SAK:固态电池全面分析——必经之路，2020准固态，2025全固态？_KTI

1.基于安全和能量密度上的优势，固态电池已成为未来锂电池发展的必经之路。2.分类：液态/凝胶态只含有液体电解质，半固态液体电解质质量百分比<10%，准固态/类固态液体电解质质量百分比<5%，全固态不含有任何液体电解质。3.电解质：准固态电池将以聚合物复合电解质为主，薄膜固态电池以氧化物复合电解质为主，全固态电池以硫化物复合电解质为主。4.产业化：2020年前采用高镍正极+准固态电解质+硅碳负极实现300Wh/Kg，2025年前采用富锂正极+全固态电解质+硅碳/锂金属负极电池实现400Wh/Kg，2030年前燃料/锂硫/空气电池实现500Wh/Kg

电池发展必经之路

1.九大优势：安全性能双提升

固态电池，是一种使用固体正负极和固体电解质，不含有任何液体，所有材料都由固态材料组成的电池。

液态电解质锂离子电池有7大短板

固态电池相比于传统的锂离子电池，实现了安全与性能双提升

1）目前安全性最高

毕马威：加拿大金融科技公司的投资下降了三倍:金色财经报道，毕马威(KPMG)表示，主要受宏观经济担忧推动，2023年上半年加拿大金融科技公司的投资下降了三倍。投资（包括风险投资、私募股权和并购活动）共57笔交易，总金额达3.537亿美元。这低于2022年下半年87笔交易的10.9亿美元投资额和2022年上半年109笔交易的8.341亿美元投资额。

加密货币和区块链公司占15笔投资，其中7家人工智能公司获得了资金，六家支付机构也在确保资金安全。大多数交易是早期和种子轮投资，没有首次公开募股。加拿大的情况是全球趋势的一部分，2022年下半年，投资额从2885笔交易中的632亿美元降至2153笔交易中的524亿美元。[2023/8/18 18:07:44]

2）能量密度高

一是电压平台提升，负极金属锂，正极高电势材料，电化学窗口5V以上

二是减轻电池重量，电极间距可以缩短到微米级，内部串联后简化电池外壳及冷却系统模块，提高系统能量密度

三是材料体系范围大幅提升，对于锂-硫电池，可阻止多硫化物的迁移，对于锂-空气电池，可以防止氧气迁移至负极侧消耗金属锂负极。

值得特殊说明的是，如果不改变现有正负极体系，单纯把液体电解质更换为固体电解质，是无法从根本上提升能量密度的。

3）循环寿命长

4）工作温度范围宽

5）薄膜柔性化

6）回收方便

7.硫化物电导率最高，是未来主要方向

硫化物主要包括thio-LISICON、LiGPS、LiSnPS、LiSiPS、Li2S-P2S5、Li2S-SiS2、Li2S-B2S3等，室温离子电导率可以达到10-3~10-2S/cm，接近甚至超过有机电解液，同时具有热稳定高、安全性能好、电化学稳定窗口宽(达5V以上)的特点，在高功率以及高低温固态电池方面优势突出。

相对于氧化物，硫化物由于相对较软，更容易加工，通过热压法可以制备全固态锂电池，但还存在空气敏感，容易氧化，遇水容易产生硫化氢等有害气体的问题。

8.电极材料：固固界面问题

电解质由液态换成固体之后，锂电池体系由电极材料-电解液的固液界面向电极材料-固态电解质的固固界面转化，固固之间无润湿性，界面接触电阻严重影响了离子的传输，造成全固态锂离子电池内阻急剧增大、电池循环性能变差、倍率性能差。

正极材料一般采用复合电极，除了电极活性物质外还包括固态电解质和导电剂，在电极中起到传输离子和电子的作用。

负极材料目前主要集中在金属锂负极材料、碳族负极材料和氧化物负极材料三大类，其中金属锂负极材料因其高容量和低电位的优点成为全固态锂电池最主要的负极材料之一。

9.工艺路线：基于目前电池工艺改进

相对液态电池而言，性能更先进的固态电池结构更简单，核心构件正极、负极、固态电解质。

至于生产成本，目前远超三元、磷酸铁锂等主流电池，但随着产业化的进程，凭借结构简单这一天然优势必会使制造成本低于目前主流电池。

10.技术路线：半固态→准固态→全固态

将已出现的跟固态锂电池相关的概念进行了梳理，并进行总结。

液态/凝胶态锂电池：电芯在制造过程中不含有固体电解质，只含有液体/凝胶电解质的锂电池。

半固态锂电池：电芯电解质中，液体电解质质量百分比<10%。

准固态/类固态锂电池：液体电解质质量百分比<5%，液体电解质的质量或体积小于固体电解质的比例。

全固态锂电池：电芯由固态电极和固态电解质材料构成，不含有任何液体电解质。

总结而言，锂电池根据电解质不同可以分为液态、半固态、准固态、全固态四大类，后三种可统称为固态电池。

11.综上，我们认为，未来发展方向准固态电池将以聚合物复合电解质为主，薄膜固态电池以氧化物复合电解质为主，全固态电池以硫化物复合电解质为主。

12.专利：日本专利居首，中国SCI文章第一

2017年，关于固态锂电池分别有1198篇文献与117篇专利，其中1096篇文献集中在金属锂负极、固态电解质以及固态电解质与正负极界面等基础问题研究。

在固体锂电池方面中国发表的文章数量占据第一位，国际发明专利方面日本占据一半以上，其中丰田以26篇占据了第一位。

丰田专利集中在对硫化物体系固态电解质进行研究，以提高电池的能量密度、电导率、循环寿命、安全性能等性能。

产业化：2020准固态2025全固态

13.固态电池：50年历史，50多家研发团队

目前，全球范围内约有50多家制造企业、初创公司和高校科研院所致力于固态电池技术。

14.国外三巨头：法国Bollore、美国Sakit3、日本丰田

法国Bollore

聚合物固态电解质领域领军企业，全球首个固态电池电动车商业化的公司

早在2011年10月，Bolloré就开始利用自主开发的电动汽车“Bluecar”和电动巴士“Bluebus”在法国巴黎及其郊外提供汽车共享服务“Autolib”，几年来已累计投入了3000辆搭载30kWh的由BatScap制造的固态电池。

