锂电那些事今日头条2024年08月22日 星期四

8月21日早盘，固态电池概念股大幅上涨，鹏辉能源直线20cm涨停，力王股份涨近15%，三祥新材、华正新材等个股涨停，翔丰华、殷图网联、当升科技等个股涨逾5%。消息面上，鹏辉能源官微发文称，全固态电池重大突破，2024鹏辉能源产品技术发布会将于8月28日召开，系列重磅新品即将发布。

据高工锂电，2024年1—7月（截至7月22日），全国固态电池新增产能已超142GWh，涉及金额644亿元。新增的1GWh落地产能为辉能科技0.5GWh/年氧化物半固态电池产线（已投产）和领新新能源的0.5GWh/年聚合物半固态电池产线（已量产）。涉及的投资项目共有30个，其中有一个项目为百亿元规模。

随着行业巨头不断加码，固态电池产业化进程有望进一步加快。7月28日，SNE电池日展会上重磅召开，知名电池生产厂商三星SDI详细介绍了公司在锂电池方面的布局。特别是在固态电池领域，三星SDI已经向客户交付了首批产品，接下来将进行为期6个月的测试。根据三星SDI此前透露的信息，公司已经研发了Super-Gap固态电池技术，将能量密度提升至900Wh/L。再加上三星SDI的9分钟超快充技术，新能源车里程焦虑问题将得到极大的缓解。

· 热稳定性。全固态电池的核心优势之一是固态电解质不易燃且热稳定性更好。这一点在电动汽车的安全性能上尤为重要，在高温环境等极端情况下可以显著降低电池发生热失控的风险，从而提高整体安全性。

· 机械稳定性。由于没有液态电解质，全固态电池在受到冲击或振动时，内部结构不易发生改变，从而降低了因机械损伤导致的安全风险。

全固态电池之所以在安全性上相比液态电池能够有所提升，主要归功于其固态电解质的热稳定性以及更好的机械稳定性，但这并不等同于绝对安全。固态电解质热稳定性不能一概而论，加之锂枝晶生长以及破损毒性问题，全固态电池在特定场景下仍存在热失控安全风险。长远来看，对于全固态电池的安全性，需要针对正负极材料的不同组合以及电芯模组的不同设计进行系统性验证。

已有研究结果表明，通过添加剂及结构设计可抑制锂枝晶的生长；未来，随着技术的不断进步和产业化的深入，固态电池有望超预期实现更广泛商业应用，为新能源电动汽车和消费电子设备等提供更安全、更高效的能量解决方案，为电池安全性能带来革命性提升。

液态锂离子电池是目前新能源动力电池的市场，长期以来，如下问题制约其发展与应用：

1. 安全性问题：液态锂离子电池结构中的电解液与隔膜可能导致安全性问题。

· 锂枝晶生长：锂离子在正负极间脱嵌以实现锂电池的充放电。但当出现一些异常情况使得锂离子无法 正常脱嵌时，就可能形成锂枝晶。而锂枝晶积累到一定程度就可能刺穿电池隔膜、使得正负极短路，进而引发起火等安全问题。

· 电解液易燃：液态锂离子电池的电解液常用锂盐溶于有挥发性、可燃的有机溶剂中，安全操作温度一般低于 80℃，因此当电池温度过高时可能发生燃烧和爆炸等问题。

电池中使用的普通隔膜易被锂枝晶刺穿，造成电池内部短路；普通隔膜，热稳定性较差，高温下散热速率降低，隔膜会收缩或熔化，引发火灾甚至爆炸。

2. 能量密度问题：目前液态锂离子电池的能量密度“天花板”约 300Wh/kg，而固态锂离子电池可凭借材料体系的更新实现更高能量密度，达 700Wh/kg 以上。

固态电池，是采用固态电极和固态电解质的一种电池。传统液态电池的主材是正极、负极、隔膜、电解液四种，在充放电的过程中，电解液一方面供应部分活性锂离子作为导电离子使用，一方面提供离子通道，使得锂离子可以自由移动；而隔膜的作用主要是使得电解液离子正常通过，并避免正负极接触导致内部短路。而在固态电池中，由于固态电解质的物理形态可以天然地隔离正极和负极，因此在固态电池中主材为正极、负极、固态电解质三种，隔膜不是必需的。

固态电池的最大优势在于高安全性和高能量密度，此外在轻量化、循环寿命和工作温度范围等方面也具备优势。

1. 高安全性：传统液态锂离子电池热失效原理包括：碳酸酯类有机电解液溶剂沸点低，组分易燃易挥发；高温下电解液与正负极反应，产生气体；聚乙烯隔膜易熔融，低温易皱缩。而固态电池的固态电解质熔沸点更高，无液态电解液，安全性更高。

