群雄逐鹿鋰電終局，誰能稱霸固態(tài)電池時代？

（圖片來源：攝圖網(wǎng)）

作者|葉子 來源|奇偶派(ID：jioupai)

過去三年中，新能源車市需求的膨脹式發(fā)展，讓動力電池行業(yè)的“話語權”掌握在了最上游的鋰礦企業(yè)手中，而鋰礦價格也像坐上了過山車一般，從20年的不足4萬元/噸，一路飆漲至最高超57萬元/噸，成為了新能源時代的“白色石油”。

而新年伊始，一路狂奔向前的鋰礦市場卻接連遭遇失速。

以澳大利亞為代表的鋰礦石開采產能已經提速，加之漲價使得電池材料回收產業(yè)迎來機遇，回收資源很大程度上替代了原始的資源需求。同時，下游需求在第一輪新能源車熱潮過后，出現(xiàn)了一定程度的萎靡。

在需求與供給的雙重打擊之下，鋰礦也迎來了“雪崩”，其價格在短短三個月中便下跌到了15萬元/噸。

在鋰礦價格下跌的同時，鋰離子動力電池的經濟性也重新凸顯了出來，在過去兩年中不被看好的鋰離子固態(tài)電池，在市場與技術的雙重利好之下，重新被人們所認知。

4月18日，在上海車展中，長安深藍首款搭載半固態(tài)電池系統(tǒng)的中型SUV深藍S7亮相，其優(yōu)異的續(xù)航與極高的安全性受到了參展人的廣泛關注。而東風汽車、蔚來、賽里斯等車機廠，也紛紛拋出了自己的固態(tài)電池制造計劃。

而在國家層面，韓國政府于4月20日宣布，將由政府及其頭部電池公司牽頭，在2030年之前共同投資20萬億韓元，以開發(fā)包括固態(tài)電池在內的先進電池技術，并在2025年開始商業(yè)化生產，進而維持韓國在動力電池領域的絕對實力。

可以說，全球范圍內的尖端車機廠商與政府都加入了這場固態(tài)電池領域的“軍備競賽”，那么，固態(tài)電池究竟是什么？為何在鋰離子電池經濟性重新出現(xiàn)后便如此受到車機廠、政府與技術人員的關注？

本文將通過研究分析當前固態(tài)電池相關技術的推進程度，以及對產業(yè)鏈上相關公司的分析，來為讀者展現(xiàn)固態(tài)電池行業(yè)及公司的發(fā)展狀況。

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固態(tài)電池或將取代傳統(tǒng)鋰電池

固態(tài)電池有哪些優(yōu)點？在回答這個問題之前，我們需要了解鋰離子電池的分類。

鋰離子電池自出現(xiàn)至今已有近40年的歷史，自1976年鋰電池之父”斯坦利·惠廷漢姆提出最早的鋰二次電池雛形：正極材料使用硫化鈦，負極使用金屬鋰并且使用含鋰鹽的電解液后，鋰離子電池便正式出現(xiàn)了。

但由于電池的安全性、穩(wěn)定性、電容量等各項指標均不理想，導致其始終無法商用。

而在1980年古迪納夫開發(fā)了鈷酸鋰、磷酸鐵鋰以及錳酸鋰三大正極材料后，便奠定了現(xiàn)在主流正極材料體系。1991年吉野彰擺脫負極鋰金屬限制，創(chuàng)新性使用石墨作為負極，才真正突破理論性研究，進而開發(fā)了第一個商用鋰離子電池。

但是，伴隨著科技的快速發(fā)展與消費者對鋰離子電池容量、安全性的要求不斷提高，我們急需一種新型的鋰離子電池，此時，與電池容量與安全性息息相關的電解質部分，便被科學家們盯上了。

如果按電解質的形態(tài)對鋰離子電池進行分類的話，可以按照其中液體含量的多少分為液態(tài)電池與固態(tài)電池，而固態(tài)電池又能分為半固態(tài)電池、準固態(tài)電池與全固態(tài)電池三種類型。

液態(tài)電池中的電解質都是由液體組成，而半固態(tài)液體電解質質量百分比<10%，準固態(tài)液體電解質質量百分比<5%，全固態(tài)則不含有任何液體電解質。

