固态电池有望成为下一代电池体系技术升级方向

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锂离子电池安全性和能量密度等性能要求的提升将推动电池体系从液态向固态电池升级。在政府端，固态电池技术受到各国重视，纷纷出台政策支持；在企业端，各大电池和材料企业布局固态电池相关技术，固态电解质多种路线百花齐放。半固态电池有望率先产业化，全固态电池依然受到重点关注，在相关领域优先布局的企业有望受益。

液态锂离子电池体系和应用渐趋完善：1991年Sony公司成功开发首款商业化液态锂离子电池，其面世率先革新了消费电子的产品形态，大大降低了移动电话、笔记本电脑等消费电子的重量和体积，并大幅延长了电池的使用时间，随后液态锂离子电池进入快速发展阶段。走过30年的发展历程，锂电池技术不断迭代，使用场景也愈发丰富。以电动汽车为代表的新能源需求旺盛，带动动力电池出货量大幅提升。此外，随着光伏、风电等清洁能源在能源结构中的占比不断提升，对储能电池的需求也与日俱增。

锂离子电池近几年保持高速增长，未来市场空间广阔：根据EVTank发布的数据显示，2022年，全球锂离子电池总体出货量957.7GWh，同比增长70.3%，其中，中国锂离子电池出货量达到660.8GWh，同比增长97.7%，在全球锂离子电池总体出货量的占比达到69%。全球锂离子电池出货量从2015年的100.8GWh增长到2022年957.7GWh，年均复合增速为37.94%。从出货结构来看，全球汽车动力电池出货量为684.2GWh，同比增长84.4%，在锂离子电池市场占有较高的份额；储能电池出货量159.3GWh，同比增长140.3%；小型电池出货量114.2GWh，同比下滑8.8%。EVTank预计，到2025年和2030年，全球锂离子电池的出货量将分别达到2,211.8GWh和6,080.4GWh，其复合增长率将达到22.8%，市场空间广阔。

中长期政策对能量密度提出高要求，现有材料体系接近极限：随着新能源汽车的快速发展和电网储能的需求增长，对于高能量密度和高安全性电池的需求越来越迫切。根据工信部2020年制定的《节能与新能源汽车技术路线图2.0》，单体电芯比能量要在2020年达到300Wh/kg，力争达到350Wh/kg，2025年达到400Wh/kg，2030年达到500Wh/kg。然而目前的高容量电池体系，其实际比能量很难达到400Wh/kg。现有的高比能量密度锂离子电池一般采用高镍搭配石墨负极的方式，规模化量产产品的能量密度约为240-260Wh/kg。更高能量密度的锂离子电池需要高镍搭配硅碳材料，但其稳定运行的能量密度很难达到400Wh/kg，较难满足500Wh/kg的能量密度目标。

液态锂离子电池无法从根本上解决安全问题：液态电解质具有较高的离子电导率(~10-2S·cm-1)，但是使用其作为电解质的商用动力电池在实际使用过程中却出现了较为严重的安全问题。造成液态锂离子电池安全问题主要有以下几点：①负极表面析锂:动力锂离子电池在低温、过充或大电流充电情况下，金属锂会直接在负极表面析出，导致锂枝晶，造成正负极短路。②正极材料结构破坏:当正极充电至较高电压时，其处于高氧化态，晶格中的氧容易失去电子以游离氧的形式析出，游离氧会与电解液发生氧化反应，放出大量的热，而且低着火点的有机电解液在氧的存在和温度升高的情况下不安全，电池极易发生燃烧、爆炸。③电解液高温高压分解:液态电解液所使用的锂盐为LiPF6，其在高温高压下易发生分解，并会与微量的水以及有机溶剂之间进行热化学反应。④隔膜热收缩和破裂:当锂枝晶刺穿隔膜或温度较高时，隔膜发生收缩破裂，就会使电池正负极发生短路，情况严重时会造成安全事故。⑤高温失效:高温可以来自外部原因，也可以来自内部的短路、电化学与化学放热反应等。在高温下，电池内部会出现一系列不良反应，如SEI膜分解、高活性的正、负极材料与电解液发生反应、锂盐自分解、正极释氧、电解液反应等，这些反应有可能导致电池热失控。电解液的热不稳定性、易燃性是引发液态锂离子电池热失控的主要原因，而电解液作为液态锂离子电池的必须材料，导致液态锂离子电池无法从根本上解决安全问题。

固态电池能够实现更高的能量密度：对于锂离子电池来讲，如何安全的提升其能量密度是行业重点关注的问题。采用金属锂负极是提升电池能量密度的方案之一，金属锂的比容量为3,860mAh/g，电化学势为-3.04V(vs标准氢电极)，是一种非常理想的锂电池负极材料。然而锂金属负极材液态锂离子电池应用中出现较为严重的安全问题，这是由于金属锂负极在电池循环过程中会产生锂枝晶，锂枝晶在循环过程中不段沉积，最终刺穿隔膜，造成正负极短路，引发严重的起火爆炸事故。相比较液态锂离子电池，固态电池采用机械性能更好的无机陶瓷材料作为电解质，能够抑制锂枝晶生长，同时可以避免热收缩等问题，使锂金属负极在电池中的应用成为可能，大幅提升电池的能量密度。此外，在全固态电池中只存在锂离子的迁移，不存在形成SEI膜之类的副反应，提高了库伦效率，增强了循环寿命。

固态电池有望改善电池本征安全问题：电解液的燃烧是引发电池热失控一个重要因素，因此开发出不易燃或不燃电解质成为解决电池安全问题的手段之一。相比较液态锂离子电池，固态锂电池其使用不可燃、无腐蚀、不挥发、不漏液的电解质，克服了传统液态锂离子电池中电解液泄漏、电极短路等现象，大大降低了热失控的发生概率，具有较高的安全性。同时，固态电解质的绝缘性可以较好的将电池正极与负极阻隔，避免正负极产生短路，也充当了传统电池中隔膜的功能。根据相关研究，氧化物、硫化物、聚合物固态电解质的热失控初始温度均远高于液态锂离子电池隔膜融化温度，有望从本质上改善电池安全性能。

固态电池界面问题是未来应用关键：固态电池界面稳定性将严重影响电池的电化学性能和安全性，其界面挑战主要体现在正极/电解质界面、负极/电解质界面和电解质晶粒之间的稳定性。界面问题大致可以分为物理机械稳定性、化学稳定性、电化学稳定性和热稳定性。全固态电池中的物理机械稳定性不佳会导致电极/电解质界面处产生结构应力，随着电化学循环的进行，结构应力不断累加，最终影响电池的电化学性能。因此如何解决好固态电池中的界面问题成为固态电池能否大规模应用的关键，通过构建润湿性良好，电子电导率低和机械强度优异的界面层来改善界面问题。

固态电池根据是否含电解液可以分为半固态电池和全固态电池：构筑浸润性良好的界面层能够改善固态电池性能。通过在固态电池中添加一定比例的电解液能够降低界面阻抗，提升固态电池性能。根据固态电池中电解液的添加比例，固态电池可分为半固态、准固态、全固态三类，其中半固态电池电解液含量在10%以下，而全固态电池不含电解液。随着固态电池中液态电解液添加量逐步减少，固态电解质含量增加，电池的能量密度和安全性能够得到提升。固态电池未来市场空间广阔：基于固态电池在能量密度和安全性等方面的优势，其出货量和市场空间有望保持高速增长。根据中商情报网预测的数据，预计到2030年中国固态电池出货量将达251.1GWh，市场空间有望达到200亿元，未来市场空间广阔。

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