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固態(tài)鋰離子電池被認為是破解傳統鋰離子電池能量密度和安全性“魔咒”的下一代動(dòng)力電池技術(shù)，一旦突破產(chǎn)業(yè)化障礙，有望顛覆傳統鋰離子電池產(chǎn)業(yè)，可能極大沖擊傳統電解液和隔膜產(chǎn)業(yè)鏈，進(jìn)一步對正負極材料及其上下游產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)生影響
中國石化很早就開(kāi)始關(guān)注新能源汽車(chē)及鋰離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢并提前布局
作為核心組件，固態(tài)電解質(zhì)很大程度上決定了固態(tài)鋰離子電池關(guān)鍵性能指標?？梢哉f(shuō)，固態(tài)鋰離子電池能否實(shí)現產(chǎn)業(yè)化與固態(tài)電解質(zhì)能否實(shí)現產(chǎn)業(yè)化突破息息相關(guān)。目前，全固態(tài)電池尚有多個(gè)技術(shù)難點(diǎn)亟須突破，半固態(tài)電池是現階段更為現實(shí)的方案。當前，全球約有50余家企業(yè)致力于固態(tài)電池的技術(shù)開(kāi)發(fā)?？傮w而言，日韓處于技術(shù)領(lǐng)先地位，歐美企業(yè)廣泛布局，國內少數企業(yè)掌握部分核心技術(shù)
自1991年日本索尼公司推出第一款商用鋰離子電池后，鋰離子電池在全球范圍內迅速普及，很快成為便攜式電子產(chǎn)品的首選。隨著(zhù)全球新能源汽車(chē)的蓬勃發(fā)展，作為“三電”（電池、電機和電控）核心的鋰離子電池迎來(lái)重大發(fā)展機遇，而傳統電池能量密度不足帶來(lái)的“里程焦慮”、安全性能不足帶來(lái)的“安全焦慮”等問(wèn)題也愈發(fā)凸顯，已成為限制新能源汽車(chē)快速發(fā)展的障礙。固態(tài)鋰離子電池（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“固態(tài)鋰電池”），由于其優(yōu)異的安全性能和高能量密度，被認為是破解當前鋰離子電池“魔咒”的下一代動(dòng)力電池解決方案。
固態(tài)鋰電池被認為是下一代動(dòng)力電池技術(shù)
隨著(zhù)汽車(chē)電動(dòng)化與能源體系變革的加速推進(jìn)，全球新能源汽車(chē)發(fā)展勢頭迅猛。根據《中國新能源汽車(chē)行業(yè)發(fā)展白皮書(shū)（2023）》統計，2022年全球新能源汽車(chē)銷(xiāo)售量達1082.4萬(wàn)輛，同比增長(cháng)61.6%。我國新能源汽車(chē)銷(xiāo)量達688.7萬(wàn)輛，動(dòng)力電池累計裝車(chē)量294.6吉瓦時(shí)（GWh），同比增長(cháng)90.7%。動(dòng)力電池產(chǎn)值規模超千億，催生了多個(gè)獨角獸企業(yè)，包括市值過(guò)萬(wàn)億的寧德時(shí)代（證券代碼：300750）。隨著(zhù)新能源汽車(chē)快速崛起，對動(dòng)力鋰離子電池需求將持續增長(cháng)，預計到2030年全球鋰離子電池產(chǎn)能將達到7億太瓦時(shí)（TWh）。
傳統鋰離子電池主要由正極、負極、電解液、隔膜等組成，主要靠鋰離子（Li+）在正負極之間的定向移動(dòng)實(shí)現電池的充放電。常用的電池正極材料包括磷酸鐵鋰、鎳鈷錳三元材料、鎳鈷鋁三元材料，負極材料主要為天然和人造石墨，隔膜材料主要是以聚乙烯、聚丙烯為基材的涂覆膜，電解液體系主要是以碳酸乙烯酯、碳酸二甲（乙）酯等有機液為溶劑、六氟磷酸鋰等鋰鹽為溶質(zhì)及特定功能的添加劑等組成。當前，動(dòng)力鋰離子電池的正極材料以磷酸鐵鋰和鎳鈷錳三元材料為主，負極材料以人造石墨為主。目前，主流磷酸鐵鋰電池能量密度在200瓦時(shí)/千克（Wh/kg）以下，三元鋰電池能量密度在200至300瓦時(shí)/千克，已接近當前電池電化學(xué)體系上限。
