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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)電池與液態(tài)鋰電池的核心區(qū)別是固態(tài)電解質(zhì)取代隔膜和電解液。傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池以液態(tài)電解質(zhì)作為離子遷移通道，用隔膜隔絕正極和負(fù)極以防止短路，固態(tài)電池是一種新型電池技術(shù)，但基本原理與液態(tài)電池相同，仍然為“搖椅式電池”，即帶電離子在正極和負(fù)極之間來回移動實現(xiàn)充放電過程，因此固態(tài)電池的正極和負(fù)極相比于液態(tài)電池沒有變化，但是液態(tài)電池中用于傳導(dǎo)離子的電解液與隔絕正負(fù)極以防止內(nèi)部短路的隔膜，可以由固態(tài)電解質(zhì)實現(xiàn)替換，離子的遷移場所從電解液轉(zhuǎn)到了固態(tài)電解質(zhì)中，同時起到隔絕電極的作用。

圖1：液態(tài)鋰離子電池與固態(tài)電池性能對比

• 四大電解質(zhì)材料體系優(yōu)劣及產(chǎn)業(yè)化進展

固態(tài)電解質(zhì)是固態(tài)鋰離子電池的核心組成部分，可同時作為電池的隔膜以及電池的電解質(zhì)，核心作用是起著在正負(fù)極之間傳輸Li+的作用。根據(jù)材料屬性來看，固態(tài)電池主要可以劃分為聚合物電解質(zhì)、氧化物電解質(zhì)、硫化物電解質(zhì)和鹵化物電解質(zhì)等技術(shù)路線。其中，聚合物電解質(zhì)屬于有機電解質(zhì)，氧化物/硫化物/鹵化物電解質(zhì)屬于無機電解質(zhì)。

圖2：幾類固態(tài)電解質(zhì)的性能雷達圖

理想的固態(tài)電解質(zhì)應(yīng)滿足離子電導(dǎo)率高、界面阻抗低、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全性高、機械強度高、價格低廉等特點。但目前四大技術(shù)路線各有優(yōu)缺點，如圖2所示，未有能同時滿足以上要求的，在技術(shù)突破上仍存在一定的難度。

（1）聚合物電解質(zhì)成本較低、加工性能好、靈活性高，技術(shù)相對成熟，已能夠?qū)崿F(xiàn)小規(guī)模量產(chǎn)，但離子電導(dǎo)率和氧化電壓較低，難以抑制鋰枝晶的形成。目前聚合物電解質(zhì)以歐美企業(yè)布局較多，如SEEO、Solid Energy、Solid Power、Bollore 等。

（2）氧化物電解質(zhì)具有較好的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，離子電導(dǎo)率比聚合物更高，熱穩(wěn)定性高達1000℃，機械穩(wěn)定性和電化學(xué)穩(wěn)定性都較好，但存在脆性較大、加工性能差、界面接觸差等問題。氧化物固態(tài)電解質(zhì)路線是國內(nèi)企業(yè)的主要關(guān)注方向，如衛(wèi)藍(lán)新能源、輝能科技、清陶能源、贛鋒鋰業(yè)等，日本SONY 和美國QuantumScape 也在氧化物固態(tài)電解質(zhì)方面有所布局。

（3）硫化物電解質(zhì)離子電導(dǎo)率最高，機械性能好，并且電化學(xué)穩(wěn)定窗口較寬（5V 以上），工作性能表現(xiàn)優(yōu)異，在全固態(tài)電池中發(fā)展?jié)摿ψ畲?。但是硫化物固態(tài)電解質(zhì)也存在容易氧化、化學(xué)穩(wěn)定性差、制備難度較高、和Li 金屬負(fù)極相容性差等問題。硫化物電解質(zhì)主要受到日韓企業(yè)的關(guān)注，如豐田、松下、LG化學(xué)、出光興產(chǎn)等，同時，國內(nèi)寧德時代也通過專利布局了硫化物固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)路線。

（4）鹵化物固態(tài)電解質(zhì)具有高離子電導(dǎo)率，同時其電化學(xué)穩(wěn)定性良好、與正極材料相容性高，但是其材料與制備成本較高，并且存在容易吸水潮解的核心缺陷，因此，鹵化物電解質(zhì)目前主要集中在基礎(chǔ)科學(xué)研究層面，產(chǎn)業(yè)化進程較為緩慢。

