一、固態電池：大幅提升電池安全，打破能量密度瓶頸
液態電池中，有機溶劑具有易燃性，且抗氧化性較差，目前已接近能量密度上限。鋰離子電池目前基本采取液態電解質，由溶劑、鋰鹽、添加劑組成，起到輸送離子、傳導電流的作用。但液態電解質中，有機溶劑具有易燃性、高腐蝕性，同時抗氧化性較差、無法解決鋰枝晶問題，因此存在熱失控風險，也限制了高電壓正極、鋰金屬負極等高能量材料的使用，預計理論能量密度上限為300Wh/kg。
固態電池大幅提升電池安全，打破液態電池能量密度瓶頸。
固態電池采用固態電解質，部分或全部替代液態電解質，可大幅提升電池的安全性、能量密度，是現有材料體系長期潛在技術方向。依據電解質分類，電池可細分為液態(25wt%)、半固態(5-10wt%)、準固態(0-5wt%)和全固態(0wt%)四大類，其中半固態、準固態和全固態三種統稱為固態電池。車企采用固態電池，安全性為短期驅動因素，能量密度為長期驅動因素。
二、高安全性：固態電解質不可燃燒，大幅降低熱失控風險
隨著電池能量密度的日益提升，電池熱失控風險呈現上升趨勢。從熱失控角度看，電池應在低于60℃運行工作，但由于內部短路、外部加熱、機械濫用等因素，使電池溫度升至90℃，此時負極表面的SEI膜開始溶解，造成嵌鋰碳直接暴露在電解液中，二者發生反應迅速放熱，產生大量可燃氣體，隔膜進而熔化，電池形成內短路，溫度迅速升高至200℃，促使電解液氣化分解、正極分解釋氧，電池發生劇烈燃燒或爆炸。
固態電池具備本質安全性，為車廠短期主要考量因素。1）不可燃性、熱穩定性：液態電解質易燃、易揮發，分解溫度約200℃（隔膜160℃），并存在腐蝕和泄露的安全隱患。而固態電解質具有不可燃、無腐蝕、無揮發等特性，分解溫度大幅提升，可在更高倍率和更高溫度運行，同時內部無液體不流動，電池可承受穿釘、切開、剪開、折彎，從而大幅降低熱失控風險。2）鋰枝晶：液態電池中，鋰枝晶的生長容易刺破隔膜，從而造成短路，而固態電解質具備高機械強度，鋰枝晶生長緩慢且難刺透，進而提升電池安全性能。
三、高能量密度：兼容高比容量正負極，大幅提升能量密度
固態電解質兼容高比容量的正負極，大幅提升電池的能量密度，為車廠長期主要考量因素。固態電池在兼顧安全性的基礎上，可實現能量密度的突破，液態電池可達250Wh/kg+，半固態可達350Wh/kg+，準固態可實現400Wh/kg+，全固態可突破500Wh/kg，從而提升續航水平，有望解決電動車里程、安全兩大核心痛點。
材料端看：固態電解質本身不能提升能量密度，但由于具備更穩定、更安全，電化學窗口寬（5V以上）等性質，因此可以兼容高比容量的正負極，比如高電壓正極、富鋰錳基、硅負極、鋰金屬負極等材料，進而大幅提升電芯能量密度；結構端看：固態電解質將電解液的隔膜功能合二為一，大幅縮小正負極間距，從而降低電池厚度，因此提升電芯能量密度；
Pack端看：固態電解質的非流動性，可以實現電芯內部的串聯、升壓，可以降低電芯的包裝成本，并提升體積能量密度。固態電解質的安全性，可以減少系統熱管理系統需求，成組效率大幅提升，從而提升Pack能量密度。
四、缺點：離子電導率低，循環壽命差，制約商業化進程
固態電池界面為固-固接觸，離子電導率低、界面穩定性差，存在循環、快充等問題，制約其商業化進程。
材料端離子電導率低：固態電池中，電極與電解質之間的界面接觸由固-液接觸變為固-固接觸，由于固相無潤濕性，因此接觸面積小，形成更高的界面電阻。同時固體電解質中有大量的晶界存在，且晶界電阻往往高于材料本體電阻，不利于鋰離子在正負極之間傳輸，從而影響快充性能和循環壽命；
循環壽命差：固-固接觸為剛性接觸，對電極材料體積變化更為敏感，循環過程中容易造成電極顆粒之間以及電極顆粒與電解質接觸變差，造成應力堆積，導致電化學性能衰減，甚至導致裂縫的出現，造成容量迅速衰減，導致循環壽命差的問題。
五、高成本：固態電解質含稀有金屬，成本明顯高于液態電池
固態電池成本高于液態電池，主要體現在固態電解質和正負極。固態電解質目前難以輕薄化，用到的部分稀有金屬原材料價格較高，氧化物電解質含鋯、硫化物電解質含鍺，疊加為高能量密度使用的高活性正負極材料尚未成熟，銅鋰復合帶價格1萬元/kg，全固態對生產工藝、成本和質量控制也提出了更嚴苛的要求，生產設備替換率大，全固態電池成本預計明顯高于現有液態電池。
六、逐級迭代：固態電解質→新型負極→新型正極
固態電池技術發展和應用預計將呈現梯次滲透趨勢。預計液態電池到固態電池的技術迭代路徑大致遵循“固態電解質→新型負極→新型正極”順序。
階段一：引入固態電解質，保留少量電解液，正負極仍為三元+石墨/硅負極，并采用負極預鋰化等技術提高能量密度；
階段二：用固態電解質逐步至完全取代電解液，用金屬鋰取代石墨/硅負極，正極仍為三元材料；
階段三：逐漸減薄固態電解質的厚度，并用硫化物/鎳錳酸鋰/富鋰錳基等材料取代正極。
七、半固態：兼具安全、能量密度與經濟性，率先進入量產階段
半固態電池通過減少液態電解質含量、增加固態電解質涂覆，兼具安全性、能量密度和經濟性，率先進入量產階段。全固態電池工藝并不成熟，仍處于實驗室研發階段，而半固態電池已經進入量產階段。半固態電池保留少量電解液，可以緩解離子電導率問題，同時使用固化工藝，將液態電解質轉化為聚合物固態電解質，疊加氧化物固態電解質涂覆正極/負極/隔膜，提升了電池的安全性/能量密度，同時兼容傳統鋰電池的工藝設備，達到更易量產較低成本的效果，預計半固態電池規模化量產后，成本比液態鋰電池高10-20%。
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楊興杰
中國固態電池行業上、下游產業鏈分析 
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