盖斯特研报：全固态电池产业化发展现状与前景展望

近两年全固态电池领域的热度持续上升，整车企业、电池企业、初创公司等纷纷涌入，新的技术突破层出不穷，企业量产计划相继发布。但是全固态电池仍处在早期发展阶段，围绕技术路线选择、规模量产、供应链培育、成本控制、应用场景探索等方面还需要做大量的工作。由此业内对此领域的当前问题及未来发展趋势有着各种讨论。

围绕行业关注的问题，下面分享盖斯特研究团队对于全固态电池产业化的最新进展、发展前景及其对汽车行业影响的研究及预判，希望能够助力全固态电池产业的发展。

对全固态电池发展的

认知及判断

1.全固态电池的基本认知

目前行业对全固态电池的基本共识是：全固态电池将给电动汽车产业带来颠覆性的变化，电动汽车竞争的下半场看全固态电池。其实全固态电池不是简单的动力电池的升级换代，而是一次颠覆性技术变革，将对整个电池产业生态、新能源车发展带来全方位影响，包括汽车设计的革新、车企产品技术路线的调整、充换电基础设施重新标定、电池产业链的重塑以及汽车市场格局变化等。

目前业内对全固态电池的产业化进程存在不同的看法，对此既不能过于乐观，也不宜过于悲观。我们要认识到，全固态电池的产业化是一次产业链系统变革，必然经历从量变到质变的长期过程。因此，企业内应形成清晰的认知，主动思考全固态电池的发展战略，做相应的布局，并且保持战略定力，坚持长期主义发展，这样才能跟上产业变革步伐，避免处于被动的局面。

2.全固态电池市场热点问题的判断

盖斯特认为，业内各种热点讨论可归纳为技术路线选择、高成本制约、量产时间及应用场景这四大问题，均需要理性地、辩证地看待。

第一，技术路线选择。当前中国市场热点聚焦在半固态电池上，但是盖斯特认为：半固态电池本质上是液态电池的技术升级，而且在良品率、倍率性能、寿命等方面的问题尚未解决，期望通过大力投入半固态电池来获得颠覆性结果并不现实。而能够取代当前液态电池的技术路线，并使整车性能有大突破的一定是全固态电池，全固态电池与半固态电池存在本质性差异。因此全固态电池是企业抢占战略制高点的最佳选择。

第二，高成本制约。成本是衡量一项技术的市场/企业接受度高低的重要因素，但并不是唯一的因素，还要考虑车企品牌诉求、产品定位、不同应用场景对成本敏感度等因素。另外成本并不是一成不变的，全固态电池在解决了量产问题、规模化生产以后，其成本会大幅下降。长期来看，全固态电池的成本将在可控范围之内。

第三，量产时间争议。目前全固态电池的量产面临着一系列问题，包括科学难题、工艺设备探索及产业链构建等，实现批量生产挑战很大。盖斯特判断全固态电池将在2030年左右市场规模量产。但是量产不等于商业化。

第四，应用场景问题。盖斯特认为，因为全固态电池的各方面性能突出，有着“六边形”属性，其最终应用场景将会非常广泛。当前在多重制约条件下，全固态电池应用会先从对成本敏感度低的小场景开始渗透，逐步替代当前液态电池材料体系。当然，我们也要认识到，液态电池仍具发展空间。全固态电池对液态电池的替代过程不可能一蹴而就，但是对其市场的冲击力不可小觑。

综上所述，虽然全固态电池的商业化应用仍需要较长的时间段，但其确定性高，发展潜力大，且影响深远，值得企业在这个方向大力投入。

全固态电池的发展现状

前面谈到全固态电池仍处于产业发展早期，当前也是企业入局的热点时期，技术路线多样。

从布局主体来看，进入固态电池领域企业/机构数量已过百家，其中电池及相关企业是主体，还有部分车企通过投资初创企业来布局固态电池领域。可以看到，不同类型的企业布局全固态电池的出发点不同，车企认识到全固态电池对自身竞争力的重要意义，电池企业是为了获取长期竞争力，初创企业则是为了抓住机遇，抢占战略制高点。从企业所属国家/区域看，中国、日本、韩国、欧美都在做相应布局，目前此领域中以中、日、韩为主要力量。

