一、固態(tài)電池材料體系多重升級，全面革新
根據(jù)觀研報告網(wǎng)發(fā)布的《中國固態(tài)電池行業(yè)發(fā)展趨勢分析與投資前景研究報告（2024-2031年）》顯示，固態(tài)鋰電池是一種采用固體電極和固體電解質(zhì)的鋰離子電池，電池負(fù)極未來可以用鋰金屬替代石墨和硅作為原材料。其中固態(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)，根據(jù)電解質(zhì)的不同，主要可分為聚合物固態(tài)電解質(zhì)和無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)。前者代表性的體系是PEO聚環(huán)氧乙烷；后者是氧化物、硫化物和鹵化物體系。
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。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(jì)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。
液態(tài)鋰電池、半固態(tài)和全固態(tài)電池的體系差異
| 液態(tài) | 半固態(tài) | 全固態(tài) | |
| 正極 | 三元/鐵鋰 | 三元高鎳/超高鎳 | 三元高鎳、富鋰錳基、硫/空氣 |
| 負(fù)極 | 石墨為主，可以摻硅 | 硅基負(fù)極/鋰金屬負(fù)極 | 鋰金屬負(fù)極 |
| 隔膜 | 濕法/干法隔膜 | 濕法+涂覆，孔徑更大 | 不需要隔膜 |
| 電解質(zhì) | 液態(tài)占比20-10wt% | 液態(tài)占比10-1wt%/LiTFSI占比提升 | 固態(tài)電解質(zhì) |
資料來源：觀研天下數(shù)據(jù)中心整理
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)。電解質(zhì)的核心作用是起著在正負(fù)極之間傳輸Li+的作用。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(jī)械強(qiáng)度高、價格低廉等特點。目前來看，根據(jù)電解質(zhì)的不同，主要可分為聚合物固態(tài)電解質(zhì)和無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)。前者代表性的體系是PEO聚環(huán)氧乙烷；后者是氧化物、硫化物和鹵化物體系。
常見固態(tài)電解質(zhì)的介紹
| 電解質(zhì)類型 | 主要體系 | 優(yōu)點 |
| 聚合物 | 由高分子量的聚合物和鋰鹽（如LiCIO4、LiAsF6、LiPF6等）組成的體系。目前商業(yè)領(lǐng)域主要適配的材料體系為PEO（聚環(huán)氧乙烷）。 | 在電場作用下，PEO鏈段中的氧原子和鋰離子可以連續(xù)的進(jìn)行配位和解離過程，實現(xiàn)鋰離子的遷移，同時PEO對鋰鹽有較高的溶解度，并且質(zhì)量較輕、黏彈性好、制備工藝簡單、不易脆裂、與金屬Li電極有良好的界面穩(wěn)定性。 |
| 氧化物 | 除可用在薄膜電池中的鋰磷氧氮LiPON型非晶態(tài)電解質(zhì)之外，當(dāng)前商用化主要聚焦在晶態(tài)電解質(zhì)材料的研究，主流的晶態(tài)電解質(zhì)材料體系有：石榴石（LLZO）結(jié)構(gòu)、鈣鈦礦（LLTO）結(jié)構(gòu)、NASICON鈉超離子導(dǎo)體型等。 | 電化學(xué)窗口寬、化學(xué)穩(wěn)定性高、機(jī)械強(qiáng)度較大，是理想的固態(tài)電解質(zhì)材料體系。 |
