【摘要】
固态电池与现今普遍使用的锂电池不同的是：固态电池使用固体电极和固体电解质。固态电池的核心是固态电解质，主要分为三种：聚合物、氧化物与硫化物。与传统锂电池具有不可燃、耐高温、无腐蚀、不挥发的特性。
事件：赣锋锂电携手赛力斯，固态纯电SUV将于今年上市，引起市场广泛关注。
什么是固态电池？
固态电池指使用固态电解质代替电解液的锂电池。根据固态电解质用量的关系，可以将其细分为半固态电池和全固态电池两大类：
1）半固态电池：电解质采用固液混合形态，电池中液体（电解液）质量占比5-10%左右。本质上是液态锂电池和全固态电池的折中方案。一般将“电池内液体质量占比10%”作为半固态电池和液态电池的分界线。
2）全固态电池：完全使用固态电解质代替电解液。
预计之一代半固态/固态动力电池仍将采用现有的三元+石墨（或硅碳）材料体系。
固态电池发展的驱动因素是什么？
从液态电池向固态电池的转化，从长期来看是电池技术发展的大趋势。推动这一转化的原因主要有安全性、能量密度两点，其中安全性为短期驱动因素，能量密度为中长期驱动因素。
需要注意的是，安全性和能量密度之间也存在联系，例如应用金属锂负极后，锂枝晶问题更加严重，对电池安全性也提出更高的要求。
安全性主要包括热稳定性和锂枝晶两大问题1）热稳定性：即隔膜熔化导致正负极短路的问题。液态锂电池隔膜材料PP/PE聚合物的玻璃化转变温度约为140-160度，经过涂覆处理后可提升至160-180度。但超过此温度后，聚合物会转化为流动态，导致正负极直接短路。
2）锂枝晶：即锂枝晶刺穿隔膜导致电池短路起火的问题。锂离子在充放电过程中会部分还原，沉积在极片上形成锂枝晶，锂枝晶生长到一定程度将刺穿隔膜，导致电池短路起火。
短期来看，安全性是车厂采用半固态/固态电池的主要考量因素。液态锂电池由于短路起火概率较高，在威胁车内乘客安全的同时，也增加了车辆因安全问题召回的概率，为车厂带来额外成本负担。
能量密度指固态电池通过引入新型负极材料（硅基负极、金属锂负极）及正极材料（镍锰氧LNMO，层状富锂锰等）实现能量密度提高目前应用高镍三元+硅碳负极的液态电池（例如4680）能量密度约为300wh/kg，但固态电池在应用新型材料后，能量密度可提升至500wh/kg以上。但新型材料的电压较高，超出电解液适配的极限，因此必须配合固态电解质才能应用于电池中。
*** 扶持、企业角逐，固态电池商业化提速各国 *** 近年来为实现节能减排目标，不断收紧乘用车碳排放政策，促使车企电动化转型。多个国家明确固态电池发展目标和产业技术规划，现阶段发展之路明晰，2020-2025年着力提升电池能量密度并向固态电池转变，2030年研发出可商业化使用的全固态电池。
企业层面，虽然比亚迪、苹果等企业早早开始固态电池研发规划布局，但多数企业直到2018年才开始投资研发固态电池。
在海外市场上，日韩企业大多在保有独立研发团队的基础上抱团研发。日本由于较早进行固态电池产业化规划布局，目前在全球范围内处于技术领先地位。韩国拥有领先技术的三大电池企业也选择联合研发固态电池。欧美各大车企企图通过投资Solid Power、Solid Energy Systems、Ionic Materials、Quantum Scape等初创公司以获得技术储备，谋求在固态电池领域翻盘。
固态电池领域市场参与者众多，车企、电池企业、投资机构、科研机构等在资本、技术、人才三方面进行博弈。随着越来越多的企业加入，固态电池产业化进程不断加速。
固态电池技术如何迭代？
从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”的顺序，如下表所示：
Step1:引入固态电解质，保留少量电解液，正负极仍为三元+石墨（或硅碳），但可能采用负极预锂化技术提高能量密度。
Step2:用固态电解质完全取代电解液，正负极仍为三元+石墨（或硅碳），但可能采用负极预锂化技术提高能量密度。
Step3:在Step2的基础上，用金属锂取代石墨负极，正极仍为三元材料。
Step4:在Step3的基础上，用硫化物/层状碳/层状富锂锰等材料取代正极。
固态/半固态是否对产业链造成冲击？
冲击有限，固态电解质成膜是关键。
全固态电池通常采用软包的方式集成，不需注液化成。固态电池生产工艺需要在电极、电解质、界面工程及封装技术等方面进行突破，前段工序基本与液态锂离子电池相同，中、后段工序上有区别，固态电池需要加压或者烧结，不需要注液化成。
固态电解质成膜工艺是固态电池制造中的关键。根据清陶能源宜春一期的环评报告，在固态电池正负极极片的制备流程中，与液态锂电池相比，多了电解质涂敷一项；在后续生产流程中，则将原来液态锂电池的注液环节改为浸润环节。生产线中新增浸润机，不再使用注液机。
清陶能源正负极极片生产工艺流程
清陶能源固态锂电池生产工艺流程
聚合物电解质层可通过干法或湿法制备，电芯组装通过电极和电解质间的卷对卷复合实现；干法和湿法都非常成熟，易于制造大电芯；易于制备出双极内串电芯，从而提升单体电池电压。但也有以下缺点：成膜均一性难以控制；难以兼容高电压正极材料，导致能量密度不高；电池只能在高温下工作。
氧化物固体电解质具有相对较高的离子电导率和较稳定的化学特性，制备对环境要求不苛刻，易于大规模生产和应用。以锂镧锆氧固态电解质（Li7La3Zr2O12）的制备为例，微米级原料碳酸锂、氧化镧、氧化锆和氧化铝混浆、研磨、干燥、高温二次煅烧（1000℃左右）后得到锂镧锆氧粉体。
硫化物固态电解质具有超高的离子电导率和良好的机械性质，易于构筑完全不含电解液的全固态锂电池。但其空气稳定性差、合成工艺复杂、生产率低且生产成本高。锂硫磷、锂硫磷氯及锂硅磷硫氯等多种硫化物系固体电解质，可采用机械研磨和高温处理得到，通过调整掺杂元素及浓度，提升空气稳定性、简化制备步骤。
参考资料：
20230206-光大证券-动力电池新技术展望系列报告六：半固态电池应运而生，抢占下一代锂电技术制高点
20221128-浙商证券-汽车零部件行业专题报告：固态电池电解质分类对比
本报告由研究助理协助资料整理，由投资顾问撰写。投资顾问：于鑫（登记编号：A0740622030003）
固态电池和半固态 固态半固态电池的发展
