固态电池深度报告：群雄逐鹿锂电终局技术，发力新材料加速产业化

固态电池是锂电技术的终极形态

锂离子电池发展历史

锂离子电池发展已有30多年历史。“锂电池之父”斯坦利·惠廷汉姆于1976年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。其意义更多在于确立了锂电池基本原理。但由于电池安全性、稳定性等不 理想，始终无法商用。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，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，进而开发了第一个商用锂离子电池。

体系成熟

锂离子电池材料体系成熟，各类产品应用场景基本确定。据中科院研究员李泓报告，钴酸锂电池体积能量密度在600-1000Wh/L， 适合应用于消费电子领域；而高端电动汽车领域，偏向于质量能量密度更高的三元电池；储能领域，偏向于安全性、成本优势 更突出的磷酸铁锂电池。但面对未来综合要求更高的应用场景（航空航天、国防军工等），液态锂离子电池体系已出现瓶颈。

能量密度瓶颈

中长期政策目标偏高。《中国制造2025年》提出的电池技术目标是2020、2025年分别达300Wh/kg、400Wh/kg；而中科院研 究院吴娇杨等统计表明1991-2015年能量密度已提升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。但是从实际技术发展情况看，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。

能量密度增速放缓，主流材料体系已接近极限。据中科院院士孙世刚，磷酸铁锂、三元电池能量密度分别小于200Wh/kg、 300Wh/kg（负极石墨），目前这些主流产品均已接近能量密度天花板。据Enpower统计，Tesla Model 3使用松下2170电池近 260Wh/kg，改用高镍正极产品的4680电池能量密度可达283Wh/kg，明显低于政策目标及线性预测结果。

打破材料、技术桎梏才能继续突破。据汽车电子设计测算，升级硅碳负极的4680电池有望实现超300Wh/kg。2022年美国 Amprius公司使用全新硅纳米线负极实现450Wh/kg。

难以解决安全性问题

电解液是造成液态锂离子电池安全事故的最大推手。液态锂离子电池（LIB）的热失控（thermal runaway）被公认是电池安全 问题的最主要原因。该过程主要分为三个阶段：阶段一：由内部短路（主要原因是外力穿刺、过充等）、工作温度过高等原因导致的初始温度上升；阶段二：SEI膜分解，热失控加速，电解液反应持续升温，释放可燃气体和氧气，造成后续隔膜、负极、正极分解；阶段三：电解质分解燃烧，系统事故发生。从整个过程来看，化学活性高、易挥发、易燃的液态电解质起到了关键作用，是LIB的最大隐患。

工艺优化空间有限

电芯制造工艺改善趋于成熟。电芯制造流程主要包括：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。据中科院李泓研究员，目前单线产能最高产 能可实现2-4GWh，良率达到92-96%，cpk值达1.5-1.67。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。

什么是固态电池？

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固态电池即是使用固态电解质的电池。LIB由正极材料、负极材料、电解液、隔膜四大主材组成，固态电池则是将电解液、 隔膜替换成固态电解质。在正、负极材料方面，固态电池可以完全沿用液态锂离子电池材料体系，且升级空间更大：正极：部分固态电解质工作电压窗口更高，可使用高电压正极材料，有助于增强快充性能、提升能量密度等；负极：固态电解质能适配锂金属负极，能大幅提升电池能量密度，同时增加正极材料的可选范围，对电池影响更大 • 因此，我们预计固态电池技术对产业链主要环节的影响大小为：隔膜＞电解液＞负极材料＞正极材料。

能量密度更高

固态电解质可以使用锂金属负极。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。固态电池正极材料可选范围更大。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。通过不同正负极材料的组合，固态电池可实现更高的能量密度，体积能量密度可超1000Wh/L，质量能量密度可超400Wh/kg。

工艺突破制造极限

固态电池部分工艺、设备与LIB兼容。在前端电极制造环节，传统湿法工艺在固态电池生产中同样适用，旧产线的混料、涂 覆等设备均可通过技改迁移使用，降低技术转型的成本。半固态电池路线中，由于仍然存在电解液，中、后端成熟的工艺和 设备也可以正常兼容；固态电解质既可以在中端通过涂覆工艺形成，也可以在后端注液后新增“原位固化”环节（先注入液 态电解液，后使之凝胶化）来形成。全固态电池路线中，则无需注液环节，大大简化生产流程。