中國石化很早就開(kāi)始關(guān)注新能源汽車(chē)及鋰離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢并提前布局。2010年，國務(wù)院國資委牽頭成立“中央企業(yè)電動(dòng)車(chē)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”，中國石化是16家發(fā)起單位之一。2018年，集團公司黨組提出應對“四大革命”，其中“電動(dòng)革命”即指新能源汽車(chē)和鋰電池的快速發(fā)展可能對燃油車(chē)及傳統化石能源帶來(lái)顛覆式?jīng)_擊。圍繞鋰離子電池核心材料，中國石化也進(jìn)行了一系列布局：揚子石化攻克了特高分子量聚乙烯專(zhuān)用料技術(shù)、填補了國內空白，是國內市場(chǎng)綜合性能最優(yōu)的隔膜原材料之一；金陵石化與資本公司聯(lián)合通過(guò)合資合作布局針狀焦和高端石墨，年產(chǎn)5萬(wàn)噸煅后針狀焦、1.86萬(wàn)噸負極材料的裝置已完成中交。此外，在三元正極材料前驅體、摻硅負極材料、高性能電解液的研發(fā)等方面也取得了良好進(jìn)展。
電解液作為傳統鋰離子電池的“血液”，對電池容量、工作溫度范圍、循環(huán)性能及安全性等有重要影響。目前鋰離子電池多采用液態(tài)有機物和鋰鹽作為電解液，液體溶劑多數沸點(diǎn)和閃點(diǎn)較低，在較低溫度下即會(huì )閃燃，一旦漏液或者熱失控極容易著(zhù)火或爆炸，帶來(lái)“安全焦慮”。同時(shí)，液態(tài)電解液體系限制了高電壓正極材料的使用，進(jìn)一步限制電池能量密度提升，由此帶來(lái)“里程焦慮”。大量研究表明，傳統鋰離子電池能量密度越高，穩定性往往越差，潛在的安全隱患也越大：提高電池能量密度往往需要使用高鎳正極材料，而鎳對液態(tài)電解質(zhì)的分解催化作用很強，鎳含量越高，可引發(fā)的電解液副反應就越多，放熱量越大，從而進(jìn)一步誘導更多副反應，最終引發(fā)熱失控，這也是多數動(dòng)力鋰電池發(fā)生安全事故的根本原因。
固態(tài)鋰電池被認為是破解傳統鋰離子電池能量密度和安全性“魔咒”的下一代動(dòng)力電池技術(shù)。與傳統鋰離子電池最大的不同在于，固態(tài)鋰電池采用固體電解質(zhì)替代傳統電解液體系和隔膜，有望顯著(zhù)提升電池安全性、能量密度和使用壽命，已經(jīng)成為全球產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)重點(diǎn)布局方向之一，多個(gè)國家將其列為重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)業(yè)并明確了發(fā)展規劃和目標。我國很早即制定了動(dòng)力電池發(fā)展路線(xiàn)圖：到2025年動(dòng)力電池單體能量密度400瓦時(shí)/千克，系統能量密度300瓦時(shí)/千克，電池壽命3500次/12年；到2030年時(shí)單體能量密度達500瓦時(shí)/千克，系統能量密度350瓦時(shí)/千克，電池壽命4000次/12年，開(kāi)發(fā)本征安全的全固態(tài)電池。近日，工信部等六部門(mén)聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于推動(dòng)能源電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導意見(jiàn)》（工信部聯(lián)電子〔2022〕181號），在“新型儲能電池產(chǎn)品及技術(shù)供給能力提升行動(dòng)”中明確提出推進(jìn)固態(tài)電池研發(fā)和應用，固態(tài)鋰電池進(jìn)入快速發(fā)展期。
