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2025年全球固態(tài)電池行業(yè)概述、優(yōu)勢及技術路線與進展調研報告
來源:研精畢智調研報告網(wǎng) 時間:2025-04-24

隨著全球對清潔能源的需求不斷增長以及環(huán)保意識的日益增強,新能源產(chǎn)業(yè)迎來了前所未有的發(fā)展機遇。固態(tài)電池作為一種具有高能量密度、高安全性和長循環(huán)壽命等顯著優(yōu)勢的新型電池技術,被廣泛認為是未來電池技術發(fā)展的重要方向,有望成為推動能源轉型和產(chǎn)業(yè)升級的關鍵力量。

一、固態(tài)電池行業(yè)概述?

1、定義與原理?

固態(tài)電池是一種使用固體電極和固體電解質的電池,與傳統(tǒng)的液態(tài)電解質電池不同,固態(tài)電池在充放電過程中,鋰離子在固體電解質中遷移,實現(xiàn)電荷的存儲和釋放。傳統(tǒng)鋰電池由正極、負極、液態(tài)電解質和隔膜組成,而固態(tài)電池則采用固態(tài)電解質替代了液態(tài)電解質和隔膜,使得電池內(nèi)部結構更加緊湊,安全性更高。在充電過程中,鋰離子從正極脫嵌,通過固體電解質遷移到負極并嵌入其中;放電時,鋰離子則從負極脫嵌,經(jīng)過固體電解質回到正極。這種離子遷移過程在固體電解質中進行,相較于液態(tài)電解質,具有更高的穩(wěn)定性和安全性,能有效避免因液態(tài)電解質泄漏引發(fā)的安全隱患,同時也為提升電池的能量密度提供了可能。

2、發(fā)展歷程?

根據(jù)北京研精畢智信息咨詢調研,固態(tài)電池的發(fā)展歷程可以追溯到 20 世紀初,1831 - 1834 年,Michael Faraday 發(fā)現(xiàn)了固體電解質硫化銀和氟化鉛,為固態(tài)離子學奠定了基礎 ,但在當時,相關技術并未得到進一步的發(fā)展和應用。直到 20 世紀中葉,隨著材料科學的不斷進步,人們開始對固態(tài)電池展開深入研究,多種電化學體系曾使用銀離子固體電解質,但存在內(nèi)阻高、能量密度低、電壓低等主要問題。1969 年,Liang 等首次報道了一種薄膜型全固態(tài)鋰離子電池,采用 LiI 作為電解質。不久,另一種基于 LiI 的全固態(tài)薄膜電池實現(xiàn)商業(yè)化,并成功用于心臟起搏器,但當時的電池為一次電池,無法充電,且絕對容量較低,難以廣泛應用。?

1983 年,日本東芝公司宣布開發(fā)了一款可實用的二次薄膜電池 Li/Li3.6Si0.6P0.4O4/TiS2,該電池在 3μA/cm² 的電流密度下單位面積容量可達到 150μA?h/cm²,隨后,人們逐漸開始研究無機全固態(tài)薄膜鋰電池,日本 NTT、美國 Union Carbide 等公司也相繼報道了各自的進展。1992 年,美國橡樹嶺國家實驗室的 Bates 等成功研制出一種無機固態(tài)薄膜電解質 LiPON,并推出多種薄膜鋰電池的正負極體系,如 Li/LiPON/LiCoO2、SiTON/LiPON/LiCoO2、Li/LiPON/LiMn2O4 等,電池工作在 2 - 5V 范圍,工作電流密度可達 10mA/cm²,且表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性能(10000 次),該實驗室與 ITN 公司合作推出商業(yè)化的薄膜鋰電池,推動了全固態(tài)薄膜鋰電池的研究。?

