固態(tài)電池研究：半固態(tài)已來，全固態(tài)還遠(yuǎn)嗎？

佐思汽研發(fā)布《2023年全球及中國固態(tài)電池行業(yè)研究報告》。

近幾年，新能源汽車市場如日方升，新能源汽車滲透率節(jié)節(jié)攀升。2023年1-4月，中國新能源汽車產(chǎn)銷分別完成229.1萬輛和222.2萬輛，同比均增長42.8%，市占率達(dá)27%。在鋪量過程中，新能源汽車對動力電池的需求也水漲船高。預(yù)計2023年全球電動汽車電池使用量將達(dá)到約749GWh。 在動力電池裝車逼近TWh的時代，更高能量密度的固態(tài)電池在政策鼓勵和市場需求雙重驅(qū)動下，供應(yīng)商的產(chǎn)線進(jìn)程開始加快。 在中國，國務(wù)院辦公廳2020年11月2日印發(fā)的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》明確提出，要加快固態(tài)動力電池技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，首次將固態(tài)電池的研發(fā)上升到國家層面。中國動力電池產(chǎn)業(yè)化的目標(biāo)是，到2025年，液態(tài)體系電池單體能量密度將達(dá)到350Wh/kg；2030年，固液混合體系電池單體能量密度為400Wh/kg；2035年，準(zhǔn)/全固態(tài)體系電池單體能量密度將達(dá)500Wh/kg。 與此同時，日韓、歐美國家也都紛紛推出鼓勵政策，發(fā)力固態(tài)電池。比如美國2021年發(fā)布《鋰電池2021-2030年國家藍(lán)圖》；歐洲推出了《電池2030規(guī)劃》及《2030電池創(chuàng)新路線圖》；日韓企業(yè)大多采用抱團研發(fā)，車企、科研機構(gòu)、電池和材料企業(yè)分工明確，積極合作開發(fā)固態(tài)電池技術(shù)。

1、相比目前主流液系電池，固態(tài)電池憑借諸多優(yōu)勢開始發(fā)力

相比液態(tài)鋰電池，固態(tài)電池是一種使用固體電極和固體電解質(zhì)的電池，理論上，其能量密度能達(dá)到400-500Wh/kg，達(dá)到液態(tài)鋰電池的2-3倍。固態(tài)電池的優(yōu)點主要包括續(xù)航能力提升、大幅降低熱失控風(fēng)險、充電時間更短、循環(huán)壽命更長、體積更小等。尤其值得注意的是，通過采用金屬鋰負(fù)極，能將電池能量密度提升70%以上。

圖片來源：網(wǎng)絡(luò)

基于此，越來越多企業(yè)加碼研發(fā)并生產(chǎn)固態(tài)電池。動力電池企業(yè)中，寧德時代、國軒高科、贛鋒鋰業(yè)、億緯鋰能、欣旺達(dá)等均在積極推進(jìn)固態(tài)電池技術(shù)布局。不過目前來看，半固態(tài)電池量產(chǎn)落地會更快一些。

2、電池能量密度持續(xù)提升，半固態(tài)電池原型開始上車應(yīng)用

半固態(tài)電池作為一種過渡路線，能改善安全性能， 這是因為電解液的減少使得外部加熱、沖擊，以及內(nèi)部短路造成熱失控風(fēng)險降低。半固態(tài)電池電解液含量約在10%以下（傳統(tǒng)鋰電池電解液質(zhì)量占比約為20%），通常采用軟包+疊片封裝工藝。在體系上，半固態(tài)可以沿用811體系，也可以適配更激進(jìn)的9系等化學(xué)體系，在能量密度和綜合成本上獲得雙重提升。 2022年1月22日，東風(fēng)汽車公司與贛鋒鋰業(yè)合作開發(fā)的東風(fēng)-贛鋒高比能固態(tài)電池E70示范運營車在江西省新余市全球首發(fā)。此后，固態(tài)電池原型試車應(yīng)用徐徐拉開序幕。