固態(tài)鋰電池的正負極材料與目前鋰離子電池大致相同，區別主要在電解質(zhì)和電解液。根據電池中電解液含量不同，可將固態(tài)鋰電池分為半固態(tài)、準固態(tài)和全固態(tài)。根據所用固態(tài)電解質(zhì)不同，又可分為聚合物固態(tài)電池、硫化物固態(tài)電池、氧化物固態(tài)電池。聚合物電解質(zhì)主要由聚合物基體與鋰鹽構成，具有高溫時(shí)離子電導率高、易于加工、電解質(zhì)/電極的界面阻抗可控等優(yōu)點(diǎn)，是最早產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)路線(xiàn)。其主要缺點(diǎn)在于低溫時(shí)離子電導率低。氧化物電解質(zhì)室溫電導率相對較高、電化學(xué)穩定性好、循環(huán)性能良好，但電解質(zhì)與正負極材料界面接觸差導致界面阻抗高；硫化物電解質(zhì)的室溫電導率最高，但電解質(zhì)與電極材料界面穩定性較差，電解質(zhì)易氧化。
在半固態(tài)電池領(lǐng)域，日韓領(lǐng)先、歐美廣泛布局，國內少數企業(yè)掌握部分核心技術(shù)
作為核心組件，固態(tài)電解質(zhì)很大程度上決定了固態(tài)鋰電池的關(guān)鍵性能指標?？梢哉f(shuō)，固態(tài)鋰電池能否產(chǎn)業(yè)化與固態(tài)電解質(zhì)能否實(shí)現產(chǎn)業(yè)化突破息息相關(guān)。目前，全固態(tài)電池尚有多個(gè)技術(shù)難點(diǎn)亟須突破，如電解質(zhì)室溫離子電導率低、電解質(zhì)與電極界面阻抗過(guò)高導致電池內阻明顯增加、循環(huán)性能差，倍率性能變差等問(wèn)題尚未得到解決。通過(guò)添加部分電解液改善電解質(zhì)/電極界面阻抗，同時(shí)改善室溫離子電導率提升電池能量密度和安全性，即發(fā)展半固態(tài)電池，是現階段更為現實(shí)的方案。
當前，全球約有50余家企業(yè)致力于固態(tài)電池的技術(shù)開(kāi)發(fā)?？傮w而言，日韓處于技術(shù)領(lǐng)先地位，歐美企業(yè)廣泛布局，國內少數企業(yè)掌握部分核心技術(shù)，但與全球領(lǐng)先技術(shù)相比還有差距。三種技術(shù)路線(xiàn)的領(lǐng)先企業(yè)和進(jìn)展概述如下：
第一種常用的是硫化物固態(tài)電解質(zhì)材料，包括LiGPS、LiSnPS、LiSiPS等。日本豐田公司是全球范圍內硫化物固態(tài)電池領(lǐng)域的龍頭企業(yè)，在硫化物固態(tài)電解質(zhì)材料、固態(tài)電池制造技術(shù)、正極材料和硫化物電解質(zhì)材料回收技術(shù)和工藝等方面技術(shù)較為成熟，且專(zhuān)利布局完整，是全球擁有固態(tài)電池相關(guān)專(zhuān)利數量最多的企業(yè)。豐田公司從20世紀90年代開(kāi)始研發(fā)固態(tài)電池，2010年即推出了硫化物固態(tài)電池，2020年其全固態(tài)電池裝車(chē)并在測試路段進(jìn)行試運行，計劃2025年推出第一款配備全固態(tài)電池的混動(dòng)車(chē)型。此外，松下、三星、LG化學(xué)、美國Solid Power公司等均選擇了硫化物固態(tài)電解質(zhì)路線(xiàn)。Solid Power采用三元正極材料、高含硅富鋰負極材料和自有知識產(chǎn)權的硫化物固態(tài)電解質(zhì)制作的全固態(tài)電池能量密度可達390瓦時(shí)/千克，電池壽命超過(guò)1000次。寧德時(shí)代是傳統液態(tài)鋰離子電池的頭部企業(yè)，同時(shí)布局鈉離子電池和固態(tài)電池等前瞻性技術(shù)，該公司選擇硫化物電解質(zhì)路線(xiàn)，專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)全固態(tài)鋰電池。盡管硫化物電解質(zhì)室溫離子電導率高，但是空氣穩定性較差，要實(shí)現量產(chǎn)必須突破生產(chǎn)環(huán)境限制并解決安全問(wèn)題，研發(fā)難度很大。