正极材料采用LFP和LixV2O8，负极材料采用金属锂，电解质采用聚合物薄膜，但其能量密度仅为100Wh/kg，而且工作温度要求60~80℃，必须持续性将电动车电池加热至60°C以上来维持电池内部的导电能力。

英国戴森+美国Sakit3

美国Sakti3是全球氧化物固态电池龙头

2008年，密歇根大学工程学教授玛丽·塞思特里创办了Sakti3，塞思特里致力于电池技术的研究已有20年，并且拥有70余项专利。

2015年10月，被真空吸尘器创新者戴森以9000万美金的价格全资收购，以解决应用在其产品中的可充电锂离子电池续航时间不够长、安全性有限的问题。

Sakti3目前存在的最大问题是其采用薄膜沉淀工艺的制造技术，简而言之就是将薄膜进行一层层的堆积。这就造成其成本居高不下，且在未来降低成本的可能性也不算太大。

日本38家机构联合研发全固态锂电池，丰田是龙头

2018年4月，日本经济产业省与日本新能源产业技术综合开发机构宣布启动新一代高效电池“全固体电池”核心技术的开发。该项目预计总投资100亿日元，丰田、本田、日产、松下等23家汽车、电池和材料企业，以及京都大学、日本理化学研究所等15家学术机构将共同参与研究，计划到2022年全面掌握全固态电池相关技术。

丰田是现阶段硫化物固态电池龙头

2010年，丰田就推出了硫化物固态电池，2014年有消息称，丰田实验原型固态电池能量密度已达400Wh/kg。

2017年2月，丰田固态电池专利数量已达30件，远超其它企业。

2017年10月，丰田宣布投入200余人加速研发固态电池技术。同年12月，丰田联合松下对外宣布，将联合开发全固态电池。

15.国内五小龙：CATL、江苏清陶、珈伟股份、赣锋锂业、北京卫蓝

CATL

CATL以硫化物电解质为主要研发方向，采用正极包覆解决正极材料与固态电解质的界面反应问题，采用热压的方式增强了电解质和电极材料之间的接触，降低了界面电阻，通过对硫化物进行改性，增强了其热稳定性。

目前容量为325mAh能量密度为300Wh/kg的聚合物锂金属固态电池300周循环以上剩余82%。

清陶

清陶发展由清华大学南策文院士团队投资创办，2002年开始研发固态锂电池；2006年研发的LLTO固态电解质材料展示出了优异的性能；2010年开发的石榴石结构LLZO固态电解质材料工艺成熟。

2018年5月展示了即将量产的清陶固态电池高安全性测试视频

珈伟股份

国珈星际是珈伟股份的子公司，技术路径是以第二代聚合物锂离子导体作为固态电解质，以三元材料或磷酸铁锂等作为正极，以石墨作为负极。

2018年7月，36Ah类固态软包三元材料动力锂离子蓄电池通过国家机动车质量监督检验中心强制性检验，能量密度达到了230WH/kg，循环次数达4000次，72v系统可用在电摩上，价格大约1.5元/wh。

赣锋锂业+中科院材料所

2017年8月18日，赣锋锂业引入许晓雄博士等一批中科院的技术团队。

2017年12月5日，赣锋锂业发布公告，将设立全资子公司浙江锋锂，以自有资金不超过2.5亿元投资建设一条年产亿瓦时级的第一代固态锂电池研发中试生产线，项目建设期2年。

2018年6月30日，第一代固态锂电池技术指标达到：单体容量10Ah，能量密度不低于240Wh/kg，1000次循环后容量保持率大于90%，电池单体具备5C倍率的充放电能力，同时电池研制品通过第三方机构安全检测。

北京卫蓝+中科院物理所

2016年8月，北京卫蓝新能源成立，依托中国科学院物理研究所，专注于下一代固态锂电池研发与生产。

目前，北京卫蓝已经研发并掌握了固态电池技术领域的多项关键性技术，包括金属锂表面处理、原位形成SEI膜技术、固态电解质、锂离子快导体制备技术以及高电压电池集成技术、陶瓷膜优化技术和集流体解决方案。

16.产业化：2020年前实现准固态，2025年前实现全固态

固态电池商业化条件如下：

1）正极材料LFP、NCM、富锂等产业化

2）负极材料硅碳、金属锂产业化

3）固态电解质聚合物、硫化物、氧化物成熟

4）界面问题解决

我们认为，2020年前采用高镍正极+准固态电解质+硅碳负极实现300Wh/Kg，2025年前采用富锂正极+全固态电解质+硅碳/锂金属负极电池实现400Wh/Kg，2030年前采用燃料/锂硫/空气电池实现500Wh/Kg，核聚变电池是人类社会终极能源方式。

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