2. 高能量密度：固态电池正负极均采用高比能电极材料，轻量化后可大幅度提升体积/质量能量密度。

3. 轻量化：在液态锂离子电池中，隔膜与电解液合计占电池近40%的体积、25%的质量，二者被固态电解质取代后，电池厚度大幅降低，安全性提高，可省去电池内部温控组件，进一步提高体积利用率。

4. 长循环寿命：固态电池较好克服了锂枝晶现象，不需要承受液态电解液中的化学物质带来的电极生锈或电解液中固态层的积累而降低电池寿命，理想状态下固态电池循环性能可以达到45000次左右。

5. 工作温度范围：-30°C~100°C宽温域，固态电解质不易凝固、不易气化。

然而，固态电池大规模产业应用还面临诸多挑战：

1. 快充性能弱于液态电池。相比于液态电池，固态电池由于使用固体电解质，因此离子电导率相对较低，使得快充能力弱于液态电池。

2. 固体电解质与电极间界面接触差。液体电池中，电解液与电极接触良好，但是在固体电池中，固体电解质与电极间存在缝隙，界面固-固接触稳定性较差。

3. 固态电池成本高。据韩国市场研究机构SNE分析，固态电池成本高主要受两方面因素影响，一是原材料成本高昂，包括锂硫化合物的成本高；二是制造成本高昂，这是由于固态电池量产对原材料纯度与合成环境要求高，使得制造成本更高。

近年来，各国纷纷推出相关政策和计划，明确其主要发展目标。其中，针对电池能量密度的规划在逐渐提高，比如，我国《节能与新能源汽车技术路线图》指出，到2025/2030年，我国动力电池单体能量密度需要分别达到 400Wh/kg 和 500Wh/kg。当前液态锂离子电池体系较难实现能量密度超过 300Wh/kg，因此各国计划以固态电池为重点发展目标，来提高电池的能量密度并降低其成本。预计2025年后，固态电池或将迎来全面发展。

2024 年，工信部就《锂电池行业规范条件（2024年本）》修订征求意见，新增固态电池相关要求。修订版新增对固态单体电池产品的性能要求，包括单体电池能量密度≥300Wh/kg，电池组能量密度≥260Wh/kg，循环寿命≥1000 次且容量保持率≥80%。行业层面，由于固态电池优势在于安全和续航，预计未来在飞行端、新能源车端、消费电子端以及储能端将有广泛应用。

· 飞行端：对续航和安全要求较高，且对成本较不敏感，有望成为率先放量的方向。目前，NASA宣布其研发的固态电池能量密度已达 500Wh/kg；宁德时代宣布其凝聚态电池正在进行民用电动载人飞机项目合作开发；亿航智能宣布完成对锂金属固态电池公司欣视界的战略投资，二者将合作开展适用于亿航智能自动驾驶飞行器产品的固态电池研发与生产。

· 新能源车端：岚图追光搭载半固态电池；卫蓝 360Wh/kg 锂电池半固态电芯交付蔚来；Solid Power 向宝马交付全固态动力电池A样；智己发布搭载半固态电池的 L6。

· 消费电子端：vivo 发布搭载半固态电池手机。

· 储能端：海博思创联合卫蓝开发半固态锂电池储能产品。

固态电池的应用场景与液态电池重叠，未来有望在消费电池、动力电池与储能电池三大领域全面替换液态电池。其中，在消费电池方面，固态电池有望率先应用于对成本敏感程度较小的微电池领域，例如植入式医疗设备、无线传感器等，随后逐渐渗透至高端消费电池应用。随着固态电池产品的逐步成熟，未来有望渗透至新能源汽车动力电池领域；此外，还可凭借其安全性优势渗透至储能电池中。多家第三方行业调研机构预测， 到2030年固态电池在这三大领域的市场规模总量有望超 200GWh。

固态电池性能优劣势

固态电池：大幅提升电池安全，打破能量密度瓶颈

液态电池中，有机溶剂具有易燃性，且抗氧化性较差，目前已接近能量密度上限。锂离子电池目前基本采取液态电解质，由溶剂、锂盐、添加剂组成，起到输送离子、传导电流的作用。但液态电解质中，有机溶剂具有易燃性、高腐蚀性，同时抗氧化性较差、无法解决锂枝晶问题，因此存在热失控风险，也限制了高电压正极、锂金属负极等高能量材料的使用，预计理论能量密度上限为300Wh/kg。

固态电池大幅提升电池安全，打破液态电池能量密度瓶颈。固态电池采用固态电解质，部分或全部替代液态电解质，可大幅提升电池的安全性、能量密度，是现有材料体系长期潜在技术方向。依据电解质分类，电池可细分为液态(25wt%) 、半固态(5-10wt%)、准固态(0-5wt%)和全固态(0wt%)四大类，其中半固态、准固态和全固态三种统称为固态电池。我们认为车企采用固态电池，安全性为短期驱动因素，能量密度为长期驱动因素。

