松下电饭煲srjhd101（松下电饭煲jca101）

这个冬天，面对着多年未见的寒冷天气，因电池续航时间下降，以及电动桩的不完备，导致的电动车“掉链子”的新闻屡见不鲜：甚至有最极端的新闻：明明显示还有100多公里余量，开了8公里就不动弹了，广大车主把自家车称为“电动爹”!

2021年的第9天，蔚来的150kWh固态电池横空出世！按照蔚来自己的说法，该固态电池可实现360Wh/kg超高能量密度，将续航里程提升至1000公里（再也不用担心半路掉链子了），并且2022年就会正式装备。此言一出，引来争议不断，某资深院士更是直言“绝对不可能”！

争议的焦点在于，业内此前一直认为“固态电池短期内没有推出的可能性”，就连全球电池业的“一哥”宁德时代，按照目前的计划表，也要2030年才能推出固态电池。因而此次，蔚来放的“电池卫星”不可谓不大——如果真的实现了，这不是弯道超车，简直是弯道飙车了！

就在2021年伊始，固态电池的研究迎来了一颗“重磅炸弹”：据全球顶级科学杂志Nature Energy报道，31岁郑州大学教授发明突破性固态电解质熔融锂金属电池：采用U 型陶瓷管作为电解质，负责传导锂离子，在 U 型管内外分别装载正负极材料。电池的负极采用熔融的金属锂，正极采用熔融合金。

【图】新型电池结构（来源：Nature Energy ）

但实验室的研发成功远非万事大吉，距离实际上市还差得不是一点半点。那么问题来了，和目前的锂电池，相比固态电池究竟有哪些好处，它的研发究竟难在哪些方面呢？目前国际上对固态电池的研究又到了什么程度呢？本文为大家一一简要梳理。

何为固态电池？研发固态电池有哪些挑战？

锂电池理论能量密度主要取决于正负极材料克容量和工作电压（电势差）。正负极之间电势差越大，工作电压越高，以及电极材料克容量越大，电池能量密度越高。

但是提升能量密度时，同时还要兼顾安全性。磷酸铁锂电池安全性好、成本低，但能量密度不高，耐低温性能差（今年的低温天气下，这一缺点已经暴露无遗），目前比亚迪采用刀片电池改进；三元电池能量密度高，耐低温，但由于其本身的设计原理存在安全性差、成本高的缺点。

【图】不同材料体系的动力电池成本（图片来源：光大证券）

由于对能量和续航的更高要求，在小型乘用车领域，目前三元电池已占据过半市场份额，但三元电池带来的安全隐患不容忽视。就在2021年初，上海还发生了一起特斯拉起火事件，这是2019年4月以来，上海特斯拉的第二起起火！虽然目前原因尚未调查公布，不能说一定是电池造成的，但对市场已经造成了恐慌情绪。

液态锂离子电池存在安全隐患，矛头指向液态电解质。引发电动汽车安全事故的主要原因是热失控导致电池爆炸或自燃。而电池自燃的原因，是在过充电、低温或高温环境下动力电池发生短路，短时间内电池释放大量热量，点燃电池内部的液态电解质，最终导致电池起火。

如果进一步探究其微观机理，就是在传统的液态电解质中，锂金属不稳定的沉积过程，以及枝晶生长，由此引发一系列的安全问题——包括燃烧，爆炸！这些固有缺陷严重阻碍了锂金属负极的发展。

要解决这些问题，一是“治标”，设法抑制枝晶生长，更加有效的办法则是“治本”，直接用固态电解质代替传统的液态电解质，这也是目前全球学术界和工业界努力的方向。

所谓固态电解质，也叫快离子导体，它区别于一般离子导体的最基本特征是，在一定的温度范围内，具有能与液态电解质相比拟的导电能力。1834年，著名科学家法拉第首先观察到AgS中的离子传输现象。但直到1974年，Armand 才将Li||TiS2 应用于以固态β-氧化铝为电解质的三元石墨正极中的Na 扩散，这是关于固态电池的第一份报道。

170多年来，固态电解质历经了一代又一代的更迭。下面这张《自然》杂志上的图，就简要总结了目前已被发现有潜在实用价值的固体电解质类别，可以看出来，以锂为基础的固态电解质是上世纪70年代发端的：