進入 21 世紀,隨著電動汽車和移動電子設備等領域對電池性能要求的不斷提高,固態(tài)電池技術再次成為研究熱點,各大汽車廠商和開發(fā)商開始對固態(tài)電池技術產(chǎn)生越來越大的興趣,投入大量資源進行研發(fā),眾多科研機構和企業(yè)在固態(tài)電解質材料、電池結構設計等方面取得了一系列重要突破。2016 - 2019 年期間,固態(tài)電池專利增長率為 45%,且全球有幾十家企業(yè)機構投身固態(tài)電池技術的研發(fā)。截至 2023 年,具有潛力的固態(tài)電解質材料包含聚合物、硫化物和氧化物。2024 年 4 月,重慶太藍新能源公司成功研發(fā)并制造出全球首款符合車規(guī)標準的全固態(tài)鋰金屬電池,其單體容量達到了創(chuàng)紀錄的 120Ah,經(jīng)實測其能量密度高達 720Wh/Kg,一舉刷新了體積型鋰電池在單體容量和能量密度方面的全球紀錄。2024 年 10 月,北京純鋰新能源科技公司投資建設的中國首條全固態(tài)鋰電池量產(chǎn)線正式投產(chǎn)。?

二、固態(tài)電池行業(yè)優(yōu)勢?

1、安全性大幅提升?

據(jù)研精畢智信息咨詢發(fā)布的調研報告指出,固態(tài)電池在安全性方面相較于傳統(tǒng)液態(tài)電池有著顯著的提升,傳統(tǒng)液態(tài)電池采用液態(tài)電解質,這種電解質具有易燃性,一旦電池發(fā)生碰撞、過熱或短路等情況,液態(tài)電解質容易泄漏并引發(fā)起火、爆炸等嚴重安全事故。熱失控是傳統(tǒng)液態(tài)電池安全事故的主要原因之一,當電池內(nèi)部溫度過高時,負極 SEI 膜分解,繼而隔膜分解熔化,導致負極與電解液發(fā)生反應,隨之正極和電解質發(fā)生分解,引發(fā)大規(guī)模的內(nèi)短路,造成電解液燃燒,進而蔓延到其他電芯,造成嚴重的熱失控。?

而固態(tài)電池使用固態(tài)電解質代替液態(tài)電解質,固態(tài)電解質具有不可燃、無腐蝕、無揮發(fā)等特性,從根本上消除了液態(tài)電解質泄漏帶來的安全隱患。同時,固態(tài)電解質還能夠抑制鋰枝晶的生長。在傳統(tǒng)液態(tài)電池中,鋰枝晶在充放電過程中可能會逐漸生長并刺穿隔膜,導致正負極短路,引發(fā)安全問題。而固態(tài)電解質的高機械強度和穩(wěn)定性可以有效阻擋鋰枝晶的生長,降低短路風險,從而大幅提升電池的安全性。例如,在針刺試驗中,傳統(tǒng)液態(tài)電池往往會出現(xiàn)起火、爆炸等劇烈反應,而固態(tài)電池則能夠保持穩(wěn)定,不會發(fā)生起火、爆炸等危險情況,這充分展示了固態(tài)電池在安全性方面的巨大優(yōu)勢。?

2、能量密度顯著提高?

能量密度是衡量電池性能的重要指標之一,它直接關系到電子設備或電動汽車的續(xù)航能力。固態(tài)電池在能量密度方面具有明顯的優(yōu)勢,能夠顯著提高設備的續(xù)航表現(xiàn)。傳統(tǒng)的液態(tài)鋰離子電池能量密度通常在 200 - 300Wh/kg 左右,而固態(tài)電池理論上的能量密度可達 400 - 600Wh/kg,甚至更高。?

固態(tài)電池能量密度提升的原因主要有以下幾點:一方面,固態(tài)電解質的使用使得電池內(nèi)部結構更加緊湊,在相同體積或重量下,可以容納更多的活性物質,從而提高了能量密度。另一方面,固態(tài)電池可以適配更高比容量的正負極材料,如硅基、鋰金屬負極等。以硅基負極為例,其理論容量高達 3580mAh/g,遠高于石墨負極的 372mAh/g。這些高比容量材料的應用,為提升電池能量密度提供了有力支持。此外,固態(tài)電池電芯內(nèi)部可實現(xiàn)先串聯(lián)后封裝,減少了封裝材料的使用,進一步提高了電池的能量密度。?