圖片來源：佐思汽研制圖

目前已經(jīng)實現(xiàn)半固態(tài)電池量產(chǎn)的企業(yè)有衛(wèi)藍(lán)新能源、清陶能源、太藍(lán)新能源、輝能科技、贛鋒鋰業(yè)、國軒高科、億緯鋰能等。 其中，衛(wèi)藍(lán)新能源首顆半固態(tài)電池于2022年11月下線，能量密度達(dá)360Wh/kg；太藍(lán)新能源2022年10月投產(chǎn)國內(nèi)首條半固態(tài)電池量產(chǎn)線，預(yù)計2023年7月滿產(chǎn)，2023-2024年產(chǎn)能規(guī)劃10GWh, 2024-2026年設(shè)計產(chǎn)能達(dá)26GWh；2023年4月，清陶能源首條設(shè)計產(chǎn)能1GWh的生產(chǎn)線投產(chǎn)，首批半固態(tài)電池將在郫都工廠下線。

部分車企半固態(tài)電池裝車進(jìn)展

來源：佐思汽研《2023年全球及中國固態(tài)電池行業(yè)研究報告》

3、全固態(tài)電池預(yù)計將在2024年左右陸續(xù)量產(chǎn)

全固態(tài)電池預(yù)計將在2024年左右陸續(xù)量產(chǎn)，主要公司有日產(chǎn)、三星SDI、盟維新能源等。 從固態(tài)電池產(chǎn)線布局來看，國外企業(yè)起步較早，例如：

Solid Power在2019年將連續(xù)工藝中試生產(chǎn)線在科羅拉多州路易斯維爾投入運營。2020年生產(chǎn)320 Wh/kg 20 Ah鋰金屬電池，2021年Solid Power宣布在科羅拉多州桑頓增加第二個丹佛地區(qū)生產(chǎn)設(shè)施，于2022年6月6日宣布已完成了電動汽車電池試點生產(chǎn)線的安裝，加速推進(jìn)生產(chǎn)車規(guī)級固態(tài)電池。2023年1月寶馬與Solid Power啟動下一階段全固態(tài)電池聯(lián)合研發(fā)。Solid Power將向?qū)汃R授權(quán)電池設(shè)計與制造工藝，助其在慕尼黑建設(shè)中試線。2025年前推出首輛原型車，2030年實現(xiàn)全固態(tài)電池量產(chǎn)。 2022年3月，三星SDI宣布在位于京畿道水原市靈通區(qū)的SDI研究所內(nèi)開始建設(shè)了全固態(tài)電池試驗線（S-line產(chǎn)線），2023年開始試生產(chǎn)，2027年開展大規(guī)模生產(chǎn)。 國外主機廠中，日產(chǎn)將于2024 年在日本橫濱啟動一個試點工廠，設(shè)立全固態(tài)生產(chǎn)線，2025年全固態(tài)電池正式生產(chǎn)，并于2028 年正式實現(xiàn)全固態(tài)電池裝車。豐田2025年前全固態(tài)電池將實現(xiàn)小規(guī)模量產(chǎn)，并首先搭載在混動車型上，2030年前全固態(tài)電池要實現(xiàn)持續(xù)的、穩(wěn)定的生產(chǎn)。 國內(nèi)企業(yè)中，多半是從半固態(tài)逐步邁向全固態(tài)電池生產(chǎn)的路線，較快實現(xiàn)全固態(tài)電池生產(chǎn)的主要企業(yè)有高能時代、衛(wèi)藍(lán)新能源、清陶能源、輝能科技、國軒高科、億緯鋰能等。 例如，億緯鋰能全固態(tài)技術(shù)迭代將分為三個階段，未來將重點研發(fā)氧化物、硫化物、鹵化物路線， 公司計劃于2024年完成全固態(tài)電池1.0技術(shù)研發(fā)，能量密度為350Wh/kg，循環(huán)壽命300次以上。2028年將實現(xiàn)全固態(tài)電池3.0技術(shù)迭代，能量密度提升至550Wh/kg、循環(huán)壽命1000次+、且具備高安全性、高柔性、耐高溫等特性，以滿足動力電池領(lǐng)域需求。 2021年12月21日，高能時代日本實驗室成功研制出1.5Ah全固態(tài)鋰電池樣品，此次樣品的成功研制，預(yù)示著高能時代在全固態(tài)鋰電池研發(fā)領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)入快車道。其全固態(tài)動力電池通過了針刺和350℃熱失控試驗，能量密度大于400Wh/kg, 循環(huán)使用次數(shù)超過1200次，在零下40-150℃均能使用。

