一、固态电池：电池的终极形态

（一）固态电池是一种更高效、更安全的技术选择

固态电池是什么？固态电池是指使用固态电解质的电池形式。一般而言，锂电池由 正极材料、负极材料、电解质、隔膜四个部分组成，其中电解质起到输送锂离子、传 导内部电流的作用，是锂电池的关键构成。而固态电池通过采用固态电解质取代液 态电解质，可以弥补液态电解质的种种不足，是一种更高效的技术选择。

为什么要用固态电池？与传统液态锂电池相比，固态电池具备三大核心竞争优势： （1）能量密度显著更高：能量密度是衡量电池“单位重量或体积所能储存能量”的 核心指标，决定电池体积大小与续航里程。根据深企投研究院，目前实验室固态电 池能量密度普遍超过400Wh/kg，部分样品能量密度超过500Wh/kg，理论值可达900 Wh/kg，较当前主流量产锂离子电池的160-300Wh/kg显著提升。 （2）安全性能大幅提升：由于固态电池采用不可燃的固态电解质，热分解温度高， 且因其固态特性能彻底避免液态锂电池中电解液易出现的腐蚀、挥发、漏液等问题， 能够使安全性能大幅提升。 （3）循环寿命明显延长：根据深企投研究院，固态电池的理论循环寿命可超10000 次以上，相较液态电池有较大幅度提升，大幅降低了电池全生命周期的使用成本， 为商业化应用奠定经济基础。

（二）产业化情况：已经进入量产前夕，潜在空间广阔

主流电池厂商已开始试生产全固态电池，预计27-28年逐步迈入量产时代。根据 Trendforce，全球主要电池企业都已经明确了固态电池量产时间表。从节奏来看，目 前除LG、SK以外，大部分厂商已经开始从固态电池样品进入试生产阶段；随着试生 产进展的推进，预估27-28年丰田、Solid Power、比亚迪、宁德时代等头部厂商将陆 续进入量产阶段，预估产量可于2027年前达到GWh级水平。

产业化阶段半固态先行，全固态出货量有望在28年开始增长，30年达到百GWh级别。由于当前全固态电池还存在固固界面等较多的技术瓶颈，因此半固态电池技术有望 率先落地。根据EVTank数据，2024年全球固态电池出货量达到5.3GWh，全部为半 固态电池；预计全球全固态电池将在2027年实现小规模量产，到2030年将实现较大 规模的出货，出货量将达到614.1GWh，其中全固态的比例将接近30%。

目前的产业化难题集中在技术和成本的双重考验： 技术上：电解质由液态变为固态带来固固界面问题等技术问题。相较于传统液态电 池的固液充分“面接触”，固态电池由于固体电解质和固体电极采用“点接触”，因 此在接触面界面处容易形成高阻抗层。一方面，电极材料（如正极中的过渡金属元 素）可能与固态电解质发生化学反应，生成绝缘性副产物；另一方面，电解质与电极 的能级不匹配会导致界面电荷转移阻力增大。 成本上：目前产业化初期固态电池成本还远高于液态电池，降本路径还在探索中。 根据集邦咨询报告，预计2024年聚合物、氧化物、硫化物三种技术路线的固态电池 电芯价格分别为2.10元/Wh、2.82元/Wh、5.02元/Wh，远高于液态电池（三元电芯 0.5元/Wh），预计量产初期（2027-2028年）电芯价格将落在1-3元/Wh，2030年后 降至1元/Wh左右，到2035年经市场大规模推广后再降至0.6-0.7元/Wh。

二、固态工艺路线：技术路线开始收敛

全固态电池的主要工艺路线迭代方向开始清晰。固态电池的性能提升需要电解质、 正极、负极三大组成部分的协同升级以实现。根据欧阳明高院士在中国全固态电池 创新发展高峰论坛上的观点，目前行业内全固态电池技术路线的大体方向已经确认， 主要包括： （1）电解质：从硫化物→复合电解质发展。固态电池主要的电解质材料中，硫化物 的综合性能表现最佳，产业化应用潜力最大，因此已经成为路线选择的行业共识。 后续随着加工技术的逐步提高，有望逐步向补充电解质的复合电解质路线发展。 （2）正极材料：向高电压高比容量的高镍材料/富锂锰基材料发展。正极材料的发展 可以沿用液态电池的思路，朝着高电压、高比容量的材料发展，主要代表就包括高 镍含量的三元材料。 （3）负极材料：从石墨/低硅→高硅→复合锂负极发展。目前硅碳负极是提升电池能 量密度的合适材料，后续逐步朝着高硅含量发展。此外，锂金属作为更优质的负极 材料，有望在固态电池中得以应用，复合锂有望在远期成为负极的更优选择。