从技术路线来看，企业的探索各有侧重，总体呈现技术路线多元并存的状态。无论氧化物全固态电池，还是硫化物全固态电池，均处于探索/样品阶段，距离小批量生产阶段仍需假以时日。

从产业链方面来看，已经有些企业开始布局上游材料及设备，并取得初步进展。

图1 全固态电池相关企业布局图

2.全固态电池的技术情况

全固态电池技术研发处于多方案并行探索阶段，虽然持续有新的技术方案提出，但是有很多核心的问题没有解决，研发难度仍然很大。具体来看，全固态电池要解决三大难题：关键材料问题、固固界面问题、复合电极电荷输运问题。围绕这三大问题，企业也在开展相应的探索工作：

其一，关键材料可细分为正极、负极、电解质问题。在正极方面，当前普遍选用的高镍三元正极材料安全性差、高压易产气鼓包，应对策略是做单晶化、氧化物包覆、金属掺杂等，而面对单晶程度低时易结构坍塌、颗粒粉化的问题，可通过功能材料包覆来解决；在负极方面，目前有硅碳负极和锂负极两种方案。对于硅碳负极膨胀问题，可做硅结构设计，例如做核壳、多孔硅、活性纳米硅的非晶化等。而对于锂枝晶问题，当前行业主要有三种方案，分别为构建三维复合骨架、采用亲锂性界面层和采用中间过渡层；在电解质方面，当前以氧化物和硫化物为主，对于氧化物的刚性界面接触问题，可通过制备氧化物基复合材料、引入缓冲层、特殊涂层、结构设计、添加剂等解决，对于硫化物稳定性差、量产难的问题，可采用表面疏水层可逆包覆、开发新型合成路线和低含锂量材料等方案。

其二，固固界面问题主要包括空间电荷层增加阻抗、界面副反应、界面接触不充分等。对于空间电荷层增加阻抗问题，应对策略是在电极和电解质间引入缓冲层，或利用内置电场和电化学势耦合策略来抑制空间电荷层的形成；对于界面副反应，可做电解质多层级全包覆（无机氧化物包覆层+固体电解质包覆层）、正极侧界面包覆等；对于界面接触不充分，可通过多功能复合粘结剂来稳定极片导电网络，选择体积变化更小的Li金属负极，以及增大制备过程中压力消除孔隙以增强界面接触等方案应对。

其三，在复合电极电荷输运问题上，面对电荷输运限制，可构建将制造参数、复合电极微观结构、电化学性能关联的计算模型，进行模拟仿真；而面对机械失效导致电荷运输失效的问题，可采用无裂纹单晶正极、优化电极材料比例和粒径、筛选粘结剂和导电碳、改进工艺等方案。

众多参与者在持续探索全固态电池技术，但是最终能否真正应用，以及如何与车辆搭配优化性能，是多因素综合作用的结果，效果有待进一步验证。

3.全固态电池的工艺及生产情况

全固态电池量产方面面临的核心问题是制造工艺复杂、生产设备缺乏、工艺不成熟及环境控制难度大。虽然具体量产方案还有待探索，但是目前路线相对清晰，技术原理可行。核心思路还要做好工艺优化、环境控制及设备开发。具体可从成膜工艺、电芯制造、封装集成三个角度展开。

首先，在成膜工艺上，主要挑战是提高电解质与电极接触能力、薄膜厚度控制。对于前者，可通过优化固相法工艺、开发新型硫化物批量生产工艺等应对；对于后者，可探索精密的涂布技术、做纳米结构设计等方式。