第二種常用的是聚合物固態(tài)電解質(zhì)，包括聚環(huán)氧乙烷、聚丙烯腈等。法國博洛雷集團在聚合物固態(tài)電池領(lǐng)域起步較早，也是首個(gè)實(shí)現聚合物電解質(zhì)固態(tài)電池商業(yè)化的公司。早在2011年，博洛雷集團即利用自主開(kāi)發(fā)的電動(dòng)汽車(chē)和電動(dòng)巴士在法國巴黎及其郊外提供汽車(chē)共享服務(wù)，累計投入3000輛搭載30千瓦時(shí)固態(tài)電池的電動(dòng)汽車(chē)。該電池正極采用磷酸鐵鋰和LixV2O8，負極采用金屬鋰，電解質(zhì)采用聚合物薄膜，能量密度為100瓦時(shí)/千克，電池工作溫度60至80攝氏度。為使電池正常工作，每輛車(chē)均配載加熱器以便在啟動(dòng)前對電池進(jìn)行加熱。美國Ionic Materials公司采用高硅富鋰負極材料和聚合物固態(tài)電解質(zhì)，通過(guò)降低電解質(zhì)/電極界面阻抗提升電池安全性和能量密度。目前部分領(lǐng)先企業(yè)聚焦于將適量液體組分添加到聚合物電解質(zhì)中進(jìn)一步形成凝膠結構，以提升電解質(zhì)的離子電導率和能量密度。中國贛鋒鋰電公司專(zhuān)注于固態(tài)氧化物厚膜技術(shù)路線(xiàn)，其最新技術(shù)采用三元正極材料、固態(tài)氧化物膜的半固態(tài)電池能量密度超過(guò)350瓦時(shí)/千克，電池壽命近400次，并計劃于今年3月開(kāi)始交付搭載其半固態(tài)電池的純電動(dòng)SUV塞力斯，電池容量90千瓦時(shí)，最大續航里程為530公里。
第三種常用的是氧化物固態(tài)電解質(zhì)包括氧化鋯鑭鋰、鈉超離子導體（NaSICONs）等。氧化物固態(tài)電解質(zhì)路線(xiàn)是目前全球固態(tài)電池參與企業(yè)最多的技術(shù)路線(xiàn)。美國固態(tài)電池公司Sakti3在氧化物固態(tài)電解質(zhì)路線(xiàn)方面的研究積累較深，2015年被英國戴森以9000萬(wàn)美金全資收購，其采用氣相沉積方式制備氧化物薄膜。固態(tài)電池制造商Prologium公司攻克了陶瓷氧化物電解質(zhì)電導率低、界面接觸差、易脆等難題，采用三元正極材料、含硅負極制造的半固態(tài)電池包能量密度可達440至485瓦時(shí)/升（Wh/L），電池循環(huán)壽命超過(guò)1000次。國內眾多電池企業(yè)也押寶氧化物技術(shù)路線(xiàn)。衛藍新能源是中科院物理所固態(tài)電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的平臺。其主要基于原位固化技術(shù)，聚焦氧化物與聚合物電解質(zhì)復合的混合固液和全固態(tài)鋰電池。2022年11月，該公司車(chē)規級半固態(tài)電池成功下線(xiàn)，電池包能量密度可達360瓦時(shí)/千克（Wh/kg），與此同時(shí)完成了D輪15億元融資，獲頭部車(chē)企、產(chǎn)業(yè)資本加持。清陶能源技術(shù)源于清華大學(xué)南策文院士團隊，主要聚焦氧化物固態(tài)電解質(zhì)和固態(tài)電池的開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)了以氧化物電解質(zhì)為主、添加聚合物和浸潤劑的半固態(tài)電池批量化生產(chǎn)技術(shù)，能量密度可達300瓦時(shí)/千克（Wh/kg）以上，被多家頭部車(chē)企和產(chǎn)業(yè)資本加持，目前企業(yè)估值已超過(guò)百億。
與此同時(shí)，全球各大車(chē)企也紛紛布局固態(tài)鋰電池，其中不乏傳統燃油車(chē)頭部企業(yè)和造車(chē)新勢力。大眾通過(guò)投資Quantum Scape布局固態(tài)電池，累計投資約3億美元，旨在2025年前建立固態(tài)電池生產(chǎn)線(xiàn)并在大眾的電動(dòng)汽車(chē)上應用固態(tài)電池。寶馬自研固態(tài)電池同時(shí)積極進(jìn)行投資布局，與美國初創(chuàng )固態(tài)電池公司Solid Power展開(kāi)深度合作。