（一）电解质材料：硫化物/硫化物复合物正成为主要研究方向

从电解质核心材料来看，目前已经出现的主流材料选择包括4种： 1. 聚合物：最早商业化应用，但缺点显著。聚合物电解质材料主要基于有机物，具 有较好的柔性和成膜性，容易加工，能够适应复杂的电池结构，同时与现有的电解 液生产设备、工艺都比较兼容，对负极界面的相容性较好。其缺点包括：（1）离子电导率太低，需要加热到 60℃高温才能正常充放电；（2）化学稳定性较差，无法 适用于高电压的正极材料，在高温下也会发生起火燃烧的现象；（3）电化学窗口窄， 电位差太大时（>4V）电解质易被电解，使得聚合物的性能上限较低。因此，聚合物 电解质路线虽然技术较为成熟，最早推进商业化应用，但更多用于对成本和柔性有 要求的中低性能电池，或通过与其他材料复合以“取长补短”。 2. 氧化物：技术相对成熟，是半固态电池的理想过渡方案。氧化物材料具有良好的 化学稳定性和机械强度，离子电导率比聚合物更高，热稳定性高达 1000℃，可以在 高压环境下保持稳定，能够有效提升电池的长寿命和安全性，因此成为混合固液电 池（半固态电池）的理想选择。但其缺点包括：（1）相对于硫化物，其离子电导率 偏低，使得氧化物固态电池在性能提升过程中会遇到容量、倍率性能受限等一系列 问题；（2）氧化物非常坚硬，导致固态电池存在刚性界面接触问题，与正极复合接 触效果差，在简单的室温冷压情况下，电池的孔隙率非常高，可能导致电池无法正 常工作。一般通过掺杂、复合等技术手段改性氧化物材料，以解决界面问题。当前， 氧化物路线主要是作为全固态的过渡方案，主要用于半固态电池。 3. 硫化物：综合性能潜力最大，但加工条件要求较高。硫化物材料是固态电解质中 离子电导率最高的材料，能够极大提升全固态电池的整体导电性，机械性能好，并 且电化学稳定窗口较宽（5V 以上），工作性能表现优异，在全固态电池中发展潜力 最大。其缺点包括：（1）界面不稳定，容易与正负极材料发生副反应，造成界面高 阻抗，导致内阻增大；（2）在制备工艺层面，硫化物固态电池的制备工艺比较复杂， 且硫化物容易与空气中的水、氧气反应产生硫化氢剧毒气体。硫化物电解质依托其 高导电率、高热稳定性优势，最适用于电动车，商业化潜力大。 4. 卤化物：优缺点明显，是与其他材料复合的优质选择。卤化物材料是通过含卤素 （如氯、溴、碘）的化合物作为离子传导介质，其优点包括：（1）高离子导电率； （2）优异的电化学氧化稳定性，电化学窗口超过 4.5 V；（3）具有良好的形变能 力，机械柔软、易于冷压成型，可显著降低界面阻抗；（4）安全环保与低成本潜力， 制备过程不产生 H₂S 等有毒气体，无需严格惰性气氛，干燥环境即可生产，同时铁 基卤化物原料成本低。但其缺点包括：（1）对金属负极稳定性差，无法与金属锂负 极很好地匹配，需要通过界面改性技术优化；（2）对潮湿环境敏感，容易受空气中 水分影响，导致性能下降并腐蚀集流体；（3）量产工艺尚未成熟，部分卤化物固态 电解质的合成需要特殊的条件和方法。近期的研究及应用方向主要是考虑卤化物与 其他电解质材料（硫化物、氧化物）复合。

不同的技术路线各有优缺点，但综合来看目前硫化物或成为主流路线。理想的固态 电解质材料应该拥有高离子电导率+对锂金属具有化学和电化学稳定性+能够抑制锂 枝晶产生+制造成本较低等特点。但目前四个技术路线各有优缺点，未有能同时满足 以上要求的，在技术突破上仍存在一定的难度。从单一电解质来看，目前聚合物路 线正逐渐被抛弃或者作为复合电解质材料的补充；氧化物路线成为过渡阶段半固态 电池的首选，而硫化物路线在单一电解质中最具潜力，逐渐成为整车企业和动力电 池企业的主流选择。后续卤化物则可作为复合电解质（硫化物主体+卤化物界面层） 的组分，与硫化物在不同应用场景中形成互补格局。 全球固态电池研发厂商集中在中日韩及美国，硫化物技术路线占比最高。从国家分 布来看，不同地区的固态电池厂商在技术路线选择上呈现差异化特征。日本、韩国 以硫化物路线为主；中国早期半固态电池阶段以氧化物以及氧化物+聚合物复合电解 质为主要路线，全固态电池阶段则开始聚焦硫化物路线；欧美地区的厂商早期侧重 聚合物与氧化物路线，近年来硫化物路线也成为主流。