【图】固态电解质的发展历程（图片来源：自然杂志）

一旦用固态电解质替代了液态锂离子电池的液态电解质，其本身能够良好地将电池正极与负极阻隔，避免正负极接触产生短路的同时能充当隔膜。隔膜此时也就成为多余的了！研究表明，固态电池潜力巨大，有希望安全性更高、单体能量密度更高（＞350 Wh/kg）和寿命更长（＞5000 次）。下面这张图清楚展现出液态锂离子电池与固态电池性能对比：

【图】两种电池的全面对比（图片来源：光大证券）

和液态锂离子电池复杂的制备过程相比，固态电池可简化封装、冷却系统，电芯内部为串联结构，在有限空间内进一步缩减电池重量，体积能量密度较液态锂离子电池（石墨负极）可提升70%以上。据研究，固态电池电化学窗口可达5V 以上，高于液态锂离子电池（4.2V），有望解决新能源汽车里程焦虑问题，“电动爹”的时代有望成为历史！

【图】液态锂离子电池与固态电池制备工艺对比（图片来源：光大证券）

但是研发有实用价值的固态电解质，目前依然有许多挑战。其主要难点可以归结为以下三个方面：

（1）目前的固态电解质本身电导率偏低，与液体电解质相比，还有一定的差距；

（2）稳定性比较差，特别是不能与空气进行接触；

（3）循环的过程最终会导致电池的循环性能、循环寿命都变差。

虽然这三个方面近年来都提出了不少的解决方案，但整体而言，固态电池的发展还有很长的路要走。下面这张图，就简要归纳了固态电解质发展过程中需要解决的四大主要问题，供读者参考：

【图】固态电解质发展面临的四大问题（图片来源：Elsevier）

饭要一口一口吃，另一条思路就是，如果一下完全做到固态电解质有困难，可以走一条“逐步迭代”的路线——从半固态、准固态、最后实现全固态！

所谓半固态，就是固态电解质、液态电解质各占一半，或者说电芯的一半是固态的、一半是液态，准固态就是主要为固态，少量是液态，这是一个“含固量”逐渐提高的过程。在这一过程中，液态电解质含量将逐步从20wt%降至0wt%，电池负极逐步替换成金锂片，电池能量密度有望提升至500Wh/kg，电池工作温度范围扩大三倍以上。

【图】固态电池发展策略路线图（图片来源：光大证券）

那么这次蔚来推出的究竟是哪种固态电池呢？按照蔚来自己的官方介绍，它应用的是所谓的“原位固化固液电解质”。

这个词比较绕口，核心在“固液电解质”，所谓原位固化，就是逐步把当前的液态电解质转换为固体，而不是一步到位全固态的方法。也就是蔚来汽车的固态电池，本质上是同时含有固态电解质和液态电解质的锂电池，也就是“半固态”或者是“准固态”。

【图】蔚来“固态电池”的三大技术特点（图片来源：蔚来官网）

由此可见，蔚来的“固态电池”更多的是，沿着行业公认主流技术路线的推进和落地，尚未实现真正意义上的固态电池制造。尽管如此，依然引起了这么大的波动，可见市场对其有多高的期望，希望能够尽快落地！

截至目前，有望未来商用的固态电解质主流技术路线有三条（硫化物、氧化物、聚合物），而这三条路线，背后各自都有一系列特定的国家和企业支持。下面我们就来梳理一下，三条路线及背后的江湖。

固态电池的三条技术路线，谁主沉浮？

就目前而言，受到所在国家相关科研方向的影响，欧美企业以及中国的一些企业偏好氧化物与聚合物体系，而日韩企业和宁德时代则更多致力于解决硫化物体系。

聚合物固态电解质率先实现应用，但存在高成本和低电导率两个致命问题。目前主流的聚合物固态电解质是聚环氧乙烷（PEO）电解质及其衍生材料。

就在去年9月，中科院沈阳金属所在基于聚环氧乙烷的固态电解质研发上取得了重要进展，使得全固态聚合物锂电池在50°C下表现出高达1200圈的超高循环稳定性，并在室温和低温下（0°C）下表现出优异的电化学性能。相关论文发表在Nano Energy和Advanced Functional Materials等期刊上。

