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文：任泽平团队

导读

固态电板能颠覆现存电板体系，主要三大原因：1）安全性更高：固态电解质不易燃且在高温下具有更好的久了性和机械性能。2）能量密度天花板更高：固态电解质具有更广漠的电化学窗口，减少了与电极材料的副反映，拓宽了可用电极材料的范围。3）轮回寿命更久：固态电解质不易蒸发且不存在泄漏问题。由于省去了液态电解质和隔阂，固态电板在分量上也有所疲塌。

固态电板性能上风权贵，但实用性和产业化任重谈远，当今仍面对一些时刻挑战。1）离子输送：固态电解质离子导电率低，斥逐充放电速率。2）锂枝晶：可能在晶内与晶间滋长，导致电板短路和失效。3）界面问题：电极和电解质之间的构兵面积较小，导致界面阻抗增大，不利于锂离子在正负极径直传导。4）本钱：瞻望2026年团聚物固态电板本钱将降至2.00元/Wh，相较于三元电板电芯价钱的0.46元/Wh，仍有较大差距。

瞻望2030年人人固态电板出货将跳动600GWh，出货量渗入率达到10%；2030年中国固态电板商场范畴有望跳动200亿元。当今中国的半固态电板一经量产上车，主要应用于高端车型，新能源汽车商场上30万以上车型的占比15%独揽，半固态电板主要完成这部分商场的渗入。在人人范围内，包括日韩、西洋在内的多个国度和地区皆在积极推动固态电板时刻的研发和产业化进度。国内电板龙头企业表露的时分表，全固态电板大范畴量产大多在2027年独揽。

正文

1 为什么要固态电板？—“不行燃”、更安全，能量密度更高，轮回诈骗更久

1.1 固态电板电解质熔沸点超200°C，安全性更高

液态锂电板发滋事故，液态电解质是主要推手。热失控（thermal runaway）是液态电板安全问题的主要原因。在电板的首次充电过程中，正负极名义会变成一层固体电解质界面（SEI）膜，这层膜大致暂时扼制电解质与电极材料之间的副反映，为电板提供一定程度的保护。关联词，当电板遇到撞击、过度充电或外力穿刺等损伤时，其热失控的风险会权贵加多。一朝电板温度升高至90°C，负极名义的SEI膜便脱手判辨，导致热失控进一步恶化。在这种高温环境下，液态电解质与负极发生反映，开释出可燃气体，这不仅会使得电板里面的隔阂溶解，激发正负极之间的短路。最终，电解液的放弃可能会激发更严重的安全事故。

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一个直不雅的例子，在锂电板的针刺实验中，模拟电板遇到狠恶物体穿刺，电板短路，电板里面热失控失控产生普遍的热量，电板里面的压力连忙加多，导致电板外壳浮松，穿孔处或浮松处有火焰喷出，这个火焰即是放弃着的电解液。

与液态锂电板比较，固态电板将液态电解质和隔阂替换成固态电解质，固态电解质溶沸点更高，大多数固态电解质的驱动放热温度皆在200°C以上，且无液态有机电解液，从根源断交放弃热源，以提高电板的安全性和久了性。

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1.2 固态电板能量密度天花板更高

固态电板的固态电解质的电化学窗口更宽，不错适配更高电压的正极材料。在电板中，电化学窗口界说为电解质大致久了存在的电压范围。在这个范围内，电解质不会判辨，不会与电板的正极或者负极材料发生反映。当今液态电板的电解液的电化学窗口一般小于4.5V，这意味着它们适用于电压较低的电板系统。当今液态电板为什么磷酸铁锂和三元占据绝大多数正极商场，即是因为唯独这俩个正极材料适配刻下的电解液体系。固态电解质的电化学窗口不错达到5V以上，意味着它不错兼容更高电势和更低的复原电位正负极材料。