| 硫化物 | 按結(jié)晶形態(tài)分為晶態(tài)、玻璃態(tài)及玻璃陶瓷電解質(zhì)。晶態(tài)固體電解質(zhì)的典型代表是Thio-LISICON和Li2SiP2S12體系。 | Thio-LISICON體系室溫離子電導(dǎo)率最高達(dá)2.2×10-3S/cm；Li2SiP2S12體系對金屬L和高電壓正極都具良好的兼容性。玻璃態(tài)及玻璃陶瓷電解質(zhì)以Li2S-P2S5體系為主要代表，組成變化范圍寬，離子電導(dǎo)率可達(dá)10-410-2S/cm。 |
| 鹵化物 | 常見鹵化物電解質(zhì)有三類：Lia-M-Cl6、Lia-M-Clu及Lia-M-Clg類鹵化物，前兩類的離子電導(dǎo)率可達(dá)到103S/cm。 | 相較于氧化物及硫化物，一價鹵素陰離子與Li*的相互作用比S2~或O2-更弱且半徑較更大，極大提高電解質(zhì)的室溫離子電導(dǎo)率，電解質(zhì)理論離子電導(dǎo)率可達(dá)10-2S/cm量級。同時，鹵化物一般具有較高的氧化還原電位與高壓正極材料具有更好的兼容性，實現(xiàn)在高電壓窗口下的穩(wěn)定循環(huán)。 |
資料來源：觀研天下數(shù)據(jù)中心整理
在中國，衛(wèi)藍(lán)新能源、清陶能源、贛鋒鋰業(yè)、輝能科技、力神電池、山東金啟航等企業(yè)主要研發(fā)方向為以氧化物材料為基礎(chǔ)的固液混合技術(shù)路線，具體來看氧化物的主要構(gòu)型包括：
國內(nèi)主流技術(shù)路線氧化物的主要構(gòu)型
| 類型 | 代表化合物 |
| Perovskite鈣鈦礦型 | LLTO（鋰鑭鈦氧/鈦酸鑭鋰，Li0.33La0.56TiO3） |
| Garnet石榴石型 | LLZO（鋰鑭鋯氧/鋯酸鑭鋰，Li7La3 Zr2O12） |
| Nasicon鈉超離子導(dǎo)體型 | LATP（磷酸鈦鋁鋰，Li3Al0.3 Ti1 .7(PO4)3） |
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正極材料主要沿用高鎳三元路線，正在向超高鎳、富鋰錳基、高壓尖晶石鎳錳酸鋰等高能量密度的新型材料迭代升級。負(fù)極材料主要包括金屬鋰負(fù)極、碳族負(fù)極和氧化物負(fù)極（含硅氧）。其中金屬鋰具備較高的理論比容量和較低的負(fù)電極電位，但成本較高、安全性較差；碳材料主要包括石墨、硬碳、軟碳、碳納米管、石墨烯等，其中石墨負(fù)極技術(shù)已經(jīng)成熟，但比容量偏低；硅負(fù)極有著比石墨高近10倍的理論比容量，但硅在吸收鋰離子時體積膨脹巨大，這會導(dǎo)致電池的快速衰減。
負(fù)極材料主要優(yōu)缺點及研究方向
| 材料 | 代表 | 優(yōu)點 | 缺點 | 研究方向 |
| 金屬鋰 | 金屬鋰 | 較高的理論比容量和較低的負(fù)電極電位 | 低熔點（180.54℃）在充放電過程中容易形成鋰枝晶，可能導(dǎo)致電池短路，以及鋰與電解液反應(yīng)產(chǎn)物易包覆鋰，使其與負(fù)極失去電接觸等。 | 合成新型合金材料、制備超細(xì)納米合金和復(fù)合合金體系。 |
| 碳材料 | 碳、碳納米管、石墨烯等） | 成本低，電化學(xué)穩(wěn)定性好、循環(huán)性能優(yōu)異等 | 理論比容量相對較低，表面性質(zhì)不均勻?qū)е率瑢觿兟?，首次循環(huán)效率低，充放電循環(huán)性能較差。 | 使用摻雜石墨烯、碳納米管等納米碳作為新型碳材料。 |
| 硅材料 | 硅碳負(fù)極、硅氧負(fù)極等 | 比石墨高近10倍的理論比容量 | 硅在吸收鋰離子時體積膨脹巨大，這會導(dǎo)致電池的快速衰減。 | 使用納米技術(shù)、多孔結(jié)構(gòu)和包覆材料等方法，為其提供更多空間來容納體積膨脹；通過將硅與其他材料如碳或者金屬氧化物復(fù)合。 |
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二、目前總體以前瞻性布局為主，產(chǎn)學(xué)研共同推進(jìn)