那么，固態(tài)電池與液態(tài)電池在具體表現(xiàn)上究竟有哪些不同？

首先，液態(tài)電池即將到達能量密度瓶頸，而固態(tài)電池能量密度上限更高。

《中國制造2025》提出的電池技術目標是2020、2025年分別達300Wh/kg、400Wh/kg；而據(jù)中科院研究院吳嬌楊等統(tǒng)計，1991-2015年鋰離子電池的能量密度已提升3倍，GAGR約3%，按線性推算2020、2025年能量密度僅能達到300Wh/kg、320Wh/kg。

而從實際技術來看，由于鋰金屬負極活性極強、穩(wěn)定性差導致極難與液態(tài)電解液兼容，進而無法發(fā)揮其具有最低電化學電勢與極高的電容量的優(yōu)點，直接限制了整個電池能量密度的發(fā)展。

此外，電解液也很難匹配高電壓正極，目前主流的電解液電壓窗口不超過4.5V，這直接制約了正極材料的可選范圍，從而限制了能量密度的發(fā)展。

也就是說，現(xiàn)在的鋰離子電池能量密度增速明顯放緩并接近理論極限，在不更新材料的前提下，再難取得新的突破。

而固態(tài)電解質便很好地解決了這些問題。

相較于液態(tài)電解質，固態(tài)電解質的電化學性能更穩(wěn)定，能兼容活性極強的鋰金屬負極；同時固態(tài)電解質可抑制鋰枝晶析出，滿足鋰金屬負極應用的必要條件。

同時，部分固態(tài)電解質電壓窗口更大，可適配高電壓的正極材料；若采用鋰金屬負極，則理論上正極可用不含鋰材料，能量密度、降本空間都有望得到巨大提升，體積能量密度更有望超過100Wh/L。

次之，液態(tài)電池難以解決安全性的問題，固態(tài)電池卻從根本上杜絕了問題的發(fā)生。

電解液是造成液態(tài)鋰離子電池安全事故的最大推手。鋰電池的熱失控主要是因內部短路或工作溫度過高的原因導致初始溫度上升，導致SEI膜分解，同時電解液持續(xù)升溫釋放多種可燃氣體與氧氣，進而出現(xiàn)燃燒的情況。

目前鋰電池產業(yè)主要依靠緩解熱失控來應對安全事故，如在電芯內添加阻燃劑、惰性氣體等；在Pack層面可增加反穿刺設計、熱屏障等。但是高危的電解液是LIB安全問題的本質，而其作為LIB的必需材料，理論上無法解決安全性問題。

而固態(tài)電解質的失控初始溫度均超過液態(tài)電解質（120℃），而氧化物固態(tài)電解質的安全性最高，熱失控溫度均超過600℃，從理論上杜絕了電池燃燒等安全問題。

最后，便是液態(tài)電池的工藝優(yōu)化空間遠不如固態(tài)電池大。

目前，液態(tài)電池的電信制造流程主要包括電極制備（濕法為主）→卷繞→封裝→注液→化成→分選→組裝，而高速率混漿、涂覆和卷繞/疊片技術以及大容量電芯技術推動單線產能不斷擴大。

資料來源：高工鋰電，中國銀河證券

但由于濕法電極制備環(huán)節(jié)中涉及低效率的涂覆、烘干，卷繞環(huán)節(jié)需要停線插入極片等因素，即使是特斯拉升級后的4680技術，仍涉及復雜的激光焊接環(huán)節(jié)，因此電芯制造效率提升仍存在較大瓶頸。

此外，傳統(tǒng)組裝CTM為電芯-模組-電池包-車身的過程，會使用大量零部件并增加整體質量，同時涉及復雜連接、電池管理系統(tǒng)的配合。

而固態(tài)電池則可以采用干法電機工藝。干法電極技術是一種無溶劑的生產技術，方法是將正負極材料與粘結劑等混合，然后直接通過壓延、噴涂、擠出或氣相沉積的方式形成片狀、薄膜狀電極。