举例，金属锂负极、氧化物电解质、三元正极固态电板的能量密度一经达到350-400Wh/kg，而硫化物体系（金属锂负极或硅负极）完了能量密度约320Wh/kg。比较之下，传统的液态锂离子电板能量密度频频在170-300Wh/kg，部分居品已接近表面极限。

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1.3 固态电板的轮回寿命更合手久

液态锂电板在永劫分使用过程中，由于其电解液的化学性质，会慢慢与电极材料和电板外壳发生互相作用和反映，这可能导致电解液的干涸、蒸发以致泄漏，加多了电板的爱戴本钱和潜在的安全风险。比较之下，固态电板接纳固态电解质，这种电解质不易蒸发且不存在泄漏问题，因此不错权贵提高电板的寿命。

从轮回寿命来看，固态电板在10，000次轮回后仍能保合手其原始容量的90%以上（液态电板约为3000次轮回寿命）。电板的轮回寿命跳动27年，按逐日充放电轮回忖度，跳动了大多数确立以致车辆的使用寿命。跟着固态电板时刻的进修和本钱的镌汰，瞻望二手电动汽车的贬值速率将大幅镌汰。因为固态电板的长命命和高能量密度使得电动汽车在首次使用后仍能保合手较永劫分的高性能，减少了电板退化的担忧。

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1.4 新场景应用

滥用电子：固态电板因其能量密度高、体积小的特质，大致精炼无东谈主机、智高腕表、便携式储能等居品对电板轻量化、长续航的要求。2024年8月，日本TDK文告已告捷研发出新版CeraCharge固态电板。该电板能量密度高达每升1000瓦时，约为TDK传统固态电板能量密度的100倍。TDK初步贪图将该电板应用于无线耳机、助听器及智高腕表等袖珍电子居品，同期抒发了向智高手机等更广大商场报复的愿望。同期，2022年小米推出了半固态电板的米家户外电源1000Pro；松下将在2025-2029年量产用于无东谈主机的全固态电板；富士康与Blue Solutions将合餬口产固态电板应用于二轮车规模。

新能源车：尽管传统锂电板在本钱和性能展现了高超的进展，但在续航里程、使用温度、安全性等问题上，电动车仍需要进一步的栽种，固态电板看成新一代立异性产物，正从走在产业化的康庄大路上，助力新能源车续航里程、安全性等性能迈向一个台阶。蔚来、上汽等均建议2024年量产半固态电板车型，广汽、长安等均建议2025-2026年量产半固态电板车型。

储能：固态电板相较于传统锂离子电板，更具久了性能，大致权贵栽种储能电站的安全性，同期，储能要求电芯有更好的轮回寿命，固态电板也刚好适配。2023年10月，卫蓝新能源与三峡集团合营的“兆瓦时级固态锂离子电板储能系统”花式入选国度能源局第三批能源规模首台（套）紧要时刻装备（花式）名单。2024年8月，乔治费歇尔金属成型科技（昆山）有限公司4.5MW/8.94MWh储能花式开工，该储能花式接纳半固态磷酸铁锂电板，系统总容量成立为4.5MW/8.94MWh。

eVTOL飞行汽车：低空经济发展加速固态电板产业发展。2024年3月，工信部发布《通用航空装备创新应用实行有盘算推算（2024-2030年）》，要求加速布局新能源通用航空能源时刻和装备，推动400Wh/kg级航空锂电板居品参加量产，完了500Wh/kg级航空锂电板居品应用考证。

2 锂电末端：固态电板要道看电解质破局

2.1 液态电板 vs 固态电板

传统的液态锂离子电板由正极、负极、隔阂和电解液等要道组件组成。正负极材料负责存储锂离子，径直影响电板的能量密度。而电解液则干系到锂离子在充放电过程中的迁徙速率，频频接纳有机溶剂看成介质。液态电解质的易燃秉性使得电板在高温或撞击下存在动怒爆炸的隐患。