其次，在电芯制造上，四个待解问题及应对方法如下：一是固固界面接触及锂枝晶问题，可发展等静压技术；二是电解质、锂负极对有机溶剂的副反应，可探索干法工艺或干湿法结合；三是固态电解质坚硬的问题，可采用叠片工艺；四是硫化物对水分和氧气极其敏感的难题，可以实施严格的温度和湿度控制措施，如使用干燥房、氮气气氛保护等，或者采用封闭式生产系统，将关键的制造步骤置于隔离的环境中。同时还要利用先进的检测技术和数据分析，确保每一步生产过程都符合标准。

以上应对方案，无论成膜工艺还是电芯制造，都要求设备更加精确，同时需要新开发大量的专业设备，这也是现阶段的一大难点。

最后，在封装集成上，因为电芯整体硬脆且缺乏弹性，预计全固态电池将主要采用软包封装。同时全固态电池可做双极板设计，以提高电池的能量密度。另外，全固态电池具有安全性高、温度适应性好的优势，因此可在热管理上做减法。

在此需要注意的是，对于全固态电池的量产，应避免将实验室配方创新与工程上的工艺、装备创新混为一谈，当前的关键问题是工艺、装备开发如何支撑全固态电池的快速落地。目前虽然已经做了较多的探索，但任务仍旧艰巨，亟需大量技术积累。

4.全固态电池的供应链情况

在全固态电池供应链上面临的核心问题是：现有液态电池的供应链体系无法适配全固态电池的要求，需要建立与之匹配的新供应链体系，这是全固态电池发展中的一大短板。因此需要产业重点培育新供应链体系，具体可分为正极、负极和电解质的供应链培育。

对于正极供应链，中短期需要用好现有的高镍三元电池的供应体系，但长期一定要开发新型正极材料并培养相应的供应链。

对于负极，要用好硅碳负极供应体系，研发锂合金负极及锂负极。因为锂负极是全固态电池长期的技术选择，而且对应的供应体系已经开始建设，所以此时企业可考虑和相关机构共创。

对于电解质，它是全固态电池的核心，而且其供应链与当前动力电池的液态电解液体系完全不同，所以企业在加大电解质的研发力度、集中技术攻关的同时，还要培育新供应链。建议通过头部企业带动实现固态电解质的突破，同时在此过程中也要发挥行业或企业联盟的作用。

全固态电池材料体系的替代顺序决定了供应链的重构一定是一个循序渐进的过程，对于企业而言，一方面要用好已有的电池供应链体系，同时还要面向未来做好前瞻开发，培养新的供应链。

全固态电池未来发展趋势

全固态电池当前处于创新突破期，如图2所示，在技术、生产工艺、供应链等方面距离成熟期尚远。若想打通前后一系列环节以实现产业化，还需要在材料、界面、成膜工艺、电芯制造、设备等多方面取得重大突破。因此发展全固态电池绝对不是一家企业可以实现的，而是需要整个行业共同努力。企业之间应有明确的分工和协作，尤其头部企业应发挥引领和引导的作用，推动各企业乃至整体产业共同应对挑战，进而带动全固态电池产业链的整体性发展。下面盖斯特从技术路线、材料体系和市场化进程三个方面预测全固态电池的发展趋势。

图2 固态电池技术成熟度及开发方向

1.全固态电池技术路线

全固态电池目前主要有聚合物、氧化物、硫化物三种技术路线，每种路线都有其优缺点和发展空间，但是各自的性能潜力决定了后续发展空间不同。具体来看：

聚合物的PEO（聚氧化乙烯）材料氧化电压为3.8V，难以适配除磷酸铁锂之外的高能量密度正极，因此聚合物全固态电池的能量密度性能有限，目前看这种电池并不适合于车用，有可能用于消费电子、医疗设备等领域。