圖3：四種固態(tài)電解質(zhì)體系優(yōu)缺點對比及布局企業(yè)

• 固態(tài)電池優(yōu)點：本質(zhì)安全與高能量密度并存

從性能對比來看，理論上，固態(tài)電池在離子電導(dǎo)率、能量密度、耐高壓、耐高溫、循環(huán)壽命等各項指標(biāo)均優(yōu)于液態(tài)電池，兼顧了傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池?zé)o法兼顧的高能量密度和高安全特性，成為電動汽車的理想電池。固態(tài)電池的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：

（1）安全性高，降低電池自燃、爆炸風(fēng)險：液態(tài)鋰離子電池電解液可燃，存在熱失控風(fēng)險。固態(tài)電池電解質(zhì)不可燃不易爆炸；高機械強度可抑制鋰枝晶生長，無電解液泄漏不易造成短路；無電解液泄漏課題。

圖4：液態(tài)鋰電池受熱失控

（2）高能量密度高有望解決新能源汽車?yán)锍探箲]問題：固態(tài)電池的電化學(xué)窗口寬，能夠承受更高的電壓（5V 以上），材料可選擇的范圍更廣。鋰離子電池可達到230-300 Wh/kg（已經(jīng)接近350Wh/kg 的理論極限），相比之下，已達成的金屬鋰負(fù)極/氧化物電解質(zhì)/三元正極固態(tài)電池能量密度達到350-400 Wh/kg，硫化物體系（金屬鋰負(fù)極或硅負(fù)極）實現(xiàn)能量密度320 Wh/kg，聚合物體系能量密度較低，為255Wh/kg，總體來看，固態(tài)電池能量密度優(yōu)于液態(tài)鋰離子電池。

（3）固態(tài)電池在有限空間內(nèi)可進一步縮減電池重量，同樣的電量，固態(tài)電池的體積將變得更小：①固態(tài)電池使用固態(tài)電解質(zhì)取代液態(tài)電池的隔膜和電解液，正負(fù)極之間的距離可以縮短到只有幾到十幾個微米，從而大幅降低電池的厚度。②固態(tài)電池可簡化封裝、冷卻系統(tǒng)，電芯內(nèi)部為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，在有限空間內(nèi)進一步縮減電池重量，體積能量密度較液態(tài)鋰離子電池（石墨負(fù)極）可提升70%以上。

• 固態(tài)電池難點：快充與循環(huán)性能顯不足

雖然固態(tài)電池在能量密度、安全性、壽命、體積等方面具有顯著優(yōu)勢。但劣勢也很明顯，固態(tài)電解質(zhì)發(fā)展面臨三大科學(xué)問題：固態(tài)電解質(zhì)離子輸運機制、鋰金屬負(fù)極鋰枝晶生長機制、多場耦合體系失控失效機制為固態(tài)電池發(fā)展面臨的核心科學(xué)問題，解決這些問題是創(chuàng)制新型固態(tài)電解質(zhì)材料、優(yōu)化固態(tài)電池物理化學(xué)性能、推動固態(tài)電池發(fā)展的必經(jīng)之路。

①低離子電導(dǎo)率限制快充發(fā)展：固態(tài)電池中，電極與電解質(zhì)之間的界面接觸有固液接觸轉(zhuǎn)變?yōu)楣?固接觸，由于固相無潤濕性，容易形成更高的界面電阻；固體電解質(zhì)中存在大量的晶界，不利于鋰離子在正負(fù)極之間傳輸。

圖5：基于鋰含量的固態(tài)電解質(zhì)分類及企離子電導(dǎo)率

②固-固界面限制循環(huán)壽命：固-固接觸對體積變化非常敏感，在循環(huán)過程中容易造成電極顆粒之間以及電極顆粒與電解質(zhì)之間的接觸變差，造成應(yīng)力堆積，導(dǎo)致電化學(xué)性能衰減，甚至出現(xiàn)裂縫造成容量迅速衰減，進而導(dǎo)致循環(huán)性能更差。

圖6：固-固界面結(jié)合問題是本質(zhì)屬性導(dǎo)致

③全固態(tài)的生產(chǎn)工藝對生產(chǎn)工藝、成本、質(zhì)量控制提出了比液態(tài)電池更為嚴(yán)苛的要求，限制了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。固態(tài)電池作為新型電池，工藝制造缺乏特定的設(shè)備，如燒結(jié)、真空、干燥房、特定氣氛等環(huán)節(jié)均將增加固態(tài)電池制造成本。