與濕法電極制備相比，干法技術的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：①省去了漿料攪拌、干燥、有害溶劑回收等環(huán)節(jié)，節(jié)省了材料、時間、廠房和人工等生產成本；②性能方面，電極更厚能量密度更高；③無有毒溶劑更環(huán)保。

數(shù)據(jù)來源：中國銀河證券

此外，在組裝環(huán)節(jié)中，固態(tài)電池使用多層雙極結構的電芯本身就可視為“成組”過程，通過串聯(lián)式的致密堆積可以大大提升空間利用率，實現(xiàn)更低的內阻、更高的能量密度與電流輸出，在后續(xù)封裝過程中也無需復雜的連接，在量產后有著極大的提效空間與降本空間。

也正是打破能量密度瓶頸、有效優(yōu)化傳統(tǒng)鋰電池缺陷、可以進一步突破工藝空間，成為了固態(tài)電池加速發(fā)展，替代液態(tài)電池的三大推力。

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“折中”的方案——半固態(tài)電池

那么，既然固態(tài)電池較傳統(tǒng)鋰電池來說有著如此多的優(yōu)勢，那么并未加速普及的背后，自然有著它自身尚未攻克的難題。

而這些難題總結下來，主要集中于兩個方面：

一方面，全固態(tài)電池尚有技術難點有待突破，比如固態(tài)電解質的離子電導率遠低于液態(tài)電解質，這使得電池內阻明顯增大、電池循環(huán)性變差、倍率性能變差等；

而另一方面，高昂的成本也是制約全固態(tài)電池商業(yè)化的因素，目前液態(tài)鋰電池的產業(yè)鏈非常成熟，可以用低廉的成本生產出性能較好的鋰電池，而全固態(tài)電池的產業(yè)鏈還不夠完善。

而解決這些問題的最主要著手點，還是推進固態(tài)電解質的研發(fā)。

目前，固態(tài)電池有著三條主流路線，分別為聚合物、氧化物、硫化物，三種技術路線體系不同，各有優(yōu)劣。

首先是聚合物技術路線，聚合物做電解質的優(yōu)點是易加工，與現(xiàn)有的液態(tài)電解液的生產設備、工藝都比較兼容，并且機械性能較好。但其電導率太低，需要加溫至60℃方可正常工作，也無法適配高電壓的正極材料。

而硫化物則剛好與聚合物相反，硫化物有著最高的電導率與較寬的電化學穩(wěn)定性，是最有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g路線，但硫化物的制備工藝十分復雜，且容易與空氣中的水、氧氣反應產生硫化氫劇毒氣體。

而氧化物則兼具兩者的優(yōu)點，有比較好的導電性、穩(wěn)定性和電化學性能，也是目前推進最快的技術。

資料來源：信達證券

氧化物體系因研發(fā)成本和難度相對較低，故國內廠商側重氧化物固態(tài)電解質，也有望在半固態(tài)池中實現(xiàn)規(guī)模化上車。

但從長遠角度看，硫化物固態(tài)電解質雖然研發(fā)難度高，但因其優(yōu)異的性能和較大的潛力吸引實力和資本雄厚的電池企業(yè)不斷投入研發(fā)，諸多巨頭選擇其為主要技術路徑，頭部企業(yè)已有十幾年的技術積累，一旦實現(xiàn)突破將形成高技術壁壘。

而在電解質的選擇之外，電池能量密度的提升還需要匹配高能電極材料。

固態(tài)電池可以沿用現(xiàn)有的負極體系，但對提升能量密度的幫助不大。而如果想要大幅度提升電容量，便需要高效應用鋰金屬負極。

鋰金屬負極具有能量密度高的優(yōu)勢，這直接關乎電池的容量問題。因此，可以不夸張的說，哪家公司掌握了鋰金屬負極的應用技術，這家公司便能獲得產品性能、成本的雙重優(yōu)勢，占據(jù)市場戰(zhàn)略高地。