【图】固态电解质锂离子传输模式示意图（图片来源：沈阳金属所）

当然研发成功不代表马上能应用，但聚合物固态电池路线的商业化似乎是跑在最前面的——连车都已经造出来了。

法国Bolloré公司已在2011 年实现聚合物固态电池小规模量产，并推出以其为动力系统的电动车，标志着这一体系率先实现商业化。几年来已累计投入了3000辆搭载30kWh的由BatScap制造的固态电池，是全球首个固态电池电动车商业化的公司。

美国Solid Energy同样走的聚合物路线。公司采用超薄锂金属负极和同时拥有固态和液态部分的电解质，实现了电池能量密度提升一倍，重量减少一半。产品虽然还没有应用在车上，但目前已经小规模试制用于原型演示和专业航空航天市场。

【图】聚合物电解质技术路线代表企业（图片来源：前瞻产业研究院）

虽然已经有了这么多的进展，但整体而言，聚合物电解质在室温下导电率低，能量上限不高，升温后离子电导率大幅提高，既消耗能量又增加成本，因而增大了商业化的难度。

氧化物固态电解质综合性能好，LiPON 薄膜型全固态电池已小批量生产，非薄膜型已尝试打开消费电子市场。

LLZO（石榴石型）型富锂电解质室温离子导电率为10-4 S/cm、电化学窗口宽、锂负极兼容性好，被认为是最有吸引力的固态电解质材料之一，2020年Chemical Review上的一篇综述全面回顾了石榴石型固态电解质材料和电池的前世今生。制约其发展的重要因素是电解质和电极之间界面阻抗较大，界面反应造成电池容量衰减。

【图】一种LLZO电解质的结构及电压（图片来源：Chemical Reviews）

在氧化物电解质技术上，中国台湾辉能科技作为布局在氧化物电解质技术上的领军企业，自2006年起花费十年开发三项技术：Ceramion® 、Microcell® 与Logithium®，并率先在2012年发布第一代固态氧化物的基础电解质技术平台，创造出柔性具基本导电性的电解质。

此外，全球最大的锂生产商——中国江西的赣锋锂业，也是主攻氧化物电解质的企业，实现了LISCON 氧化物粉体和Garnet 氧化物粉体研制，具备年产100吨的量产能力，并实现了电解质膜的量产，也是一家具有锂行业上下游全系列生产能力的企业。

【图】氧化物电解质技术路线代表企业（图片来源：前瞻产业研究院）

硫化物固态电解质是开发最早的，它电导率最高，研究难度最高，开发潜力最大，如何保持高稳定性是一大难题。目前主流技术有三条（见后面的表），其中LGPS（由Li/Ge/P/S四种元素构成）系列电解质的离子电导率高达1.2x10-2 S/cm，可与液态电解质相媲美。

【图】一种LGPS材料的晶体结构（图片来源：PCCP）

虽然硫化物电解质与锂电极的界面稳定性较差，但由于离子电导率极高、电化学稳定窗口较宽（5V 以上，见图），受到了众多企业的青睐。

在硫化物电解质技术上，全球主要以日本丰田集团为代表。2010年，丰田就推出了硫化物固态电池，公司集中在对硫化物体系固态电解质进行研究，以提高电池的能量密度、电导率、循环寿命、安全性能等性能。目前宁德时代也以硫化物电解质为主要研发方向。由于硫化物路线影响力较大（主要是这两家企业市场上发声频繁），因而下文还会对这两家企业的路线简要介绍。

【图】硫化物电解质技术路线代表企业（图片来源：前瞻产业研究院）

下面这两张图，简要总结了三种固态电解质的主要特点、优缺点，以及各种路线相关的“拥趸”企业，供产业从业者参考：

【图】三大固态电解质体系及特点（图片来源：光大证券）

【图】全球固态电池重点研究企业总览（图片来源：前瞻产业研究院）

氧化物固态电解质各方面性能较为均衡，其他类型固态电解质普遍存在性能短板，尚不能达到大规模应用的要求。固态电解质是固态电池的核心部件，在很大程度上决定了固态电池的各项性能参数，如功率密度、循环稳定性、安全性能、高低温性能以及使用寿命。固态电池距离高性能锂离子电池系统仍有差距，聚合物、氧化物、硫化物三类固态电解质的性能参数各有优劣。下面这张经典的雷达图，就从多个维度展现了固态三大路线，及其他一些有影响力路线的性能对比：

