![]()
固态电池是新能源行业“热词”，2024年固态电池量产，固态电池发布等新闻不断，不时撩拨着行业从业者的神经，聊天必说“固态”，感觉液态电池随时可能被颠覆。实际上，目前可以肯定的是市面上能够批量销售的都是半固态电池，全固态电池还在实验室阶段。
固态电池的分类如下，固态电池可以根据电解质形态和电解质材料的不同进行分类。根据电解质形态分类：- 全固态电池：完全使用固态电解质代替电解液，不含有任何液态电解质。
- 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。
- 准固态电池：电解质采用固液混合形态，电池中液体电解质质量占比小于5%。
从固态电池分类可以看出，半固态电池和准固态电池还是含有电解液的，只是含量相比液态锂离子电池降低，有电解液就意味着存在热失控和燃烧风险，不能根本上解决锂电池的安全风险。半固体电池与全固态电池鸿沟巨大，技术重叠及通用性小那么发展半固态电池对于液态锂电池到底有何意义所在呢?半固体电池和全固态电池的技术相通性有多少？半固态电池量产和全固态电池技术瓶颈是一样的吗？显然不是。本质上，半固态电池和液态凝胶状电池类似，只是通过降低电解液含量，使得电解液成为凝胶状，这个技术在聚合物锂电池上已经应用多年了，使用最多的是在智能手机上。目前市面上销售的高端智能手机大多是聚合物锂电池。半固态电池和聚合物电池在技术上并没有重大差异和突破。不同于半固态电池，全固态电池的量产和技术难度不是一个量级的。固态电池的材料、设备和生产工艺相比半固态电池都有巨大的差异。全固态电池的技术量产有几座大山需要跨越，很多都是世界级的科学难题：1.全固态电池材料方面：固固接触界面问题、锂金属负极锂枝晶等问题都没难以解决，另外固态电解质的技术路线也不确定，聚合物、硫化物和氧化物各有千秋，路线都在探索当中，说哪种路线最优为时尚早。2.全固态电池生产工艺及设备方面：干法电极制备技术、电解质转印涂布技术、等静压成型技术等关键工艺不成熟，这些关键工艺相比传统的液态锂电池有巨大变化，目前大多处于实验室验证或者小试阶段，距离工艺成熟和量产设备还有相当大的差距。3.全固态电池成本方面：全固态材料成本高，尤其是全固态电解质/目前设备及工艺以小试为主，缺乏完整成熟的量产工艺及设备，技术路线多，定制化为主导致生产电芯成本高，良品率极低/全固态电池研发成本高，投入大。4.全固态电池电解质成膜环节，极片结构很大程度影响电池性能，干法工艺存在膜片分散性和均匀性挑战，湿法工艺则存在电性能衰减问题，哪一种技术都无法做到均衡。电芯高效致密化成型问题也有待解决，例如电芯内部存在孔隙缺陷导致致密度降低，极片边缘受压导致搭接短路等。回到电解液含量问题。无论是半固态电池还是准固态电池，电解液都还是含有液态溶剂的，也就是还含有液态电解液，这个相比全固态电池的全固态电解质，完全不含液态溶剂，从技术实现难度，引发的固固界面问题、电导率等一系列行业难题。半固体电池与全固态电池技术难度的跃升，主要是来源于有无液态电解液。安全性的指数级提升也是基于是否含有液态电解液，半固体电池因为还是含有液态电解液，电池热失控和燃烧的风险和液态锂离子电池相比并没有大的改变，而只是改善，主要作用仅是提高电池的热失控温度，而不能完全杜绝电池的热失控风险。全固态电池的安全性相比液态电池、半固体电池主要体现在以下几个方面：1、不易燃烧或爆炸：由于全固态电池使用固体电解质而非液体电解液，锂离子在不易燃烧的固体电解质中移动，这大大提高了电池的安全性，减少了在过充或短路时发生爆炸的风险。2、热稳定性：固态电解质具有更好的热稳定性，不易因高温而引发热失控。