氧化物分为薄膜型和非薄膜型。薄膜型的全固态电池容量小，为mAh（毫安时）级别，而且扩容难，不适用于整车使用，但可用于消费电池；非薄膜型当前被用于制作半固态电池，应用在整车上，相关企业计划通过逐步减少液体含量最终将其变成全固态，但是氧化物存在界面问题，彻底摆脱电解液的难度高，因此该路径能否实现全固态电池的目标，业界对此存疑。即使真的能够实现，做出的全固态电池相较于硫化物全固态电池也未必具有竞争力。

硫化物全固态电池在能量密度、循环寿命、快速充电上具有优势，但是制造成本高、空气稳定性差，这类电池的开发难度最大，但发展潜力也最大。另外，处在实验验证阶段的卤化物也极具潜力。

简而言之，氧化物路线做车用全固态电池不具有综合优势，更适合于当前阶段制作固液混合电池；硫化物、卤化物路线尽管面临诸多挑战，但仍是今后重点发展方向。未来车用全固态电池大概率是采用硫化物、卤化物，或二者结合制作而成。

2.全固态电池材料体系及指标预判

全固态电池的指标预测需基于电池材料体系及技术进步的发展情况，其中材料体系基本遵循电解质替代、新型负极替代、新型正极替代的次序；全固态电池性能开发以能量密度为标志性指标，同时持续提升倍率性能、循环寿命等指标。盖斯特预判，全固态电池基本可划分为三个发展阶段，参见图3。

在1.0阶段（即当前发展阶段），企业研发全固态电池正极可选用高镍三元，并探索富锂锰基；负极材料选择硅碳负极和锂合金负极；开发氧化物或硫化物的电解质，争取将能量密度400Wh/kg的全固态电池落地量产。

在2.0阶段（即到2030年），正极材料以硫碳复合、富锂锰基为主，负极材料为锂合金或锂负极，电解质采用氧化物复合、硫化物或卤化物，追求达到500Wh/kg的高能量密度指标。

在3.0阶段（即到2035年），构建正极为硫碳复合正极或空气、负极为金属锂、电解质为硫化物/卤化物的全固态电池体系，做出能量密度超过500Wh/kg、循环寿命大于10000次的锂硫电池、锂空电池产品，真正意义上建立全新的电池材料体系。

在三个阶段中除了能量密度指标之外，其他四个指标的发展趋势如下：电池耐高温性能趋势将是先逐渐提高至200℃左右，再逐渐降低至100~120℃（锂金属负极）；耐低温性能则持续向-30℃~-40℃发展；而循环寿命指标从数百次向上万次持续提升；同样，倍率性能持续提高，第三阶段可能达到10-20C的水平。

图3 全固态电池性能指标发展趋势预测

对于企业来说，相比于过度追求材料的性能指标，更应该思考如何做出可靠性高、能够快速量产的全固态电池产品，以电池产品推动底盘系统的重新设计、工艺优化及供应链的完善；同时，考虑到2030年后V2G（车辆与电网互动）的发展，企业不应该追求超高的能量密度指标，更应关注全固态电池的循环寿命指标。如果这两项指标有冲突，应优先考虑长循环寿命指标，对能量密度的要求可适度降低。

3.全固态电池的市场化进程

全固态电池的市场化需要技术、成本、应用场景等多方面发展加以支撑。基于当前的发展情况，盖斯特初步判断：到2030年，中国全固态电池的产能将达到50GWh，并开始走向规模化。之后市场规模将快速增长，2035年有望达到500GWh。

在应用场景上，小动力领域有望率先应用，例如工业无人机、高端3C产品、特种电源等重视能量密度、成本敏感度低、寿命要求低的场景。但是全固态电池最大的应用空间还在交通领域，由于全固态电池具有大功率优势，我们判断其会率先应用到混动车型上，而纯电车型上受成本制约，将在这个领域由高端车型逐渐向下渗透。此外，全固态电池因不存在液态电池的渗漏、干涸问题，以及失重环境下电解液重新分布导致电池时效问题，所以在军工航天领域也有很大的应用潜力。