固态电板主要由正极、负极、固态电解质等主材组成，实质区别就在于固态电板用不行燃的固态电解质替代了液态电板的可燃性液态电解液。字据固态电板里面液体含量，不错将固态电板分为半固态电板和固态电板。字据学术界的界说，电板液体含量跳动10%即是液态电板；液体含量在5%-10%被界说为半固态电板，半固态电板中的液体（清陶能源将其界说为润湿剂）与液态电板中的电解液不同，润湿剂因素单一，栽种电板里面界面的润湿性，镌汰电板电阻；全固态电板不含任何液态因素。

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2.2 液态电解质率先完了贸易化锂离子电板自20世纪中世被发现以来，科学家们就一直在探索电板全固态形势的可能性。因为固态电板组件更直不雅，易于加工和限度。关联词，完了这一愿景的要道挑战在于找到一种材料，它大致在电子层面上提供绝缘，同期允许较大的锂离子通过。

在电板中，导电用到的是电子，锂离子是离子，电子很小，离子很大。咱们需要一种既能造反电子流动，又能让锂离子开脱转移的材料。这种材料在当然界中并不常见，因此需要科学家们进行全心想象和合成。多年来，商议东谈主员一直在寻找具有高锂离子传导性的材料—电解质。关联词，固态电解质离子电导率低、刚性强度大、界面相容性差等时刻瓶颈斥逐了其产业化进度，全固态锂电板的商议停滞于20世纪末。

20世纪70年代和80年代，工业界的商议主要聚首在液态电解液上，这些电解液大致灵验地传导锂离子并造反电子。到了90年代，含有液态电解液的锂离子电板时刻得到了产业化，这种电板想象在便携式电子确立和电动汽车中得到了粗鄙应用。

尽管液态锂离子电板获取了贸易告捷，但学术界关于锂离子在固态材料中传导的商议从未罢手。经过数十年的尽力，科学家们一经发现了一些具有与液态电解液相比好意思的锂离子传导速率的固态材料。这些材料的离子电导率一经达到了实用化的水平，为固态电板的贸易化铺平了谈路。

2.3 固态电解质是固态电板的破局之谈

大大小小第一步，中国科学院欧阳明高院士将固态电板异日发展贪图拆解为三步。起原要点攻关固态电解质，第二步要点攻关高容量复合负极，第三步要点攻关高容量复合正极。固态电板发展，攻克固态电解质至关遑急。

与液态电板的隔阂和电解液作用换取，固态电解质同期代替了隔阂和电解液，在锂电板中负责锂离子的传输。因此，固态电解质的性能也很大程度上影响着固态电板的性能。理思的固态电解质要精炼优良的离子导电率、微乎其微的电子导电率、宽的电化学窗、低界面阻抗、大致低本钱大范畴量产等特质。当今，固态电解质字据材料类型的不同大约不错分为氧化物电解质、硫化物电解质、团聚物电解质等。

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2.3.1 氧化物电解质：电化学窗口宽，刚性强度大

氧化物电解质由氧化物和无机盐组成，可分晶态电解质和非晶态电解质，主要通过晶格闲静传递离子。字据晶体结构主要不错分为钙钛矿（LLTO）型、石榴石（LLZO）型、快离子导体（LISICON）型和（NASICON）型等。LLTO型电解质具有高离子电导率的上风，但低电势下容易被锂金属负极复原，久了性相对较差；LLZO型电解质离子导电率高，对金属锂负极有较高兼容性，久了性高，受缓和度高，当今提高LLZO材料质密程度是遑急的商议标的之一。

举座上，氧化物电解质性能优异，对空气和热久了性高，电化学窗口宽，机械强度高，是理思的高下压固态电解质体系。但化学刚性太强，必须得把颗粒烧接成考究的陶瓷智商把固-固构兵的问题贬责掉，可是一朝烧结成考究陶瓷，它就很容易破碎，用于作念叠片电板很难，卷绕电板更没法完了。同期，氧化物电解质在电板轮回过程中无法消解电极推广产生的应力，有损于电板电导率和轮回寿命。