【图】不同固态电解质性能雷达图（图片来源：光大证券）

不管哪种路线，能够尽早商业化才是上策。日本车企在固态电池上的研发起点相对较早，最早入局的丰田，在2008年就与固态电池创企伊利卡（Ilika）展开了合作，又在2019年初，宣布与松下合作。

【图】丰田固态电池发展路径（图片来源：前瞻产业研究院）

【图】丰田计划在奥运期间投入运行的固态电池出行巴士e-Palette（图片来源：电动邦）

而宁德时代成立的历史虽然很短，但凭着一系列硬招，在资本市场上取得辉煌成就的同时，技术研发也在稳步推进。据统计，宁德时代在固态电池领域目前共有10项相关专利，而就在1月20日，宁德时代还公开了两种固态电池相关专利。目前，公司全固态电池还在开发中，预计2030年后产品才能实现商品化。

【图】宁德时代最新公布的两项专利（图片来源：企查查）

虽然这两家企业近期在固态电池上“发声”较多，但并不意味着其他企业就一定落后。目前，固态电池领域进入“军备竞赛”阶段，各企业期望抢占先机以赢得市场份额。按照光大证券的研究，固态电池研究已经进入“四方争霸”年代：

（1）中国企业纵向联合，高校及研究机构科技成果初尝产业化。

（2）欧美多国政府拨款助力固态电池研发，科研机构及固态电池初创企业是主力，各大车企纷纷投资。

（3）日本电池领域底蕴深厚，企业依靠自身优势组建研发团队攻克技术难关，同时车企横向联合共同开发电池技术，科研机构、车企、电池和材料企业等多行业抱团共同参与研究。

（4）韩国电池企业选择纵向联合，共同开发固态电池技术。

发力的不仅有企业，还有国家。据前瞻产业研究院总结，固态电池发展规划较为完善的主要有美国、日本和德国。其中，日本与德国以全固态电池为发展目标，同时也谋求其他新概念电池的发展，特别日本采取的是固态和氢燃料两条腿走路的方式；而美国则致力于成本的降低，以及新型正极材料的应用。当然这只是一个大概的划分，固态电池的开发是一个系统工程。

【图】全球主要国家固态电池发展规划（图片来源：前瞻产业研究院）

眼光再回到国内：2019年12月，我国发布了《新能源汽车产业发展规划（2021-2035）》（征求意见稿），提出了加强固态电池研发和产业化进程的要求，首次将固态电池上升到了国家层面。从目前规划情况来看，我国固态电池的发展目标主要为能量密度的提升和材料体系的进步。

【图】中国固态电池发展技术路线规划（图片来源：前瞻产业研究院）

固态电池领域市场参与者众多，车企、电池企业、投资机构、科研机构等都在资本、技术、人才三方面进行博弈。下面这张光大证券整理的关系网，就将目前市场上的固态电池“玩家”之间的关系做了全面的总结，按照目前的发展情况，如果一切顺利，最迟到2025年，固态电池将实现初步应用。

【图】固态电池行业研究全景图谱（图片来源：光大证券）

但我们也要清醒认识到，预测和实际一定不可能完全吻合，特别是固态电池的最高境界——全固态电池，目前研发过程中还有很多技术问题待解决，因而据业界广泛预测，全固态电池距离真正应用起码还有5-10年。下面我们就来简单梳理一下，全固态电池面临的技术挑战。

固态电池，何时走进千家万户？

1. 固态电池，研发难点在哪？

各类型固态电池的电芯封装技术大同小异，差别主要体现在电极和电解质的制备工艺。全态锂电池根据电池形态可以分成薄膜型和大容量型两大类。大容量全固态电池适合规模化生产的技术路线仍在研究中，涂布法最为常见，预计2025 年固态电池可规模化生产，2030 年全固态电池实现商业化应用。

