3860mAh/g，拥有常见金属中最低的还原电位（–3.04V），被视为锂电池的终极理想负极材料。但锂负极仍面临诸多应用难题：①在电池充放电循环过程中，锂金属表面易析出树枝状锂枝晶，严重时可能会刺穿电池，造成电极短路，引发热失控问题；②锂金属易与电解液发生反应，不稳定的SEI无法有效阻隔锂负极和电解液接触，反应形成的碳酸锂、氢氧化锂、氧化锂等产物，将降低电池循环寿命和效率；③锂金属是无基体转化型负极，沉积锂在体积膨胀过程中会呈现出疏松多孔形态，影响电池性能。
目前，实验室环境下，针对锂负极的主要改善方向包括三维储锂基提限和集流体，电解液和添加剂，修饰隔膜和人造SEI等。若使锂金属电池满足应用条件，对电流的密度和容量要求将进一步提高，易引发安全问题。由于锂负极难以完全适配有机溶剂体系，固态电池被视为锂负极更理想的使用场景，是围绕锂负极打造产业化电化学体系和打破电池能量密度上限的重要途径（见图2）。
2.1.4 简化封装方式
与液态电池生产相比，固态电池无需注入电解液，从工艺成熟度、效率、成本等方面考虑，叠片是最适合固态电池的制备工艺。可将电极单元直接堆叠串联，无需内部极耳，从而提高制造效率，降低包装成本。
叠片工艺主要有分段叠片和一体化叠片。分段叠片沿用液态电池原有工艺，将正极、固态电解质层、负极按制定尺寸裁剪后依次叠片包装；一体化叠片在裁切前先将正极、固态电解质层、负极压成3层结构，再按需求切割成多个单元，每个单元均包括正极、固态电解质层、负极，单元堆叠后包装。直接堆叠可节约体积，降低成本，但固态电池堆叠组件存在界面问题，需通过加热或加压缓解。
2.2 提高固态电池本征安全
电池本征安全是发展电池安全的根本措施和终极目标，即从材料入手降低热失控发生概率，而不是单纯的预防和解决。
固态电解质的热失控起始温度较高（见图3），聚合物固态电解质普遍在300～400℃，硫化物在200～600℃，氧化物在600℃以上，部分可达1800℃，显著高于液态电池的200℃热失控温度。固态电解质有助于延缓或抑制热失控的发生，从而提高电池本征安全。
3.1 聚合物电解质
聚合物电解质机械性能优异，粘弹性好，易于合成加工，可用于柔性电子产品或非常规形状电池，且生产工艺与液态电池部分兼容，界面相容性较好，价格较低，产业化潜力较大。聚合物电解质由聚合物基体和锂盐组成，通过聚合物分子链段运动传输锂离子，但常温下聚合物分子链段运动能力较差，电解质电导率较低，需加热使用，有一定条件限制。此外，聚合物电解质电化学窗口较窄，热稳定性较差，能量密度较低。因此，一般通过原位聚合等方式将聚合物电解质与无极电解质复合来提高电导率和能量密度上限，实现性能突破。
3.2 氧化物电解质
氧化物电解质是含有锂、氧等成分的化合物，按物质结构可分为晶体型和非晶体型，主要通过晶格空隙传递离子。氧化物电解质性能优异，热稳定性好，电化学窗口宽，机械强度高，但电导率较低，刚性较强，较难与其他固态电解质复合，且界面问题严重，在电池循环过程中无法消解电极膨胀产生的应力，有损于电池电导率和循环寿命。此外，氧化物电解质需经高温烧结制备，加工成本较高。目前，主要通过保留约5%的电解液弥补纯氧化物电解质电导率较低、界面问题较重等缺陷。
3.3 硫化物电解质
硫化物电解质室温电导率最高，是最接近电解液电导率的技术路线，机械性能好、界面问题少、延展性高，可适配掺杂、包覆改性等手段。但电化学窗口较窄，与电极的界面稳定性弱，且对水敏感，与空气中的微量水接触即可发生反应并释放有毒气体硫化氢。因此，硫化物电解质的生产、运输、加工对环境要求较高，加工成本高、难度大。目前，中国精细化工车间对有关生产流程的把控能力有限，日本、韩国等在硫化物技术路线上的研发水平更领先。硫化物电解质原料含贵金属，原料成本和加工成本高。尽管硫化物电导率（理论上限）较高，但产业化难度过大，进展十分缓慢。
4 固态电池供需分析
锂电池广泛应用于多个领域，包括但不限于动力电池市场、储能市场、消费电子市场、高端装备市场等，不同使用场景对电池性能需求不同，是评估并推动固态电池发展的基础。
动力电池为交通运输工具提供动力来源，对性价比和能量密度要求较高；储能电池在绿电配储方面发挥重要作用，注重长周期稳定放电能力；固态电池在消费电子市场中的应用包括手机、电脑、游戏机、智能穿戴设备等产品，需兼顾能量密度高和体积小的需求；固态电池在高端装备市场中主要为无人机、船舶等装备供电，安全性是关键。
4.1 动力电池市场
动力电池是规模最大的锂电池市场之一，消费者既注重电池性价比，也考虑能量密度、充放电速率、安全性、循环寿命等因素。液态电池在新能源汽车领域已全面产业化，技术迭代速度快，企业围绕能量密度、充放电速率等关键技术指标不断推出新电池产品。宁德时代预备投产的三元电池能量密度近300Wh/kg，充放电倍率达6～8C，成本不到固态电池的40%，对固态电池提出了更高要求。