实验表明，全固态电池在高温环境下表现优于传统液体和半固态电池，因为其电解液密度高且能产生隔热气体，防止负极锂离子和氧气的接触，从而杜绝了电池内部不该存在的化学反应。3、机械稳定性：全固态电池在受到冲击或振动时，内部结构不易发生改变，降低了因机械损伤导致的安全风险。4、抑制锂枝晶生长：锂枝晶是在电池充放电过程中锂离子沉积不均匀而形成的一种现象，可能导致电池短路甚至起火。全固态电池由于其固态电解质的特性，可以更有效地抑制锂枝晶的生长，从而提高电池的安全性。综上所述，全固态电池因其使用的固态电解质，不含有任何液态电解液，在安全性方面表现出色，不仅不易发生燃烧或爆炸，还能有效防止热失控和机械损伤，抑制锂枝晶生长，从而大大提高了电池的整体安全性。但值得注意的是全固体电池也不是绝对安全的，仍然有产生锂枝晶和热失控的风险。电池成本方面，半固态电池成本与全固态电池成本也是相差巨大。根据起点研究院（SPIR）调研统计，全固态硫化物电解质目前售价在30-100万元/吨，而液态电解液售价仅为3-4万元/吨，而且市面上固态电解质厂家大多只是在公斤级或百公斤级生产，没有规模供应能力，导致对应的半固体及全固态电池成本居高不下。根据测算，目前半固体聚合物电池成本为4.5元/wh左右，半固体硫化物电池成本则为36元/wh左右，与三元液态锂电池成本的0.6元/wh不可同日而语。成本和价格将直接影响固态电池的产业化和商业应用的速度和规模![]()
无论是半固态电池还是全固态电池，目前的电池成本相比液态电池都是毫无竞争力的，要实现真正的量产和应用，从材料选择到产线建设再到产品下线都无法走捷径，成本下降需要整个产业链联合攻关，通过规模化和技术提升才能够降本，目前固态电池的配套材料和设备都不成熟，难以实现经济性。欧阳明高院士近期也在演讲中表示：“从电池的研发以及生产历史来看，固态电池的出现需要一步步走出来，逐步解决解决电解液问题、负极问题、正极问题，一次性做出来的就只是样品，用于参观和打广告，对商用化没有意义。”任何种类电池诞生之初都是从小尺寸逐渐变大，为此也有一些企业从小型固态电池入手推进商业化。例如恩力动力以及宁德时代选择从无人机市场，三星以及日本麦克赛尔则从消费电子和医疗等领域，固态电池应用应该先使用在对成本不敏感的一些细分领域，比如军工或者高端智能产品等，从小试-中试-量产-商业化路途漫长，现在谈固态电池大规模商业化为时过早。固态电解质是固态电池的核心部件，也是固态电池中变化最大的环节。固态电解质在固态电池中起到锂离子传输等作用，是固态电池中的核心部件，其性能也很大程度上决定了固态电池的各项性能参数，如电池的功率密度、循环稳定性、安全性能、高低温性能以及使用寿命等。固态电解质根据材料类型不同，大致可以分为聚合物、氧化物、硫化物三类固态电解质，其性能各有优劣。目前全球固态电池企业都在不同的电解质体系上进行技术研发，目前日韩和欧美等海外企业更倾向于硫化物技术路线，致力于全固态电池的开发，产业化进程相对缓慢；而国内企业多数选择氧化物技术路线，研发的产品多为半固态电池。![]()
对比来看，各种路线优劣势都有，技术路线还未最终确定。①聚合物路线：易于合成和加工，率先实现商业化应用，但常温电导率低，整体性能提升有限，制约了当下大规模应用与发展。②氧化物路线：安全性和稳定性较好，量产难度适中，当下国内发展进度较快。③硫化物路线：当下由于其成本高、稳定性较差，目前发展进度相较其他路线较慢，但远期来看，硫化物由于其高电导率未来在全固态电池中最具有发展潜力。④复合路线：尽量兼顾各方面性能，比如氧化物+聚合物复合，聚合物+硫化物复合路线，硫化物+卤化物复合等所以全固态电池也面临和曾经动力电池同样的问题：什么配方最为合适，什么材料体系最可能突破，能否将安全性、能量密度、循环次数、成本等进行最佳程度匹配？