近日，寶馬集團發(fā)布公告，將與Solid Power啟動(dòng)全固態(tài)電池聯(lián)合研發(fā)，并將采用其提供的全固態(tài)電池中試生產(chǎn)線(xiàn)，進(jìn)一步推動(dòng)全固態(tài)電池量產(chǎn)。Solid Power中試線(xiàn)主要生產(chǎn)鎳鈷錳三元正極材料、50%硅負極材料和硫化物固態(tài)電解質(zhì)組成的全固態(tài)電池。奔馳與美國Factorial Energy公司達成戰略合作，投資約10億美元開(kāi)展固態(tài)電池研發(fā)，計劃五年內實(shí)現固態(tài)電池小批量生產(chǎn)?，F代汽車(chē)早在2017年即宣布自主研發(fā)固態(tài)電池，并投資了美國初創(chuàng )公司Ionic Materials?，F代汽車(chē)計劃在2025年試生產(chǎn)配備固態(tài)電池的電動(dòng)車(chē)，2030年前后實(shí)現全面批量生產(chǎn)。
關(guān)于固態(tài)鋰電池未來(lái)發(fā)展趨勢的幾點(diǎn)判斷
固態(tài)鋰電池被認為是下一代動(dòng)力電池技術(shù)，一旦突破產(chǎn)業(yè)化障礙，有望顛覆傳統鋰離子電池產(chǎn)業(yè)，可能會(huì )極大沖擊傳統電解液和隔膜產(chǎn)業(yè)鏈，進(jìn)一步對正負極材料及其上下游產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)生影響。
盡管經(jīng)過(guò)數十年的發(fā)展，全固態(tài)鋰電池的一些關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題、部分核心材料和技術(shù)依然尚未取得突破，這制約了其規?；慨a(chǎn)和應用，主要難題和挑戰包括：電解質(zhì)室溫離子電導率過(guò)低；電解質(zhì)與電極材料不匹配，以及電解質(zhì)/電極界面阻抗過(guò)高；適應規?；a(chǎn)的工藝和裝備尚不具備條件；與之匹配的電池管理系統解決方案尚不成熟等。中短期來(lái)看，半固態(tài)和準固態(tài)電池是更為現實(shí)的發(fā)展路徑，這為傳統鋰離子電池部分環(huán)節（如隔膜）提供了緩沖空間。一旦半固態(tài)電池上量裝車(chē)，若其成本水平與現有鋰離子電池體系持平，將對傳統動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)造成巨大沖擊。
目前看來(lái)，三種固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)路線(xiàn)的發(fā)展前景均存在一定程度的不確定性。氧化物電解質(zhì)由于室溫離子電導率較高、化學(xué)穩定性好、對制備環(huán)境要求苛刻度較低、易于大規模生產(chǎn)和應用等特點(diǎn)進(jìn)展最快，半固態(tài)和準固態(tài)電池中短期有望量產(chǎn)并實(shí)現規?；b車(chē)；硫化物電解質(zhì)室溫離子電導率高、機械性能良好，易于構建全固態(tài)電池，但空氣穩定性較差，合成工藝復雜，對環(huán)境要求較高導致生產(chǎn)成本高，盡管技術(shù)難度很高但電池性能優(yōu)異，頭部企業(yè)已有數十年技術(shù)積累，一旦突破將形成較高的技術(shù)壁壘，長(cháng)遠來(lái)看潛力巨大；聚合物電解質(zhì)路線(xiàn)大概率作為前兩種路線(xiàn)的補充，與氧化物和硫化物復合以改善電解質(zhì)/電極界面柔性，提升電池循環(huán)性能。
從材料體系來(lái)看，短期大概率是半固態(tài)電解質(zhì)體系代替傳統的液態(tài)電解質(zhì)體系，正負極材料大概率維持三元正極、硅碳負極體系；隨著(zhù)對電池能量密度要求的進(jìn)一步提高和技術(shù)進(jìn)步，中期將是富硅和富鋰負極材料，正極材料體系不變；長(cháng)期來(lái)看，正極材料體系將由更高比容量的富鋰材料代替，負極為金屬鋰，電解質(zhì)為全固態(tài)。（作者王雷 系中國石化資本和金融事業(yè)部投資和價(jià)值管理室副經(jīng)理