但是，目前鋰金屬負極亟需解決穩(wěn)定性的問題，且鋰金屬負極量產降本空間極大，這都是尖端電池技術企業(yè)需要跟蹤長期研究的課題。

所以說，當前全固態(tài)電池的發(fā)展仍然任重道遠，規(guī)模量產的挑戰(zhàn)極大。

此時，半固態(tài)電池作為一種“折中”的工藝，便是當下最好的選擇。

半固態(tài)電池制造工藝流程和裝備與目前鋰電池通用程度高，只是一些關鍵的工藝環(huán)節(jié)，比如原位固態(tài)化、混料、注液等，操作方式和現(xiàn)在的液態(tài)鋰電池不同。

但其卻擁有能量密度高、體積小、安全性更高、柔性化程度更好等諸多特點，成為了目前車機廠商們下一代主流電池技術路線的首選。

同時，半固態(tài)電池也被視作全固態(tài)的過渡路線，畢竟沒有哪一項新技術是一蹴而就，都需要在研究與商業(yè)化之間來回往返，共同進步。

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清陶能源、衛(wèi)藍新能源

突圍固態(tài)技術制高點

由液態(tài)電池逐漸向固態(tài)電池過渡是鋰電技術進步的重要趨勢。在全球范圍內，各大車企、電池企業(yè)、投資機構、科研機構等在資本、技術、人才方面均積極布局，以加速固態(tài)電池產業(yè)化進程。

而從全球范圍來看，大致可分為中國、日韓及歐美三個陣營。

在技術方向上，日韓起步最早并選擇了硫化物固態(tài)電解質路線，目前日韓企業(yè)持有固態(tài)電池專利數(shù)全球領先。歐美選擇氧化物固態(tài)電解質路線居多，且均在直接開發(fā)鋰金屬負極應用。

而中國三種固態(tài)電解質路線均有布局，在開發(fā)全固態(tài)電池的同時也在大力發(fā)展對現(xiàn)有產業(yè)更友好的半固態(tài)電池，也有眾多優(yōu)秀的中國公司從快速發(fā)展的行業(yè)中脫穎而出。

其中，衛(wèi)藍新能源在固態(tài)電池技術革新上發(fā)揮了自身的價值。

衛(wèi)藍新能源成立于2016年，是一家專注于全固態(tài)鋰電池研發(fā)與生產、擁有系列核心專利與技術的國家高新技術企業(yè)，是中國科學院物理研究所清潔能源實驗室固態(tài)電池技術的唯一產業(yè)化平臺。

雖然公司成立較晚，但其由中國工程院院士陳立泉、中科院物理所研究員李泓、原北汽新能源總工俞會根共同發(fā)起創(chuàng)辦，早在上世紀九十年代便開始進行固態(tài)電池的研發(fā)，具有較為深厚的技術積累。

圖源：Sensor Tower

衛(wèi)藍新能源的產品覆蓋面很廣，研發(fā)內容包含了正負極、電解液、隔膜、生產設備等整個電池生產的全方面。并擁有22Ah、23Ah、27Ah、30Ah 四種固態(tài)鋰離子電芯產品，以及 7 種不同規(guī)格的固態(tài)鋰離子電池包，可用于巡檢、安防、無人機、機器人、醫(yī)療設施設備等領域。

資料來源：衛(wèi)藍新能源公司官方網(wǎng)站

而在前沿技術推進的同時，公司也在推動固態(tài)電池的量產與商業(yè)化，分別于2020年與2022年，在溧陽、淄博、湖州三地進行了固態(tài)電池產線的開工與投產。

而也就在去年11月，衛(wèi)藍新能源成功量產了360Wh/kg車規(guī)級固態(tài)電池產品，可以實現(xiàn)電動汽車一次充電續(xù)航里程達到 1000km。較好地解決了消費者最為關切的里程焦慮和安全性問題，這就標志著2023年，成為了中國車用固態(tài)電池商業(yè)化的開始。

而在公司的背后，也有眾多頭部車廠、產業(yè)資本和政府資金的身影。

2018年，衛(wèi)藍新能源完成A輪數(shù)億元人民幣的融資，投資方包括三峽資本、中科院創(chuàng)投等多家基金，還在各地政府的扶持下成立了江蘇衛(wèi)藍新能源電池有限公司、北京衛(wèi)國創(chuàng)芯科技有限公司、溧陽先導固態(tài)電池材料有限公司等三家子公司。