全球部分固態(tài)電池相關(guān)企業(yè)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展情況

來源：佐思汽研《2023年全球及中國固態(tài)電池行業(yè)研究報告》

4、固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化落地還面臨哪些限制因素？

目前，固態(tài)電池還存在固態(tài)電解質(zhì)與電極之間界面阻抗高、固態(tài)電解質(zhì)的體相離子電導(dǎo)率相對比較低等問題。解決高的界面阻抗和低的電導(dǎo)率是實現(xiàn)固態(tài)鋰電產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。 解決之道： ① 將電解質(zhì)超薄化是業(yè)界降低界面阻抗的有效方式之一，比如太藍(lán)新能源研究院和重慶生產(chǎn)制造基地通過工藝創(chuàng)新定制新的設(shè)備，研發(fā)出電解質(zhì)超薄膜制備技術(shù)和界面柔化技術(shù)，且兼容現(xiàn)有液系電池的工藝體系，可以快速投產(chǎn)。 ② 固態(tài)電池界面柔化技術(shù)也是降低界面阻抗的有效方式之一，比如億緯鋰能已有的全固態(tài)薄膜軟包電池技術(shù)基于鹵化物體系，可適應(yīng)特殊高溫及彎折條件，搭配高鎳正極可以在150 °C高溫溫區(qū)穩(wěn)定放電，柔性技術(shù)使電池在120°彎曲條件仍可正常充放電。

億緯鋰能固態(tài)電池柔性可彎曲技術(shù)

③ 在電解質(zhì)三大體系（聚合物、氧化物、硫化物）中，硫化物質(zhì)地柔軟、可塑性強，離子電導(dǎo)率最高，達(dá)到液態(tài)電解液的水平（ 10-2 S/cm ），克服了固態(tài)電解液導(dǎo)電率不佳的瓶頸，但其抗阻較高，容易與空氣、水等發(fā)生副反應(yīng)，工藝上仍需要克服諸多挑戰(zhàn)。采取硫化物路線的代表企業(yè)包括高能時代、恩力動力、寧德時代、豐田、本田、三星、Solid Power等。

然而，當(dāng)前氧化物固態(tài)電解質(zhì)在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用和量產(chǎn)節(jié)點上，都走在最前。因為氧化物兼具電導(dǎo)率和穩(wěn)定性，量產(chǎn)難度適中，目前發(fā)展進(jìn)度較快，選擇氧化物體系的代表企業(yè)包括衛(wèi)藍(lán)新能源、清陶能源、輝能科技、國軒高科、孚能科技、贛鋒鋰業(yè)等。 除了以上所述，生產(chǎn)工藝的不同及新增設(shè)備的購置在一定程度上拖慢了生產(chǎn)速度。目前，半固態(tài)生產(chǎn)可以基本做到與液系電池生產(chǎn)線兼容，成本可以基本持平。然而，逐漸過渡到全固態(tài)電池生產(chǎn)，因為工藝差異較大，生產(chǎn)程序不同，需要購置大量新的工藝設(shè)備，比如購買靜壓工藝設(shè)備等， 等靜壓工藝的設(shè)備生產(chǎn)、調(diào)試及使用難度大，需要積累大量know-how經(jīng)驗以趕上鋰電池輥壓、熱壓工藝的效率和良率水平，這無疑對固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化也構(gòu)成一定的壓力。 最后，相關(guān)廠商還需要對產(chǎn)線設(shè)備及各生產(chǎn)工序做持續(xù)優(yōu)化，不斷提高電芯封裝的良率，提升銷量，也是實現(xiàn)固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)正向循環(huán)的關(guān)鍵因素之一。

審核編輯 ：李倩