依据锂电池技术发展路线，我们可以列出四类电池：

两种液态锂离子电池：LIB（石墨负极）、LIB（硅碳负极）。

两种固态电池：基于石墨负极的硫化物ASSB（简称SLIB）、基于锂负极的

硫化物ASSB（简称SLMB）。

【图】四种电池结构示意图（图片来源：光大证券）

制备氧化物电解质时，涂布后需烧结以提高致密度，但高温烧结消耗大量能源并需补充大量锂盐以补偿锂损失，成本高昂。目前多采用掺杂方法降低烧结温度；相比而言，硫化物电解质制备不需烧结步骤，适合采用涂布法生产。但电池界面接触差，通过涂布多次热压、添加缓冲层可适当改善界面性能；而聚合物固态电池可采用卷对卷生产方式，技术相对成熟。

和石墨负极相比，锂箔（锂负极）要求厚度在50μm 以下，压延次数越多，厚度越小，难度越大，成本越高；固态电池电芯装配无需注液步骤，简化了生产过程。

同时，固态电池的生产可组合传统锂离子电池产业链。与传统锂离子电池相比，固态电池电芯制备不存在革命性创新，只是电极和电解质制造环境要求更高，需要在惰性气体保护下或在干燥间内进行，这与制造超级电容器、锂离子电容器等空气敏感储能器件的生产环境相似。

下面这张图，就展现了锂离子电池和固态电池工艺的异同：

【图】锂离子电池与固态电池工艺路线对比（图片来源：光大证券）

薄膜型全固态电池制备成本高、工艺难度大，但性能较好，已在微型电子、消费电子领域实现较初级、小范围应用。薄膜化的电池片倍率性能和循环性能优异，但薄膜结构使其容量上限较低（达不到mAh 级别），只能用于微型电子、消费电子领域。

薄膜型固态电池多采用真空镀膜法生产，工艺要求苛刻、生产成本高昂，难以大规模制备，而微型电子、消费电子对价格要求不敏感，目前多家国外企业已率先实现了薄膜型全固态锂电池在无线传感器、射频识别标签等低容量需求电子设备上的应用，但距离在消费电子（例如手机、平板电脑）上大规模应用还需要一段时间。

【图】全固态薄膜电池结构示意图（图片来源：光大证券）

近些年，随着技术的进步，材料成本不断降价，生产更大容量的电池变得更加可行——特别是“半固态电池”目前技术上并不是什么难事。依旧以蔚来为例，汽车的售价平均都在40万上下，电池成本对整车售价影响不算太大，因而此时推出也算合情合理。

但固态电池要想与传统液态锂离子电池一较高下，特别是最终要过渡到全固态技术路线，电池增能降本至关重要。就目前而言，固态电池成本远高于锂离子电池，未来固态电池若想实现产业化，增能降本则成必然。光大证券引用Joscha Schnell的文章，将上文中的四种电池能量密度和生产成本做了比对：

【图】四种电池能量密度、生产成本对比（图片来源：光大证券）

（1）简单将液态电解质替换为固态电解质并不能大幅提升电池能量密度，只有匹配高能电极材料才能实现能量密度的跨越。

（2）固态电池SLIB总成本最高，达158.8$/kWh。这是由于固态电池材料成本高昂，比LIB高约34%，同时加工工艺复杂共同造成的。

（3）固态电池SLMB（锂负极）理论总成本最低，仅需102$/kWh。虽然正极材料成本较高，但锂负极材料成本低廉，同时简化的电芯装配过程降低了加工成本，因此电池总成本低于液态锂离子电池，但依然存在技术问题（界面稳定性、锂压延性等），阻碍产业化进程。

【图】四种电池生产成本拆分（图片来源：光大证券）

2. 增能降本，全固态电池有哪些途径？

拆分电池组件和生产阶段，固态电池总成本受材料成本影响最大。但由于不需电解质填充步骤，固态电池SLIB和SLMB电芯组装成本明显低于液态锂离子电池LIB。下面这张表格给出的是四种不同电池的电芯加工步骤的材料、加工成本对比，供参考：

【图】不同电池的电芯加工步骤的材料、加工成本对比（图片来源：光大证券）

全固态电池成本下降主要依赖：

（1）更低的物料价格；

（2）稳定完善的供应体系（高质量锂箔供应）；

（3）工艺改进（bipolar stack 工艺）。

即使材料成本降低，氧化物固态电池仍不具价格竞争力，但氧化物固态电池在保证高能量密度的同时安全性优于硫化物固态电池，可以牺牲一部分成本。氧化物固态电池SLMB 制造成本从267$/kg 到123$/kg，成本降幅超过50%，但即使如此，氧化物固态电池SLMB 成本的优势仍不及液态锂离子电池LIB，其优势在于保证高能量密度的同时，安全性优于硫化物固态电池SLMB。