眾多汽車制造商已經(jīng)開始積極研發(fā)和應用固態(tài)電池技術,以提升電動汽車的續(xù)航里程。奔馳與美國電池初創(chuàng)公司 Factorial Energy 共同開發(fā)的新型固態(tài)電池 Solstice,能量密度高達 450Wh/kg,預計可使電動汽車續(xù)航能力提升 80%,續(xù)航里程達到 1000km。智己 L6 搭載的第一代光年固態(tài)電池,電量達磷酸鐵鋰的 160%以上,可實現(xiàn)超 1000km 續(xù)航。這些案例充分展示了固態(tài)電池在提升能量密度和續(xù)航里程方面的巨大潛力,有望為電動汽車行業(yè)帶來新的突破和發(fā)展。?

3、循環(huán)壽命長?

循環(huán)壽命是指電池在一定的充放電條件下,能夠保持一定容量的充放電次數(shù)。固態(tài)電池在循環(huán)壽命方面表現(xiàn)出色,相較于傳統(tǒng)液態(tài)電池,具有更長的使用壽命。傳統(tǒng)液態(tài)電池在充放電過程中,由于鋰離子在正負極之間的反復嵌入和脫出,會導致電極材料的結構逐漸發(fā)生變化,同時電解液也會逐漸分解,這些因素都會導致電池容量逐漸衰減,循環(huán)壽命縮短。一般來說,傳統(tǒng)液態(tài)電池的循環(huán)壽命在 1000 - 2000 次左右。?

而固態(tài)電池使用固態(tài)電解質,避免了液態(tài)電解質的分解問題,同時固態(tài)電解質與電極材料之間的界面穩(wěn)定性更好,能夠有效抑制電極材料的結構變化,從而減少電池容量的衰減,延長循環(huán)壽命。例如,哈工大潘欽敏教授通過在丁二腈基電解質中引入聚(2 - 丙烯酰胺基 - 2 - 甲基丙磺酸鋰)(PAMPSLi) 分子刷來實現(xiàn)丁二腈的構象反轉,穩(wěn)定陽極 / 電解質界面,使用這種電解質組裝的固態(tài) Li||LiFePO4 電池展示出 115.0mAh/g 的放電比容量和相當長的循環(huán)壽命(在 3C 下循環(huán) 1500 次)。衛(wèi)藍新能源的固態(tài)電池 SHS165 - 280 循環(huán)壽命長達 6000 次。?

固態(tài)電池循環(huán)壽命長的優(yōu)勢在實際應用中具有重要意義。對于電動汽車來說,更長的循環(huán)壽命意味著電池更換的頻率降低,從而降低了使用成本,提高了車輛的經(jīng)濟性和實用性。對于儲能系統(tǒng)等其他應用領域,長循環(huán)壽命的固態(tài)電池也能夠減少設備的維護和更換成本,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。?

4、工作溫度范圍廣?

固態(tài)電池在工作溫度范圍方面具有明顯的優(yōu)勢,能夠在更廣泛的溫度條件下穩(wěn)定工作。傳統(tǒng)液態(tài)電池的工作溫度范圍相對較窄,一般在 - 20℃ - 60℃之間。在低溫環(huán)境下,液態(tài)電解質的粘度會增加,鋰離子的遷移速度變慢,導致電池的內(nèi)阻增大,容量降低,充放電性能變差。在高溫環(huán)境下,液態(tài)電解質容易揮發(fā)、分解,加速電池的老化和性能衰減,甚至可能引發(fā)安全問題。?

而固態(tài)電池由于使用固態(tài)電解質,其物理和化學性質相對穩(wěn)定,受溫度影響較小。固態(tài)電解質在低溫下不會出現(xiàn)粘度增加的問題,鋰離子仍然能夠保持較快的遷移速度,使得電池在低溫環(huán)境下仍能保持較好的充放電性能和容量。在高溫環(huán)境下,固態(tài)電解質也不會揮發(fā)、分解,能夠有效避免電池性能的快速衰減和安全隱患。例如,武漢未來院郭新團隊研發(fā)的固態(tài)電池采用高安全性的固體材料,從零下 40℃到 120℃都能正常工作。鵬輝能源第一代固態(tài)電池在 - 20℃ - 85℃溫度環(huán)境,均可穩(wěn)定充放電循環(huán),實現(xiàn)了極端環(huán)境下正常工作,適用于極寒到酷暑各種復雜氣候。?