固态电池组装需新增压实环节。生产固态电池一般将正极、固态电解质、负极直接堆叠在一起组装。考虑到固态电解质要与 电极形成良好的固固接触界面、在循环过程中会发生接触损耗、以及要抑制锂枝晶形成，所以在堆叠时往往需要施加几个 MPa压力使各材料致密堆积，需要新增加压设备。

等静压技术有望成为重点方向。传统热压、辊压方案提供的压力有限且施加压力不均匀，难以保证致密堆积的一致性要求， 严重影响固态电池的性能。美国橡树岭国家实验室Dixit等（2022）指出等静压技术可能成为未来固态电池大规模量产的必备 工艺之一。等静压技术基于帕斯卡原理，使用机器内的液体和气体（如水、油或氩气）在电池上施加完全一致的压力从而产 生高度均匀的材料。但该项技术尚处于前沿积累阶段，难点在于如何选取合适的压制温度和压力组合，以及如何控制压实质 地等，生产效率与良率与现有成熟工艺还有一定差距，目前仅韩国三星等少数公司成功应用。

优势突出的下一代电池技术

凭借能量密度高、安全性能突出、量产工艺前景广阔等多维优势，全固态电池成为下一代技术电池技术基本是行业共识。结 合各国家、科研机构及参与企业的规划，我们预计2030年左右可研发出可具备大规模商业化的全固态电池。从市场应用的进程看，固态电池将首先应用于消费电子等小容量市场，后逐步向高端、中端电动汽车渗透，最后广泛应用于 低端电动车及储能市场。据SNE research预测，2022年全球固态电池市场规模约将达到约2750万美元，2030年将形成400亿美 元的市场规模，CAGR达180%。

固态电解质是破局关键，半固态电池成优选方案

锂金属负极应用为战略高地

沿用现有负极体系是短期方案，但对提升能量密度帮助不大。石墨负极化学/电化学性能稳定，循环无明显体积变化，产业基 础成熟，因此在固态电池发展前期（重点突破电解质）可沿用以降低技术变革成本。但据慕尼黑工业大学研究员Joscha Schnell等（2020）测算，能量密度由正负极决定且固态电解质密度大于电解液，因此固态电池能量密度可能低于成熟的LIB。

成功攻克锂金属负极技术将获明显竞争优势。锂金属负极具有能量密度高等优势，目前需解决其稳定性问题；但锂金属负极 量产降本空间极大，慕尼黑工业大学研究员Joscha Schnell等（2020）测算锂金属负极固态电池材料成本、加工成本低于其他 类型电池，电池总成本较LIB可下降14%。因此掌握该项技术的企业将获得产品性能、成本的双重优势，占据市场战略高地。

升级正极锦上添花

目前正极体系较完备，固态电解质助力提升工作电压。LIB技术的发展升级重点均来自于正极材料，目前主流正极体系已非 常成熟、综合性能突出，固态电池可顺利沿用。得益于固态电解质电压稳定性提升，正极也可替换为高电压的材料（如尖晶 石氧化物等），提升电池整体工作电压，带来功率、快充等性能的提升。

锂硫电池、锂空气电池是固态技术的星辰大海。在成功应用锂金属负极后，正极可不含锂，故可选范围增加，如能量密度更 高、成本更低的硫系材料，甚至无需正极的锂空气电池（理论能量密度极高，3500Wh/kg）。

全固态电池挑战重重

全固态电池任重而道远，规模量产挑战大。目前全固态电池研究还处在发展阶段，其基础理论尚未完全成熟，因此还难以指 导、支撑其规模化的量产。从材料端看，现存最大两个问题：未找到综合性能达标固态电解质、未良好解决固固接触界面问 题。从产业链角度看，目前全固态电池的上游材料供应链、匹配新工艺的设备等还不成熟，产业化成本过高；同时由于固态 电池体系对现有产业结构冲击较大，如隔膜企业面临严重转型问题，因此全固态电池发展态势还不明朗。

半固态电池成为过渡优选方案

半固态电池材料、工艺流程、产线设备与现有体系通用程度高，技术迭代速度快。半固态路线获得了德国弗劳恩霍机构、中 科院物理所的认可。中科院李泓研究员指出，在半固态电池方案的衔接下，下一代工业4.0级固态理电池产业链有望凭借 “80%锂离子电池现有装备/20%新装备+20%已有材料/80%新材料+数字化智能制造技术与数值模拟仿真技术+先进测试和失 效分析技术”来打造。据中科院物理所，2022年消费电子级的半固态电池已成功应用，动力/储能级半固态电池有望在2024年 迎来应用。