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2.3.2 硫化物电解质：室温导电率高，制作工艺复杂

硫化物电解质是由氧化物电解质繁衍出来的，即是氧化物电解质中的氧元素被硫元素替代。硫元素比较于氧元素，半径更大，离子传导通谈更大，电负性小，与锂离子领有更小的互相作用，因此硫化物电解质相较于其他固态电解质具有更高的离子电导率，离子电导率10^-7S/cm至10^-2 S/cm（液态锂离子电板电导率10^-2 S/cm），超离子导体掺杂卤素后室温锂离子电导率以致跳动液态电解质。字据晶体结构，硫化物固态电解质不错分为玻璃态、玻璃陶瓷态和晶态。晶态电解质按照晶体结构又不错分为硫代超快离子导体型(LATP)、硫银锗矿型和 LGPS超离子导体型。

硫化物电解质主要挑战有：第一个是原材料的本钱特地贵。硫化锂价钱瞻望在200万每吨以上；第二个是硫化物电解质对空气中的水分敏锐反映，产生硫化氢，对大部分溶剂也敏锐，跟传统液态工艺兼容性相对差一些，意味着只可用一些初级性或者弱极性的有机容器。第三个挑战是在作念电芯的过程当中，需要加几百兆帕的大气压力，让硫化物的颗粒变形，智商让正负极保合手好的构兵。这样大的压力当今可能唯唯一种妙技，即是把这个电芯放在一个圆柱形的加压缸里，往这里面灌入液体，然后给液体加压。这种几百兆帕的压力思去完了锂电板的勾通分娩，当今其实是有一定的难度。

2.3.3 团聚物电解质：本钱低、易加工、室温电导率低

团聚物电解质的性能由三种因素的互相作用决定：团聚物基质、锂盐和(可选)添加剂。团聚物电解质主要由团聚物基质和锂盐组成，其中团聚物承担着锂离子传输的载体扮装，而锂盐则为电解质提供必要的载流子。这类电解质因为其本人的高弹性和柔韧性，频频具备较高的弹性模量和高超的界面构兵性能，即使在充放电过程中电极体积发生变化也能适当，且能灵验扼制锂枝晶的变成。有助于在电板的永久轮回使用中保管低界面阻抗，从而增强固态锂电板的久了性和可靠性。此外，团聚物基固态电解质还具有质轻、本钱低、对温度等环境条款不尖刻的特质，安妥范畴化分娩。

主流的团聚物固态电解质主要有PEO基（聚环氧乙烷基）、PMMA基（聚甲基丙烯酸甲酯基）、PVDF-HFP基（聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物基）等。PEO是最早被发现大致灵验传导锂离子的团聚物材料之一。PEO的玻璃化滚动温度约为-67℃，这一秉性使得它在室温下容易变成非晶态结构，从而有益于锂离子的迁徙和传导。基于这些上风，PEO成为了设备固态电解质的理思采纳。2011年，法国Bollore博洛雷研发的全固态金属锂电板脱手批量应用于分享电动汽车“Autolib”和袖珍电动巴士“Bluelus”，这是海外上第一个接纳全固态锂电板的电动汽车案例。其自主研发的电动汽车Bluecar搭载了30kWh金属锂团聚物电板，电解质接纳的即是PEO。

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团聚物电解质时刻难点。1.团聚物电解质的室温下离子电导率低，主要原因是由于团聚物的离子传输主要发生在无定形区，其在室温下结晶度高，而软化温度却高于60℃。2.团聚物电解质的电化学窗口较窄（PEO 的电化学窗口<3.9V >，易于被高电压正极氧化；非凡是与高电压正极材料，如钴酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂等配对时，会发生剧烈的电化学氧化判辨，导致电板性能急剧下落。3.热久了性差、安全性低。当温度跳动 400℃时会发生疏解和放弃，存在很大安全隐患。

