固態(tài)電池因高安全和高能量密度，被普遍認(rèn)為是最具潛力的下一代電池技術(shù)。隨著產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)技術(shù)路線的突破，有望開啟新一輪電動(dòng)化創(chuàng)新周期。

固態(tài)電池技術(shù)的關(guān)鍵在于用固體電解質(zhì)來取代傳統(tǒng)的電解液和隔膜，通過固態(tài)電解質(zhì)能適配更高比能的正負(fù)極體系，以及減少電解液帶來的安全隱患。

與液態(tài)電解質(zhì)相比，固態(tài)電解質(zhì)具有更高的安全性，且更適用于高比容量的正負(fù)極材料體系。固態(tài)電解質(zhì)的材料類型決定了電池的性能參數(shù)，例如循環(huán)穩(wěn)定性、安全性、功率密度以及高低溫性能等。

本文重點(diǎn)梳理固態(tài)電池最大的變化環(huán)節(jié)固態(tài)電解質(zhì)材料的三大技術(shù)路線：硫化物、氧化物和聚合物。

資料來源：《固態(tài)電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀綜述》張春英等

固態(tài)電池電解質(zhì)的綜合性能難以平衡。

氧化物電解質(zhì)具有較寬的電化學(xué)窗口范圍，但界面接觸性能較差。

聚合物電解質(zhì)界面接觸較好，但離子電導(dǎo)率和化學(xué)穩(wěn)定性有待提高。

硫化物電解質(zhì)離子電導(dǎo)率較好，但化學(xué)穩(wěn)定性不足。

整體來看，氧化物固態(tài)電池的研發(fā)在目前階段較為領(lǐng)先，成本相對(duì)較低；硫化物路線被看作是未來最具發(fā)展?jié)摿Φ?，成本相?duì)較高；而聚合物路線的性能表現(xiàn)則相對(duì)有限。

固態(tài)電池vs液態(tài)電池制備流程：

資料來源：行行查

01 硫化物電解質(zhì)

硫化物固態(tài)電池在導(dǎo)電率和集成方面表現(xiàn)出色，優(yōu)點(diǎn)包括擁有最高的離子電導(dǎo)率、較小的晶界電阻以及良好的延展性。

硫化物固態(tài)電池在理論上能夠提供更高的能量密度和更快的充電速度，在電動(dòng)汽車領(lǐng)域適用性極高，具備較大的商業(yè)化潛力。

硫化物電解質(zhì)的缺點(diǎn)包括電化學(xué)窗口相對(duì)較窄，容易與鋰金屬及潮濕空氣發(fā)生反應(yīng)。此外，有可能產(chǎn)生有害的硫化氫氣體，以及界面穩(wěn)定性欠佳，需要通過摻雜、涂層、包覆等技術(shù)手段來解決，從而增加了研發(fā)難度和成本。

雖然硫化物電解質(zhì)目前仍處于研發(fā)階段，由于其昂貴的原材料成本，目前仍未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。但一旦在工藝上取得突破，有望成為未來的主流技術(shù)路線。

硫化物電解質(zhì)特性：

 

三星明確選擇了硫化物作為固態(tài)電池的發(fā)展方向。

2020年三星在權(quán)威雜志Nature Energy上首次展示了其硫化物全固態(tài)電池。這款電池采用了NCM811高鎳正極、硫化物固態(tài)電解質(zhì)以及銀-碳復(fù)合負(fù)極的先進(jìn)結(jié)構(gòu)，電池能量密度超過了400Wh/kg。

而就在本月，三星SDI在韓國(guó)首爾舉辦SNE電池日展會(huì)上，展示了其最新的電池技術(shù)。三星SDI表示，其首批固態(tài)電池已交付給電動(dòng)汽車制造商，并進(jìn)行了約六個(gè)月的測(cè)試，三星SDI計(jì)劃到2027年全面量產(chǎn)全固態(tài)電池。在7月，大眾汽車集團(tuán)旗下電池公司也宣布計(jì)劃通過合作，實(shí)現(xiàn)固態(tài)鋰金屬的工業(yè)化電池技術(shù)。

三星硫化物全固態(tài)電池示意圖：

資料來源：三星官網(wǎng)

國(guó)內(nèi)企業(yè)中，寧德時(shí)代在硫化物固態(tài)電池方面的研發(fā)已經(jīng)成熟。

與國(guó)內(nèi)其他企業(yè)優(yōu)先采用半固態(tài)電池路線不同，寧德時(shí)代計(jì)劃直接開發(fā)全固態(tài)硫化物電解質(zhì)電池，這一策略與日韓企業(yè)的路線相吻合。

其改性后的LiCo O2/硫化物電解質(zhì)/Li電池，在0.1C倍率下，能夠做到200周以上，容量保持率在80%以上，這一性能在行業(yè)中處于領(lǐng)先水平。

蜂巢能源正在積極開發(fā)半固態(tài)短刀電池，并同時(shí)布局硫化物全固態(tài)電池路線。公司與寧波材料所展開了深度合作，共同研發(fā)果凍電池和硫系全固態(tài)電池。

蜂巢能源的全固態(tài)電池實(shí)現(xiàn)了離子電導(dǎo)率高達(dá)10mS/cm，電解質(zhì)膜厚僅為20μm，能量密度達(dá)到了350-400Wh/kg，循環(huán)壽命也可達(dá)到1000次。

目前，該全固態(tài)電池已經(jīng)順利通過針刺、200°C熱箱等實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并處于樣件階段。

蜂巢能源固態(tài)電池產(chǎn)品：

 

02氧化物電解質(zhì)