圖7：液態(tài)電池電芯內(nèi)部串聯(lián)封裝 圖8：全固態(tài)電池疊片工藝

• 固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化布局

全固態(tài)電池是全球公認(rèn)的下一代電池，被列入中國、美國、歐盟、日韓等主要國家的發(fā)展戰(zhàn)略，全固態(tài)電池成為下一代電池技術(shù)競爭的關(guān)鍵制高點，現(xiàn)階段發(fā)展之路明晰，2020-2025 年著力提升電池能量密度并向固態(tài)電池轉(zhuǎn)變，2030 年研發(fā)出可商業(yè)化使用的全固態(tài)電池。

圖9：各國固態(tài)電池發(fā)展戰(zhàn)略

固態(tài)電池的技術(shù)發(fā)展采用逐步顛覆策略，液態(tài)電解質(zhì)含量逐步下降，全固態(tài)電池是最終形態(tài)。按照電解質(zhì)固液比例的不同，固態(tài)電池可簡單分為半 固態(tài)、準(zhǔn)固態(tài)和全固態(tài)三種，固態(tài)電解質(zhì)比例依次上升，如圖所示。

圖10：固態(tài)電池體系的演變歷程

歐美日韓中路線各異，中國半固態(tài)產(chǎn)業(yè)進程領(lǐng)先：目前在全球范圍內(nèi)，全固態(tài)電池主要處于研發(fā)和試制階段，產(chǎn)業(yè)化的實現(xiàn)取決于電池技術(shù)和工藝的突破，一旦電池體系、電極與電解質(zhì)相匹配的工藝確定，可以較快實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。各國對于固態(tài)電池的技術(shù)路線選擇存在差異：日韓主攻硫化物全固態(tài)電池，固態(tài)電池專利方面居壟斷地位；歐美各企業(yè)路線各異，頭部車企與初創(chuàng)固態(tài)電池企業(yè)強強聯(lián)合；中國企業(yè)側(cè)重氧化物技術(shù)路線，半固態(tài)電池量產(chǎn)在即。

圖11：全球固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)布局進展

行業(yè)普遍認(rèn)為全固態(tài)電池距離大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化至少還需5年時間。半固態(tài)電池基于高安全性、與現(xiàn)有產(chǎn)線的高兼容性以及良好的經(jīng)濟性，成為當(dāng)下液態(tài)電池向全固態(tài)電池過渡的最優(yōu)選擇。從行業(yè)的動態(tài)來看，我國在固態(tài)電池領(lǐng)域有加速發(fā)展的勢頭：衛(wèi)藍(lán)新能源、清陶能源、贛鋒鋰電、輝能科技等國內(nèi)多家固態(tài)電池公司都選擇以氧化物材料為基礎(chǔ)的固液混合技術(shù)路線，已公開的半固態(tài)電池的單體能量密度可突破400Wh/kg，總體產(chǎn)業(yè)鏈布局情況如圖11所示。

2023年，蔚來ES6、ET7、東風(fēng)E70、嵐圖追風(fēng)、賽力斯SERES5等車型已搭載半固態(tài)電池，上汽、廣汽、長安等車企也計劃將于2024-2026年上市搭載半固態(tài)電池車型。豐田、本田、大眾、寶馬等日本、歐洲車企計劃啟動搭載固態(tài)電池車型量產(chǎn)上市的時間在2026-2030年，如圖12所示。

圖12：全球各車企固態(tài)電池布局進展

盡管固態(tài)電池的發(fā)展路徑充滿希望，但我們也必須清醒地認(rèn)識到，在實現(xiàn)全面商業(yè)化之前，仍需要克服包括成本控制、規(guī)模化生產(chǎn)、長期穩(wěn)定性保證等一系列挑戰(zhàn)。面對這些挑戰(zhàn)與機遇，全球產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界及政府機構(gòu)正加強合作，以各種創(chuàng)新策略和政策助推固態(tài)電池技術(shù)的發(fā)展。我們應(yīng)持續(xù)關(guān)注技術(shù)進步，積極應(yīng)對挑戰(zhàn)，把握行業(yè)發(fā)展的脈搏，共同推動固態(tài)電池技術(shù)的革新與應(yīng)用。隨著研究的深入和技術(shù)的迭代，我們有理由相信，固態(tài)電池將在不久的將來展現(xiàn)其改變世界能源使用方式的巨大潛力。