【图】电池制造成本随电解质价格变动曲线（图片来源：光大证券）

再来看锂箔（锂负极）：有实用价值的锂箔要求厚度在50μm 以下，压延次数越多，厚度越小，生产难度越大，成本越高，提高加工水平、保证高质量锂箔稳定供应是降本良方，而这可以通过添加加工助剂和多步辊压实现，每压延一次成本增加16.9$/kg，相当于总成本仅增加0.5%，但直接购买锂箔将使成本增加3.3-30%，但自己压延则需要专业人士操作机器，而这将会是一个挑战，因为可能聘请不到符合要求的人选。

【图】年产能6GWh 时锂箔成本随压延次数变化（图片来源：光大证券）

另一个重要的因素就是电芯堆叠（stack）工艺的改进，锂电池的堆叠方式分为两种：

平行堆叠（parallel stack）：常见于液态锂离子电池。电池总容量的增加依靠所有正极和负极集电器箔片的堆叠。

双极堆叠（bipolar stack）：常见于固态电池。一个电芯的正极和相邻电芯的负极共享相同的双极集电器，电池堆内部串联连接，层数越多电压越高，电流从最外层流入，集电器和接线片焊接所需空间缩小，电池空间利用率更高。

【图】两种stack 方式的电池结构对比（图片来源：光大证券）

电芯stack 工艺改进，对于不同电解质有着不同的效果。

双极堆叠法生产的硫化物固态电池，成本比平行堆叠法高4.1%，而体积能量密度提升了17.6%，双极堆叠法性价比更高。且同一电池内填放电芯数更多：基本的固态电池SLMB电池包含141 个串联的电芯，平均放电电压536V，双极堆叠法制造电池的成本比平行堆叠法高4.1%，而体积能量密度提升了17.6%。

双极堆叠法生产氧化物固态电池价格高昂，降低电解质成本、改进烧结工艺是解决之道。氧化物固态电池成本高昂是由于各成分体积分数一定的情况下，氧化物电解质密度大，正极和隔膜中质量占比大，材料成本高，同时氧化物电解质需高温烧结，加工成本较高，导致总成本明显高于硫化物固态电池。

【图】不同stack 方式的锂金属电池制造成本对比（图片来源：光大证券）

实际上，以目前的科技水平，已经有全固态电池问世，但距离量产还有不小距离。

2020 年3月初，三星高等研究院（SAIT）与三星日本研究中心（SRJ）在《自然-能源》（Nature杂志上发表《High-energy long-cycling all-solid-state lithium metal batteries enabled by silver–carbon composite anodes》，文章中提到的银碳基全固态电池能够实现900Wh/L的高能量密度、1000 圈以上长循环寿命及99.8%极高库伦效率（充放电效率），电池一次充电后可驱动汽车行驶800公里。据文章，这项技术还解决了困扰全固态电池性能的问题，即锂枝晶与充放电效率。

【图】三星固态电池结构（图片来源：光大证券）

不过这种全固态电池量产仍有难点：硫化物固态电解质对生产环境要求苛刻，需隔绝水和氧气；银碳层大规模生产所需的贵金属纳米银成本较高。因此最终能否投入生产，装上汽车，还面临着诸多不确定因素，并不能改变之前“全固态电池大规模应用还有5-10年”的判断。

而本文一开头提到的新型电池，电流密度高达 500mA/cm2（175mW/cm2），库伦效率平均可达到 99.98%。此外，这种电池的工作温度也大大降低。与自 1960 年代以来报道的其它液态锂金属电池相比，工作温度从 450°C 降至 240°C。这一工作温度下可以使用聚合物材料进行密封和绝缘，降低了电池的生产成本。

综上所述，固态电池技术目前仍处在成熟技术到产业化的过渡阶段，即技术推广与规模化生产验证阶段，初步预计到2025年，固态电池技术将实现商业化，并开始逐渐向下一代锂电池（锂-金属/锂-空气/锂硫）迈进。