短期内，固态电池成本下降空间有限，加之循环寿命较短、界面问题严重等技术难题未攻克，产业化尚存障碍，可能会以半固态电池形式过渡，逐步向全固态电池演进。液态锂电池龙头厂商可利用现有技术加速半固态电池的研发和产业化进程，为全固态电池的商业化和产业化发展奠定基础。
4.2 储能市场
储能市场被视为锂电池的未来增长点。在清洁能源转型背景下，储能技术对解决可再生能源发电的间接性、波动性和不可控性问题具有重要意义。储能市场的发展有助于提高电力系统的能源利用效率，提升能源供应的可持续性和经济性。
大规模工商业储能需要长时间运行或频繁充放电循环以确保生产正常运行，要求储能电池循环寿命更长。通常工商业储能拥有较大面积的设备配套用地，对电池能量密度要求一般不高。而出于对投资回报合理性的追求，工商业储能主要考虑成本因素。
家庭储能电池主要用于分布式能源系统或房屋、商业建筑内部，受面积限制，家庭储能对电池能量密度要求较高。同时，由于不同使用场景对储能电池需求不同，储能电池还应具备个性化定制潜力。德国家庭光伏储能设备的配储率达70%，位居全球第一。中国低廉的电价和稳定的电能限制了家庭储能的发展，由于工商业用电方面的分时电价和峰谷价差政策，用户侧储能在中国主要以工商业储能为主。
固态电池能有效提高电池本征安全，契合储能电池对安全性的较高要求。但在中国占据主导地位的工商业储能更注重成本和循环寿命，对电池能量密度无过高要求，固态电池的优势难以得到有力发挥。预计短期内工商业储能方面主要以示范项目为主，家庭储能的使用场景和应用前景更广；长期来看，固态电池需进一步降低成本，提高循环寿命，才能实现储能突破。
4.3 消费电子和高端装备市场
消费电子市场以个人消费为主导，产品体量轻薄，注重用户的体验性和设备的便携性，对电池能量密度要求更高。固态电池可有效减小产品体积，减轻产品质量，提供更多设计空间。搭载固态电池的便携式电源已在儿童类、穿戴类等对安全性要求更高的消费电子产品中投产应用。消费电子产品种类多，个性化定制需求强，成本敏感度低，价格接受度高，与固态电池的适配性好。
高端装备市场对电池特性需求与消费电子市场类似，要求能量密度高和安全性好，而对价格不敏感。一些政府为保证军用设备的平稳运行，要求舰船、无人机等设备的电池在破损甚至被击穿后的短时间内仍可继续工作。传统液态电池一旦被击穿，电解液外漏，电池将迅速失效，泄漏的易燃电解液还可能引发热失控问题。而固态电池无电解液外漏风险，能在破损状态下维持正常充放电，设备的安全性和稳定性可满足严苛甚至极端需求，因此，有望在消费电子、高端装备、军用设备等领域率先量产。
5 投资逻辑
5.1 液态电池向新型全固态电池技术迭代路径
1）阶段1：半固态电池+硅负极。2022—2025年，纯固态电池仍将处于实验室阶段，保留约5%电解液的半固态电池可在短期内解决固态电池电导率差、界面问题严重等不足。半固态电池还可部分沿用原液态电池生产线，降低制造成本，率先进入投产阶段。同时，由于石墨负极能量密度已接近上限，可在原有基础上将其逐步替换为硅碳或硅氧负极，充分利用预锂化技术弥补SEI生成对电池内锂离子的消耗，提高电池能量密度和循环寿命。
2）阶段2：全固态电池。2025年后，随着半固态电池的成熟与发展，全固态电池有望正式进入投产阶段。电极材料可沿用半固态电池的“三元材料+硅碳/硅氧负极”模式，将包含5%电解液的半固态电解质替换为无需隔膜的纯固态电解质。需重点解决纯固态电解质“固—固”接触导致的界面问题，确保固态电池在充放电倍率、循环寿命、容量等方面达到可投产标准，为未来电极材料革新奠定基础。
3）阶段3：应用锂负极。2025年，纯固态电池全面迭代完成后，材料革新将从负极开始，由硅负极逐渐替换为能量密度更高、还原电位更低的锂负极。
4）阶段4：应用新型正极。2030年后，富锂锰基、高压镍锰酸锂、超高镍材料等新型正极将陆续投入使用，固态电池完成电解质和材料迭代，产业逐步趋向成熟。
5.2 动力电池投资时间节点
固态电池受技术驱动，产业化进程存在较强不确定性，着重分析锂电池市场占有率最高的动力电池领域，初步锚定2025年和2027年2个关键时间节点。
1）2025年及以后：随着半固态电池陆续向整车厂送样、试产、装车，预计2025年将迎来半固态电池反馈期。此阶段液态电池仍有迭代空间，宁德时代等液态电池龙头厂商仍将在充放电倍率、能量密度等方面不断迭代，半固态电池和液态电池之间形成竞争关系，纯固态电池尚处于技术积累阶段。若半固态电池反馈良好，则2025—2027年有望实现量产，固态电池产业化进程加快；若反馈不佳，液态电池仍将占据主导地位，半固态、固态电池发展进程延后。
2）2027年及以后：固态电池龙头厂商丰田曾宣布，新一代硫化物全固态电池将于2027年投产，续航是现有电池的2.4倍。若落地成功，将打破现有市场格局，使处于观望状态的市场参与者跟进技术研发，带动固态电池发展；反之，则会对市场发展造成负面影响。液态、半固态电池作为固态电池的替代品，其市场需求将视固态电池的发展情况而定，应及时跟进，调整预期并适配策略。
评论