3 固态电板研发面对什么挑战？三个卡点

2024年，半固态电板一经量产上车，完了了从0到1的冲破。相较于固态电板，半固态电板主要依托于现存的电化学体系，并在工艺上进行升级，这关于各大电板制造商而言，时刻矫正的难度和本钱相对较低，且对正极、负极材料以及分娩确立的影响较小。而全固态电板的量产仍然面对诸多挑战。当今，斥逐全固态电板发展的中枢问题主要有：离子输送机制、锂枝晶滋长机制、固-固界面问题，本钱较高档。

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3.1 离子输送：充放电斥逐的要道

固态电解质离子导电率低，斥逐充放电速率。全固态电板当今的应用瓶颈在于较慢的充放电速率和较快的容量衰减，这些与固态电解质自身的理化性质探讨。液态电解质分子结构松散，离子转移相对开脱。与液态电解质不同，固态电解质的晶体结构久了。离子证据需要克服晶格位移的壁垒，固态电解质中离子间具有很强的互相作用劲，其离子迁徙壁垒是液体的10倍以上，离子导电率受限，导致锂离子传输斥逐低，电板充放电过程中发烧严重，电板充放电斥逐低，电量亏本大。

锂离子电板里面离子的扩散在固态和液态是数目级的分辨。一个浅易的例子，结拜水里面扔一块糖，糖化了，通盘结拜水是甜的；一块糖放到一堆沙子里面，沙子是不会甜。因此提高离子导电率是完了固态电板加速产业化的要道。

3.2 锂枝晶：仍是固态电板的时刻难点

锂枝晶（Lithium Dendrites）是指在锂电板中，锂金属在电板充电过程中变成的树枝状金属结构。它们频频在电板的负极上滋长，锂离子在负极上千里积的速率不均匀，导致局部区域千里积过多，变成了肖似树枝的结构。电板制造有劣势的话，锂枝晶会在劣势处长出，锂枝晶是金属，刚性强，在传统隔阂电板中会刺穿隔阂，加多了短路的风险。

但固态电板中，陶瓷材料比较于隔阂，刚性更强，锂枝晶辞谢易戳破，一定程度上保险了电板的安全性。尽管固态电解质的机械强度较高，表面上应该大致阻遏锂枝晶的滋长，但实践上锂枝晶仍然可能在晶内与晶间滋长，导致电板短路和失效。

3.3 界面问题：贸易化的最难点亦然最要道

固态电板的界面问题不错分红两类。按固-固构兵界面性质不错分为化学构兵和物理构兵。化学构兵是两种材料构兵后自觉的发生化学反映，在固态电板中，金属锂负极和固态电解质的界面处尤为常见；物理构兵是电解质和电极之间的构兵，其中又分为正极-电解质界面和负极-电解质界面。

界面阻抗问题径直影响固态电板的电化学性能。由于固态电解质枯竭液态电解质的流动性，因此固-固界面的构兵问题比液体锂离子电板更为复杂。固-液构兵所以浸润形势存在的“软”构兵，而固-固构兵是很难充分贴合的“硬”构兵，因此在固态电板中，电极和电解质之间的构兵面积较小，导致界面阻抗增大，不利于锂离子在正负极径直传导，影响电板充放电性能。

为了改善固-固界面的构兵，学术界采用了多种策略。包括使器具有高超润湿性的电解质、构建三维界面、以及在电极和电解质之间引入缓冲层或中间层。举例，通过在正极材料名义包覆一层无定形的固态电解质薄层，不错幸免正极与电解质之间的径直构兵，减少界面阻抗，提高电板的轮回久了性和安全性。

此外，学术界也在探索使用外部压力来改善固-固界面的构兵。举例，恰当的堆叠压力关于完了固态电解质的最好性能至关遑急。宁德期间董事长曾毓群在2024天下能源电板大会称，6000个大气压下智商完了较高的低温性能。实践生涯中险些莫得相宜条款的场景，意味着这些器件还无法完了贸易化。