固態(tài)電池工作溫度范圍廣的優(yōu)勢使其在許多特殊環(huán)境和應用場景中具有更大的優(yōu)勢。在極地、沙漠等極端氣候條件下使用的電子設備和電動汽車,固態(tài)電池能夠更好地適應環(huán)境溫度變化,保證設備的正常運行。在航空航天、軍事等領域,對電池的工作溫度范圍和穩(wěn)定性要求極高,固態(tài)電池的出現(xiàn)為這些領域的設備提供了更可靠的能源解決方案。

三、固態(tài)電池行業(yè)技術路線與進展?

1、主流技術路線?

目前,固態(tài)電池的研發(fā)主要聚焦于聚合物電解質、氧化物電解質和硫化物電解質這三條主流技術路線,它們在性能、制備工藝和應用前景等方面各有優(yōu)劣。?

2、聚合物電解質?

聚合物電解質具有良好的機械性能,質地柔軟且富有彈性,能夠適應電池在不同工況下的形變,有效避免因電池內(nèi)部應力集中而導致的結構損壞,為電池的長期穩(wěn)定運行提供了保障。此外,聚合物電解質在工藝兼容性方面表現(xiàn)出色,與現(xiàn)有的電池制造工藝和設備具有較高的適配性,這使得電池生產(chǎn)企業(yè)在采用聚合物電解質時,無需對現(xiàn)有生產(chǎn)線進行大規(guī)模改造,從而降低了生產(chǎn)成本和技術門檻,有利于快速實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。?

然而,聚合物電解質也存在一些明顯的缺點,其中最為突出的是室溫離子電導率較低。在室溫條件下,聚合物電解質的離子電導率通常在 10?? - 10??S/cm 之間,這遠遠低于液態(tài)電解質的離子電導率(10?² - 10?¹S/cm),導致電池的充放電速度較慢,無法滿足一些對快速充放電性能要求較高的應用場景。為了解決這一問題,研究人員采取了多種改進措施,如對聚合物基體進行改性,引入特殊的官能團或結構,以提高聚合物的離子傳導能力;添加增塑劑,降低聚合物的結晶度,增加離子的遷移率;與無機納米粒子復合,利用無機粒子的高離子傳導性和特殊界面效應,協(xié)同提高電解質的離子電導率。?

3、氧化物電解質?

氧化物電解質具有較高的化學穩(wěn)定性,在空氣中不易與水分和氧氣發(fā)生反應,能夠有效避免電解質的分解和性能劣化,保證電池在不同環(huán)境條件下的長期穩(wěn)定性。同時,氧化物電解質還具有較高的機械強度,能夠有效抑制鋰枝晶的生長。在電池充放電過程中,鋰枝晶的生長可能會導致電池短路和安全事故,而氧化物電解質的高機械強度可以提供足夠的阻力,阻止鋰枝晶的穿透,提高電池的安全性。?

但是,氧化物電解質也面臨著一些挑戰(zhàn)。首先,其離子電導率相對較低,尤其是在室溫下,離子電導率一般在 10?? - 10??S/cm 之間,這在一定程度上限制了電池的充放電性能和倍率性能。其次,氧化物電解質通常硬度較高,在與電極材料復合時,難以形成良好的界面接觸,導致界面阻抗較大,影響電池的整體性能。為了克服這些問題,研究人員通過優(yōu)化制備工藝,如采用溶膠 - 凝膠法、脈沖激光沉積法等,精確控制氧化物電解質的微觀結構和組成,以提高離子電導率;同時,開發(fā)新型的界面修飾技術,在氧化物電解質與電極之間引入緩沖層或進行表面改性,改善界面接觸,降低界面阻抗。?

4、硫化物電解質?