隨后，還與天齊鋰業(yè)合資成立天齊衛(wèi)藍固鋰新材料有限公司，從事預鋰化負極材料與回收、金屬鋰負極及鋰基合金（復合）負極材料、預鋰化試劑（原材料）、預鋰化制造設備等相關業(yè)務。數(shù)據(jù)顯示，截止2022年12月，衛(wèi)藍新能源共完成了八輪融資，老股東蔚來資本、IDG資本繼續(xù)加注。

率先實現(xiàn)規(guī)?；慨a，清陶能源基本領跑了固態(tài)電池行業(yè)新格局。

清陶能源是清華大學南策文院士團隊領銜創(chuàng)辦的高新技術企業(yè)，是國內固態(tài)鋰電池產業(yè)化的領跑者，建有國內首條固態(tài)鋰電池生產線，率先實現(xiàn)了由0.1GWh到1GWh的產能升級，構建了完備的自主知識產權體系。

實際上，早在2018年，清陶在3C數(shù)碼領域便實現(xiàn)了固態(tài)電池的第一代電池的量產；2020年，清陶與合作伙伴共同公開披露了可行駛固態(tài)電池的樣車，也是國內固態(tài)電池發(fā)展領域多個第一名的取得者。

目前，清陶能源下設固態(tài)鋰電池、固態(tài)鋰電池相關材料、相關設備和電池回收利用四個板塊，覆蓋產業(yè)鏈中下游，通過核心材料和設備創(chuàng)新來共同支撐固態(tài)鋰電池整個產業(yè)創(chuàng)新的發(fā)展。

資料來源：清陶能源官網(wǎng)

在技術方面，清陶能源背靠清華大學團隊，主要著重于以氧化物為電解質的半固態(tài)電池方向的研發(fā)，通過正負極、電解液、隔膜、粘接劑、封裝工藝等多項發(fā)明專利，成功減少了電解液中易燃易爆的添加劑，其量產的固態(tài)電池，在提升安全性的同時，還具有能量密度高、長壽命、可柔性化等優(yōu)點。

在產品方面，公司不僅生產固態(tài)電池，還包括許多相關新材料與自動化設備，主要包括括固態(tài)電解質材料、復合隔膜材料、凹土新材料與眾多非標定制化設備等，已經成為了國內眾多固態(tài)電池企業(yè)材料、設備的供應商。

而在固態(tài)電池相關產能的布局方面，清陶能源也在加速擴張。據(jù)統(tǒng)計，目前公司固態(tài)電池已建、在建和擬建的產能合計達到 35GWh。擁有三條固態(tài)動力電池項目生產線，并將于2023年全部投產，成為行業(yè)的中“吃螃蟹的人”。

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寫在最后

可能再也沒有一種前瞻鋰電池技術，像“固態(tài)電池”那樣擁有這么高的人氣。

作為傳統(tǒng)鋰電池的升級，固態(tài)電池通過更換電解質與負極材料的方法，獲得了能量密度更高、安全性更好、工藝優(yōu)化空間更大、柔性更強的電池，成為了下一代鋰電池的理想形態(tài)。

但是，一項先進技術的研發(fā)過程，絕不會是一路坦途，固態(tài)電池的發(fā)展道路也是如此。時至今日，三種固態(tài)電解質各有優(yōu)劣，都沒有達到理論中那么良好的狀態(tài)。此外，尚未形成規(guī)?；纳a，也大大抬升了固態(tài)電池的成本。

但也正是在科研與商業(yè)化不斷交織的過程中，一項新的技術才能發(fā)展起來。

時至今日，其實在眾多對期望性能高但對經濟性沒有過多要求的場景，固態(tài)電池已經在悄無聲息的滲透，并正在逐步取得廣泛應用。

而我相信，伴隨著時間的推移與技術的突破，固態(tài)電池一定會逐步普及，并在各個領域中替代掉傳統(tǒng)的液態(tài)鋰電池。而相關公司，也將在這場事關所有人的電池替代大潮中快速成長。

編者按：本文轉載自微信公眾號：奇偶派(ID：jioupai)，作者：葉子