氧化物電解質(zhì)能夠耐受高電壓，穩(wěn)定性表現(xiàn)突出，且綜合性能優(yōu)秀。

其具有較高的離子電導(dǎo)率和出色的熱穩(wěn)定性同時(shí)擁有超過5V的高電壓窗口，更能適配高壓正極材料體系。

氧化物電解質(zhì)的硬度較高，有助于抑制鋰枝晶的形成，從而提升電池的安全性。

從成本角度來看，氧化物電解質(zhì)的成本明顯低于硫化物電解質(zhì)，適中的成本使其更適合大規(guī)模的生產(chǎn)和應(yīng)用，因此也吸引了許多新進(jìn)入者和國(guó)內(nèi)企業(yè)選擇這一路線。

氧化物電解質(zhì)通過采用與聚合物復(fù)合的方式，在半固態(tài)電池中實(shí)現(xiàn)率先的規(guī)?；瘧?yīng)用。

國(guó)內(nèi)布局企業(yè)方面，清陶能源選擇了以氧化物電解質(zhì)為主的半固態(tài)電池路線，其設(shè)計(jì)采用了升級(jí)的正極材料，從NCM532、NCM622升級(jí)到高鎳單晶NCM811，固態(tài)電解質(zhì)則選用了NaSICON型LATP氧化物電解質(zhì)，并結(jié)合了孔洞高分子膜。

清陶能源技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

 

資料來源：清陶能源

贛鋒鋰業(yè)通過引進(jìn)寧波材料所的許曉雄博士團(tuán)隊(duì)進(jìn)入固態(tài)電池領(lǐng)域。

目前贛鋒鋰業(yè)正在研發(fā)第二代半固態(tài)電池產(chǎn)品，該產(chǎn)品計(jì)劃采用NCM633或高性能的單晶NCM811作為正極材料，而電解質(zhì)方案則選用公司自研的陶瓷氧化物PEO薄膜，主要類型為GARNET型和LISICON型氧化物。

03 聚合物電解質(zhì)

聚合物電解質(zhì)兼具柔性與低成本，率先在歐洲實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)用，已開始小規(guī)模量產(chǎn)。

聚合物電解質(zhì)采用高分子聚合物為電解質(zhì)基體，添加導(dǎo)電鋰鹽，構(gòu)成離子傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，具備柔性與易加工的特點(diǎn)，界面接觸相對(duì)較好。

但其電導(dǎo)率低、電化學(xué)窗口窄，僅能和鐵鋰正極匹配且性能上限較低，也制約了其大規(guī)模應(yīng)用。

后續(xù)與無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)復(fù)合，通過結(jié)合兩者優(yōu)勢(shì)，在應(yīng)用端有望實(shí)現(xiàn)性能突破。

04 固態(tài)電解質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)格局

整體來看，全球固態(tài)電池的研發(fā)可以劃分為中國(guó)、日韓和歐美三大陣營(yíng)。

在技術(shù)路徑的選擇上，日韓起步較早，目前在技術(shù)上處于領(lǐng)先地位，全球前十的固態(tài)電池專利都被日韓企業(yè)所包攬，日韓企業(yè)主要選擇了硫化物固態(tài)電解質(zhì)路線，豐田、三星、松下、出光興產(chǎn)和住友等都是該領(lǐng)域的代表企業(yè)。

歐美更多地選擇了氧化物固態(tài)電解質(zhì)路線，并且都在直接開發(fā)鋰金屬負(fù)極的應(yīng)用。

歐美企業(yè)相對(duì)獨(dú)立，各大車企如大眾、福特、奔馳等主要通過投資專業(yè)化的固態(tài)電池企業(yè)來進(jìn)行研發(fā)。這些企業(yè)大多數(shù)選擇氧化物鋰電池路線，代表企業(yè)包括QuantumScape、SolidPower和SolidEnergySystems等。

國(guó)外固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化情況：

 

資料來源：公開資料整理、東吳證券、行行查

中國(guó)企業(yè)在固態(tài)電池的研發(fā)路線上更為多樣化，主要集中在氧化物與聚合物路線。

同時(shí)，由于我國(guó)擁有全球領(lǐng)先的液態(tài)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)，因此大部分行業(yè)內(nèi)企業(yè)也在發(fā)展半固態(tài)電池，代表廠商包括衛(wèi)藍(lán)新能源、清陶能源、輝能科技、贛鋒鋰業(yè)、國(guó)軒高科、鵬輝能源以及寧德時(shí)代和比亞迪等。

國(guó)內(nèi)固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)布局廠商眾多，其中固態(tài)電解質(zhì)領(lǐng)域主要布局廠商包括上海洗霸、奧克股份、當(dāng)升科技、貝特瑞、金龍羽、廈鎢新能、普利特、瑞泰新材、德爾股份、璞泰來、天目先導(dǎo)、藍(lán)固新能源等。

總體來看，作為固態(tài)電池的關(guān)鍵組成部分，固態(tài)電解質(zhì)每一種技術(shù)路線都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和需要面對(duì)的挑戰(zhàn)。當(dāng)前固態(tài)電解質(zhì)的電導(dǎo)率相對(duì)較低，且固態(tài)電解質(zhì)與正負(fù)極材料的接觸由固-液界面轉(zhuǎn)變?yōu)楣?固界面，這導(dǎo)致了較為嚴(yán)重的界面接觸問題。因此當(dāng)前采用漸進(jìn)式的開發(fā)路徑，即從混合固液體系逐步過渡到全固態(tài)體系，成為推動(dòng)固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的重要策略。

來源：樂晴智庫(kù)精選