3.4 本钱：仍需恭候进一步降本

固态电板本钱相较于液态电板电芯本钱差距较大。字据百川盈孚，2024年7月底三元方形能源电芯价钱0.46元/Wh，磷酸铁锂方形能源电芯价钱0.37元/Wh；字据欣旺达，2026年将团聚物体系的全固态电板本钱降至2.00元/Wh。当今来看，固态电板的本钱较高，异日3-5年的下落空间还未可先见。

4 产业链：半固态先声夺东谈主，全固态尚待捷报

4.1 固态电板产业链与液态电板大约换取

与液态电板产业链大约换取，固态电板产业链涵盖了从上游的原材料供应、中游的电板制造到下贱的应用商场的通盘进程。上游主要包括矿产资源的开采和索求，如锂、钴、镍等要道金属，以及固态电解质的原料，如氧化物、硫化物或团聚物等。中游步调包括电板材料的制备、电板单位的拼装和电板握住系统的设备。下贱应用商场则包括新能源汽车、滥用电子、储能系统等多个规模。

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4.2 战略端：列国战略前瞻布局，驱动产业链发展

人人范围内，列国政府通过战略指导、资金补贴和产业链协同等方式，加速鼓励固态电板的产业化进度。当今在人人范围内主要处于研发和中试阶段。中国、日本和韩国在固态电板的设备规模处于时刻最初地位，下一代能源电板的产业化一经提上日程。字据我国《汽车产业中永久发展贪图》，到2025年，能源电板系统比能量达到350Wh/kg，而液体锂电板表面能量密度上限约为350Wh/kg，研发更高能量密度的锂电板替代传统液态电板将成为势必。

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4.3 厂商布局：列国发展道路侧重各有不同

固态电板时刻的竞争在人人范围内日益强烈，变成了以中国、日本、韩国和西洋为代表的主要阵营。每个阵营在时刻道路和发展策略上各有侧重，竞争的焦点在于谁能在时刻进修度和商场应用上占据制高点。当今固态电板的应用大体还皆处于实验室阶段，贸易规模仍是小批量制造阶段。

团聚物道路上，企业主要鸠集在欧洲和好意思国。团聚物电板贸易化早，但对使用温度区间要求较高，后续贸易化进展较慢。

硫化物道路上，企业主要鸠集在日韩和好意思国。Solid Power 在2023年向良马集团拜托硫化物固态电板用于测试；丰田贪图在2025年前量产固态电板；三星SDI指标在2027年量产900Wh/L的固态电板；LG新能源盘算推算在2025-2027年完了全固态电板贸易化。

氧化物道路上，企业主要鸠集在中国和好意思国。中国在半固态电板的进展较快。Quantum Scape瞻望在2024年下半年脱手量产氧化物固态电板。清淘能源的半固态电板，一经量产上车上汽智己L6；卫蓝新能源已于2023年6月量产360Wh/kg半固态电板拜托给蔚来；鹏辉能源2024年8月矜重发布了20Ah和2000mAh两款软包全固态电板。

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4.4 车企布局：绑定电板厂研发，半固态率先落地

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5 商场空间：2030年人人固态电板出货将跳动600GWh

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固态电板举座处于攻坚克难的要道阶段，当今业内普遍以为固态电板完了量产还需要3-5年时分。当今行业正处于第一阶段，引入部分固态电解质，镌汰电解液的含量，正极依然接纳传统铁锂或三元正极；异日，行业将提高固态电解质含量直至系数取代液态晶体液；最终阶将会对固态电解质膜进行想象，进一步栽种能量密度。

当今落地的半固态电板主要应用于高端车型，新能源汽车商场上30万以上车型的占比15%独揽，半固态电板主要完成这部分商场的渗入。字据中国汽车能源电板产业创新定约，2024年上半年我国半固态电板装车量2154.7MWh。字据中商产业商议院瞻望，2030年人人固态电板出货将跳动600GWh，出货量渗入率达到10%。2030年中国固态电板商场空间有望跳动200亿元。

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