制约硫化物电解质应用的主要因素在于原材料成本。根据深企投产业研究院，硫化 物路线的原材料（如LPS/LPGS）价格高昂，材料成本达2.6-4.8元/Wh（对应电解质 材料200-250万元/吨），虽然在三大路线中其制造成本（1.1-1.4元/Wh）相对可控， 但材料成本占比超70%，推升总成本至3.7-6.2元/Wh，整体生产成本最高。但其能量 密度可达450-900Wh/kg，高导电率带来的性能优势显著。

（二）正负极材料的提升路径：寻找高比容量的材料

除了固体电解质，正负极材料迭代也是提升固态电池性能的重要路径。根据《固态 电池行业研究及其投资逻辑分析》，电荷容量的大小取决于电极材料的性质，而提 升固态电解质能量密度的关键是适配性能更好的电极材料。若不更换电极材料，仅 将传统液态锂电池的电解液和隔膜部分更换为固态电解质，由于固态材质的密度一 般比液态材质高，电池能量密度可能不增反降。因此更换比容量更高、正（负）极电 位更高（低）的电极材料是固态电池电极材料体系迭代的核心。

1. 正极材料：沿用三元材料，长期向高镍正极或富锂锰基材料发展

三元材料是目前固态电池正极材料的主流选择。目前已实现商业化的锂电池正极材 料主要为磷酸铁锂和三元材料，其中磷酸铁锂正极材料的优势在于热稳定性高，三 元材料（锰、钴、镍）的优点在于能量密度更高。根据《固态电池行业研究及其投资 逻辑分析》，目前新型正极材料尚处于研发阶段，距离全面商业化投产仍有较长时 间，因此目前固态电池厂商基本沿用原有的正极材料体系，以三元材料为主，在此 基础上掺杂或包覆改性，使其性能更适配固态电解质。 新型正极材料后续的研发方向主要有两大方向： （1）高镍正极材料：开发低电位下比容量更高的正极材料，如高镍正极材料。但高 镍正极材料的发展难点在于镍含量和比容量的提升伴随着电池安全性和循环寿命的 下降。当前，业界小规模试产的固态电池大多使用高镍8系或9系正极材料。 （2）富锂锰基材料：提高正极材料的嵌脱锂电位。富锂锰基材料理论比容量高、工 作电压高、环境友好且与硅碳负极适配，是终极状态下能量密度突破500Wh/kg的理 想正极材料。但富锂锰基材料电子电导率极低，与电解质界面副反应严重，现阶段 难以实现产业化，但发展潜力较强。

2. 负极材料：短期硅碳混合材料，长期向锂金属迭代

中短期来看，负极材料的发展路径正朝着硅碳复合的方向发展。在当前锂电池电极 材料体系中，石墨材料凭借电导率高、稳定性强等特点已经实现商用化，但石墨理 论比容量较低（372mAh/g），实现的比容量已接近理论上限。因此目前来看，硅材 料凭借更高的理论比容量（纯硅负极比容量达4200mAh/g）是石墨材料的上位替代。 但硅材料在储锂过程中体积会发生较大膨胀，因此用于电池中容易出现界面接触失 效等问题，因此在实际发展中，氧化亚硅和硅碳复合材料是主要的研究方向，可以 在提高负极比容量的同时有效抑制硅负极充放电体积变化所导致的一系列问题。 长期来看，锂负极可能会是负极材料的最终选择。锂金属的理论能量密度是 3860mAh/g，拥有常见金属中最低的还原电位（-3.04V），被视为锂电池的终极理 想负极材料。但锂负极仍面临诸多应用难题：①在电池充放电循环过程中，锂金属 表面易析出树枝状锂枝晶，严重时可能会刺穿电池，造成电极短路，引发热失控问 题；②锂金属易与电解液发生反应，不稳定的SEI无法有效阻隔锂负极和电解液接触， 反应形成的碳酸锂、氢氧化锂、氧化锂等产物，将降低电池循环寿命和效率；③锂金 属是无基体转化型负极，沉积锂在体积膨胀过程中会呈现出疏松多孔形态，影响电 池性能。

三、设备端的边际变化：固态电池的出现给锂电设备产 业链带来了怎样的变化？