需要注意的是，企业要把全固态电池研发和推广并行推进，不断发掘细分场景，通过细分场景验证应用来推动降本，而后再持续扩大应用场景数量和应用规模，形成降本与规模化的正向循环。

全固态电池对车企影响及

应对建议

1.全固态电池对汽车产业影响及启示

应用全固态电池对于汽车产业来说，不仅意味着动力部件的改变，还会对整车设计、产业布局、竞争格局、服务模式等产生全方位的影响。车企需要系统思考全固态电池可能造成的影响，避免只将其作为能量体。总体而言，基于全固态电池主要性能指标的全面技术突破，将直接影响整车产品设计、商业模式、新能源汽车市场结构以及充换电基础设施建设等四个方面。

具体来看，从产品设计上讲，全固态电池应用在汽车上，会使整车布置、结构、安全性、设计复杂度等有很大的改变，因此车企应该重新系统思考，如何改变以更好地进行匹配性设计。

从商业模式上讲，全固态电池的长循环寿命使V2G车网能量互动更易被社会广泛接受，那么车企可以更多地从汽车全生命周期的视角思考电动车成本，以及如何提升潜在的效益。

从新能源汽车的市场结构上讲，如果全固态电池提升了动力电池环境适应能力，解决了用户一直以来的里程/补能焦虑问题，那么纯电动汽车会进一步替代插混或增程式汽车，纯电动汽车很可能成为用户的主流选择，为此车企需要提前做好产品战略的调整。

从基础设施上讲，快充性能优异的全固态电池产业化之后，换电模式的价值显著降低，充电模式有望获得更好的发展。由此车企应思考充电路线和充电基础设施的布局，以满足当前产品体验和未来产品需求。

2. 整车企业应对全固态电池发展的策略

考虑全固态电池将给汽车产业带来的全面性、深远性的影响，整车企业有必要系统思考如何推进全固态电池领域的布局。

首先，从全固态电池的材料层研发层级上看，车企必须做前瞻研发，尤其围绕全固态电解质、锂负极及新型正极材料。企业可与高校、科研机构等合作。

其次，对于电芯制造层级，车企没必要全部掌控，即使全部自己解决也很难有真正竞争力，这部分应由电池企业负责。但是车企可适当研究工艺和装备，并建设一定的产能。

再次，对于电池整车设计层级，这是车企的核心部分，车企必须掌握电池整车集成设计及BMS（电池管理系统），以充分发挥全固态电池的性能，保证自身汽车产品的市场差异化能力。

最后，从电池生态布局层级，根据企业自身实力做选择性布局，实力强的企业可考虑布局锂资源，这可能是企业获得长期成本竞争力的关键。

整车企业布局全固态电池领域要有打长期战的准备，同时还应把控节奏，制定系统性发展策略。短期重点在解决科学问题、制备工艺和设备探索上，中期重点在车规级使用（含集成设计）及新型材料的开发，长期则在产业布局推动电池降本与规模推广上。

总结

总而言之，我们应认识到全固态电池的发展潜力巨大，其不仅是液态动力电池的升级换代产品，更会对整车产品设计、新能源汽车市场结构、电池产业生态等带来颠覆性影响，将成为电动车下半场竞争的核心。同时也要看到全固态电池存在技术难、量产难等巨大挑战，需要一个长期的发展过程，全固态电池很难在5年内形成全方位竞争优势。因此企业要保持战略定力，应围绕全固态电池做好战略规划，并把控好发展节奏。

在技术路线方面，从颠覆性潜力看，企业还是要坚持硫化物、卤化物的全固态电池技术路线；在发展侧重点方面，企业针对全固态电池研-产-供等方面布局要有的放矢；全固态电池开发的总原则应以满足整车需求而定义电池性能开发方向、并以产品拉动产业发展。具体根据企业在产业链中定位，有选择性地在材料、制备、设备开发及供应链培育上下功夫。