全球加快布局，开发主体、选择路线均存在差异

全球广泛布局

全球固态电池研发可分为中国、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，据Patent Result统计，截止2022年3月末全球专利数排名前十全是日韩企业；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；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。

日韩代表：三星的硫化物全固态锂电池

三星选择硫化物创固态电池方向。2020年三星于Nature Energy上公布了其最新的硫化物全固态电池，该电池采用NCM811高 镍正极 + 硫化物固态电解质 + 银-碳复合负极的结构，实现了5.8Ah的小容量电芯，该产品能量密度超过400Wh/kg、900Wh/L， 循环能力1000周+，同时在210℃热失控测试下依然保持突出的安全性。

三星引入了大量新工艺。在电极制备方面，成功应用干法制备正极；在加压方面，成功应用WIP等静压技术实现良好的压实 效果；在组装时还采用了压制转印技术，对制造技术提出了更高的要求。

欧美大型车企投资专业主体进行开发

与日韩联盟式研发相反，欧美企业主要采取自主研发，大型车企通过投资入局。欧美主要参与玩家有通用、福特、大众、宝 马等车企以及Solid Power、Solid Energy Systems、Quantum Space等专业化企业。特斯拉在固态电池布局方面相对较少，更多 精力集中于自研自产4680大圆柱电池，马斯克表示短期内固态电池技术不成熟，尚不足以改变其战略倾向。

国内玩家百舸争流，全产业链齐发力

卫蓝新能源

研究背景强劲。卫蓝新能源成立于2016年，是中科院物理所清洁能源实验室固态电池技术的唯一产业化平台，由“中国锂电 第一人”陈立泉院士（同时也是宁德时代曾毓群的导师）、李泓研究员、原北汽新能源总工程师俞会根共同发起创办。目前 公司已拥有北京房山、江苏溧阳、浙江湖州、山东淄博4大生产基地，已获国家授权专利117项，在国内名列前茅。

固态电池赛道热门标的引来重磅投资者。截止2022年底，公司已完成D轮融资，其投资者既有中国诚通混改基金、国投创益 基金等国家队，也有天齐锂业、蔚来、吉利等锂电池上下游企业，同时还有小米、华为等大型社会资本。

清陶能源

背靠清华大学团队。清陶（昆山）能源发展股份有限公司成立于2016年，是清华大学南策文院士团队领衔创办的高新技术企 业，目前已完成F轮融资，其投资者包括广汽、北汽等大型车企。公司建有国内首条1GWh固态锂电池生产线。2018年公司第 一代3C数码固态电池量产。2022年2月公司10GWh固态电池产业化项目在昆山开工。

积极与材料供应商积极开展合作。2022年7月当升科技发布公告，与清陶能源签订战略合作协议，双方将在固 态锂电正极材料产品供货、固态及半固态电池技术开发、市场资源、产能布局等方面建立战略合作伙伴关系。协议写明， 2022-2025 年原材料采购量达3万吨固态锂电正极材料。

宁德时代

解决方案：宁德时代与国内玩家优先采用半固态电池路线相反，其计划直接开发全固态硫化物电解质电池，与日韩企业路线 相同，同时持续关注锂硫电池、锂空气电池等高端技术进展。从申请的专利文件看，宁德时代固态电池正极采用改性三元材 料，固态电解质为有机溶剂、含硼物质、硫化物电解质组成的改性电解质，负极采用硅碳负极。

发展计划：2021年底宁德时代在问询函的回复公告中指出，第一代电固态电池的能量密度与现有的锂离子电池大致相同，预 计将在 2025 年出现，到 2030年其市场份额将接近 1%；而具有新型正负极材料的第二代固态电池在2030年后才有可能出现， 并在2035年后进入市场。此外，在2023年3月24日公司业绩说明上，董事长曾毓群表示凝聚态电池可能要比固态电池更先量 产（凝聚态电池未披露详细信息），因此宁德时代未来研发重心可能更偏向于凝聚态电池的研发。

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审核编辑 ：李倩