固態(tài)電池的最大優(yōu)勢在于高安全性和高能量密度，此外在輕量化、循環(huán)壽命和工作溫度范圍等方面也具備優(yōu)勢，但是鋰枝晶生長影響安全、離子傳輸困難導(dǎo)致動力性能差。目前材料成本約為1.5-2.5元/wh，產(chǎn)線仍需改造。
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目前國內(nèi)對于關(guān)鍵共性技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化技術(shù)主要采用產(chǎn)學(xué)研用創(chuàng)新聯(lián)合體的形式，前瞻性技術(shù)主要以高校和科研院所為主，補貼相對較少，以市場化驅(qū)動為主。
日本目前以豐田公司總牽頭，聯(lián)合日產(chǎn)和本田公司，松下電池等5家電池公司，三井金屬等15家材料公司，京都大學(xué)和國家材料研究所等15家高校和研究所，共同推進(jìn)固態(tài)電池量產(chǎn)。此外歐盟和美國均發(fā)布了固態(tài)電池發(fā)展規(guī)劃。
日本在固態(tài)電池技術(shù)的研發(fā)上起步較早，特別是在硫化物固態(tài)電解質(zhì)這一前沿領(lǐng)域，韓國在固態(tài)電池領(lǐng)域的研發(fā)策略聚焦于硫化物技術(shù)的同時，也在氧化物和聚合物體系上進(jìn)行技術(shù)研究和儲備。
固態(tài)電池技術(shù)的發(fā)展主要由初創(chuàng)企業(yè)推動，如Solid Power、Quantum Scape、Factorial Energy、lonic Materials等，在硫化物、氧化物和聚合物都有布局。
中國主要布局者覆蓋了老牌電池企業(yè)、背靠頂級科研院所的初創(chuàng)企業(yè)、上游原材料企業(yè)以及汽車企業(yè)等多個領(lǐng)域。其中，衛(wèi)藍(lán)新能源、清陶能源、贛鋒鋰業(yè)、輝能科技、力神電池、山東金啟航等企業(yè)主要研發(fā)方向為以氧化物材料為基礎(chǔ)的固液混合技術(shù)路線。恩力動力、中科固能、高能時代、寧德時代等布局硫化物路線。
固態(tài)電池主要企業(yè)的技術(shù)路線
| 企業(yè) | 能量密度 | 電解質(zhì)體系 | 正負(fù)極體系 |
| Quantum Scape | 350Wh/kg | 氧化物陶瓷+半固態(tài)+無負(fù)極 | 正極鋰金屬，充電時形成負(fù)極，放電時傳向正極 |
| Solid Power | 硅負(fù)極390Wh/kg，鋰金屬負(fù)極440Wh/kg | 硫化物+全固態(tài) | 三元+硅碳/鋰金屬 |
| 豐田 | >350Wh/kg | 硫化物+全固態(tài) | 三元+鋰金屬 |
| 贛鋒鋰業(yè) | 一代260Wh/kg,二代400Wh/kg | 氧化物+半固態(tài) | 一代三元+石墨：二代三元+鋰金屬 |
| 國軒高科 | 一代360Wh/Kg,二代400Wh/kg | 氧化物+半固態(tài) | 一代三元+石墨；二代正極三元，負(fù)極未定 |
| 衛(wèi)藍(lán)新能源 | -代360Wh/kg | 氧化物+半固態(tài) | 三元+硅碳負(fù)極 |
| 輝能科技 | 330Wh/kg | 氧化物+半固態(tài) | 三元+硅氧負(fù)極 |
| 清陶能源 | 368Wh/kg | 氧化物+半固態(tài) | 三元+硅碳負(fù)極 |
| 蜂巢能源 | 350Wh/kg | 硫化物+全固態(tài) | 三元+鋰金屬 |
資料來源：觀研天下數(shù)據(jù)中心整理（zppeng）
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