高安全性：固态电解质不可燃烧，大幅降低热失控风险

随着电池能量密度的日益提升，电池热失控风险呈现上升趋势。从热失控角度看，电池应在低于60℃运行工作，但由于内部短路、外部加热、机械滥用等因素，使电池温度升至90℃，此时负极表面的SEI膜开始溶解，造成嵌锂碳直接暴露在电解液中，二者发生反应迅速放热，产生大量可燃气体，隔膜进而熔化，电池形成内短路，温度迅速升高至200℃，促使电解液气化分解、正极分解释氧，电池发生剧烈燃烧或爆炸。

固态电池具备本质安全性，为车厂短期主要考量因素。1）不可燃性、热稳定性：液态电解质易燃、易挥发，分解温度约200℃（隔膜160℃），并存在腐蚀和泄露的安全隐患。而固态电解质具有不可燃、无腐蚀、无挥发等特性，分解温度大幅提升，可在更高倍率和更高温度运行，同时内部无液体不流动，电池可承受穿钉、切开、剪开、折弯，从而大幅降低热失控风险。2）锂枝晶：液态电池中，锂枝晶的生长容易刺破隔膜，从而造成短路，而固态电解质具备高机械强度，锂枝晶生长缓慢且难刺透，进而提升电池安全性能。

高能量密度：兼容高比容量正负极，大幅提升能量密度

固态电解质兼容高比容量的正负极，大幅提升电池的能量密度，为车厂长期主要考量因素。固态电池在兼顾安全性的基础上，可实现能量密度的突破，液态电池可达250Wh/kg+，半固态可达350Wh/kg+，准固态可实现400Wh/kg+，全固态可突破500Wh/kg，从而提升续航水平，有望解决电动车里程、安全两大核心痛点。

材料端看：固态电解质本身不能提升能量密度，但由于具备更稳定、更安全，电化学窗口宽（5V以上）等性质，因此可以兼容高比容量的正负极，比如高电压正极、富锂锰基、硅负极、锂金属负极等材料，进而大幅提升电芯能量密度；

结构端看：固态电解质将电解液的隔膜功能合二为一，大幅缩小正负极间距，从而降低电池厚度，因此提升电芯能量密度；

Pack端看：固态电解质的非流动性，可以实现电芯内部的串联、升压，可以降低电芯的包装成本，并提升体积能量密度。固态电解质的安全性，可以减少系统热管理系统需求，成组效率大幅提升，从而提升Pack能量密度。

缺点：离子电导率低，循环寿命差，制约商业化进程

固态电池界面为固-固接触，离子电导率低、界面稳定性差，存在循环、快充等问题，制约其商业化进程。

材料端离子电导率低：固态电池中，电极与电解质之间的界面接触由固-液接触变为固-固接触，由于固相无润湿性，因此接触面积小，形成更高的界面电阻。同时固体电解质中有大量的晶界存在，且晶界电阻往往高于材料本体电阻，不利于锂离子在正负极之间传输，从而影响快充性能和循环寿命；

 循环寿命差：固-固接触为刚性接触，对电极材料体积变化更为敏感，循环过程中容易造成电极颗粒之间以及电极颗粒与电解质接触变差，造成应力堆积，导致电化学性能衰减，甚至导致裂缝的出现，造成容量迅速衰减，导致循环寿命差的问题。

高成本：固态电解质含稀有金属，成本明显高于液态电池

固态电池成本高于液态电池，主要体现在固态电解质和正负极。固态电解质目前难以轻薄化，用到的部分稀有金属原材料价格较高，氧化物电解质含锆、硫化物电解质含锗，叠加为高能量密度使用的高活性正负极材料尚未成熟，铜锂复合带价格1万元/kg，全固态对生产工艺、成本和质量控制也提出了更严苛的要求，生产设备替

换率大，全固态电池成本预计明显高于现有液态电池。

逐级迭代：固态电解质→新型负极→新型正极

固态电池技术发展和应用预计将呈现梯次渗透趋势。我们预计液态电池到固态电池的技术迭代路径大致遵循“固态电解质→新型负极→新型正极”顺序。

阶段一：引入固态电解质，保留少量电解液，正负极仍为三元+石墨/硅负极，并采用负极预锂化等技术提高能量密度；阶段二：用固态电解质逐步至完全取代电解液，用金属锂取代石墨/硅负极，正极仍为三元材料；阶段三：逐渐减薄固态电解质的厚度，并用硫化物/镍锰酸锂/富锂锰基等材料取代正极。