怎样才能降低原材料价格控制成本？制造工艺何时能做到最成熟状态？这些都需要产业链协同创新，才可能从量变形成质变，真正实现鲤鱼跃龙门，固态电池是锂电池行业发展的重要发展方向，但是从半固体电池到全固体电池发展还有很长的路要走，半固体电池与全固态电池之间存在巨大的技术、成本和市场鸿沟，需要更冷静思考和布局，不应该急于求成，拔苗助长。在行业论坛上，包括中国科学院院士欧阳明高、宁德时代董事长曾毓群、比亚迪股份有限公司电池CTO孙华军、等行业专家和企业家对于固态电池量产进度的看法更值得参考。以自己在燃料电池20年的经历来举例：一次解决一个问题，不能把十个问题一次性解决。“首先要解决固态电解质的问题，正极负极都不变，把固态电解质放进去，先把这个问题解决。我们不要正极也变，负极也变，电解质也变，那怎么可能一次性解决呢？”他认为，固态电池不仅是推广范围需要循序渐进，固态电池自己的参数也需要一步一个脚印慢慢提升，而不是迅速在热管理、能量密度、充电速度等方面完成对传统液态电解质电池的超越。归根结底，欧阳明高不希望现在对于固态电池所宣传的诸如“能量密度达700Wh/kg”、“续航轻松突破1000公里”等标签，成为各家厂商的包袱，最终间接导致欲速则不达的情况出现。“如果用数字1到9，表示固态电池的技术和制造成熟度，1是刚开始涉及这一领域，9是技术成熟，可以投入大规模生产。当前行业最高水平只到了4左右，包括我们（宁德时代）。”换句话说，业内最先进的水平也仅做到了生产器件样品来进行实验验证的阶段。甚至“这些器件的使用，有很多边界条件，如要在6000个大气压下，才实现较高的低温性能等，这意味着这些器件还无法投入市场应用。”曾总并只指出宁德时代在全固态电池的研发已有七八年，对比全球发展情况应该是“领先一大步”或者说是“ second to none（首屈一指）”。新能源行业要思考可持续发展，要做到不盲目扩张，合理布局产能。他还提到安全技术必须全面攻克。涉及到电池创新，他表示，要持续加强下一代电池研发，比如固态电池和新型材料，“硫化物固态电池是方向之一”，硫化物固态电池将在电池寿命、快充等领域实现突破。孙华军认为，2027年到2029年是硫化物固态电池的示范期，主要针对中高端电动车。从2030年到2032年，硫化物固态电池会进入拓展期，将运用到主流电动汽车。按照孙华军的判断，在经过为期三年左右的示范期后，从2030年到2032年，全固态电池就将向主流电动汽车拓展：到2032年，搭载全固态电池的电动汽车销量就将来到12万辆左右，对应市场规模也将来到接近250亿元。不过，孙华军的乐观也仅限于从长期角度来看待固态电池发展。孙华军说：“目前我们实际的状态还是从早期的实验室到工程化这个转化的过程。首先，硫化物电池这种干电极的技术，未来大规模量产还是有问题。其次，固态电池做大之后，界面中间位置的膨胀不只是厚度方向，在其他几个方向的力怎么约束？这样的问题都会暴露出来。”综合来看，目前市场上出现的半固态电池的性能优势并不明显，能量密度比理论值偏低一些、成本性能优势并不大，如果能量密度和液态三元锂电池持平，成本又居高不下，会影响接受度。全固态电池则在核心材料和工艺技术亟需重大突破才可能实现规模化量产，目前全球各国都在进行技术攻关和研发，谁能占领高地尚未可知。不管是半固体电池还是全固态电池，在产业化和商业化路径上都有问题需要解决，我们期待中国新能源电池能有重大的技术瓶颈突破和新的发展空间，从半固体到全固态之路到底有多远？我们拭目以待。![]()
![]()