硫化物電解質在眾多固態(tài)電解質中具有顯著的性能優(yōu)勢,其最突出的特點是具有極高的離子電導率。在室溫下,一些硫化物電解質的離子電導率可以達到 10?³S/cm 數(shù)量級,甚至更高,接近或超過液態(tài)電解質的離子電導率水平。這使得硫化物固態(tài)電池在充放電過程中能夠實現(xiàn)快速的離子傳輸,具備出色的充放電性能和高倍率性能,能夠滿足電動汽車等對電池性能要求苛刻的應用場景。此外,硫化物電解質具有較好的機械加工性能,能夠通過熱壓、溶液澆注等多種方法制備成不同形狀和厚度的電解質膜,便于與電極材料進行集成,有利于實現(xiàn)電池的小型化和規(guī)模化生產(chǎn)。而且,硫化物電解質與電極材料之間能夠形成良好的界面接觸,有效降低界面電阻,進一步提高電池的性能。這些優(yōu)勢使得硫化物電解質在全固態(tài)電池中展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?,被廣泛認為是未來固態(tài)電池技術的重要發(fā)展方向之一。?

然而,硫化物電解質也存在一些亟待解決的問題。其化學穩(wěn)定性較差,容易與空氣中的水分和氧氣發(fā)生反應,生成有毒的硫化氫氣體。這不僅會影響電池的性能和壽命,還對生產(chǎn)、儲存和使用環(huán)境提出了極高的要求,增加了成本和安全風險。此外,硫化物電解質與鋰金屬負極之間的界面反應較為劇烈,在充放電過程中,界面處容易形成不穩(wěn)定的界面層,導致電池性能下降。針對這些問題,研究人員致力于開發(fā)新型的封裝材料和技術,提高硫化物電解質的抗環(huán)境干擾能力;同時,通過界面修飾和優(yōu)化電極材料,改善硫化物電解質與鋰金屬負極之間的兼容性,抑制界面反應,提升電池的穩(wěn)定性和循環(huán)壽命。?

5、技術進展與突破?

近年來,固態(tài)電池在關鍵性能指標方面取得了一系列令人矚目的突破,這些進展為固態(tài)電池的商業(yè)化應用奠定了堅實的基礎。?

在能量密度方面,眾多科研機構和企業(yè)不斷探索創(chuàng)新,取得了顯著成果。贛鋒鋰業(yè)開發(fā)的固態(tài)電池能量密度達到 420Wh/kg,循環(huán)壽命超過 700 次,并成功研制出能量密度 500Wh/kg 的樣品。奔馳與美國電池初創(chuàng)公司 Factorial Energy 共同開發(fā)的新型固態(tài)電池 Solstice,采用鋰金屬負極、硫化物固態(tài)電解質,能量密度高達 450Wh/kg ,預計可使電動汽車續(xù)航能力提升 80%,續(xù)航里程達到 1000km。這些高能量密度的固態(tài)電池,不僅能夠滿足電動汽車長續(xù)航的需求,還為航空航天、無人機等領域的發(fā)展提供了更強大的能源支持。?

循環(huán)壽命是衡量電池性能的另一個重要指標,也有了明顯的提升。哈工大潘欽敏教授通過在丁二腈基電解質中引入聚(2 - 丙烯酰胺基 - 2 - 甲基丙磺酸鋰)(PAMPSLi) 分子刷來實現(xiàn)丁二腈的構象反轉,穩(wěn)定陽極 / 電解質界面,使用這種電解質組裝的固態(tài) Li||LiFePO4 電池展示出 115.0mAh/g 的放電比容量和相當長的循環(huán)壽命(在 3C 下循環(huán) 1500 次)。衛(wèi)藍新能源的固態(tài)電池 SHS165 - 280 循環(huán)壽命長達 6000 次。循環(huán)壽命的延長,降低了電池的更換頻率和使用成本,提高了電池的經(jīng)濟性和實用性,使得固態(tài)電池在儲能系統(tǒng)、電動汽車等領域的應用更加可行和可持續(xù)。?

除了能量密度和循環(huán)壽命,固態(tài)電池在其他關鍵性能指標上也有突破。武漢未來院郭新團隊研發(fā)的固態(tài)電池采用高安全性的固體材料,從零下 40℃到 120℃都能正常工作 ,解決了傳統(tǒng)電池在極端溫度環(huán)境下性能下降的問題,拓寬了固態(tài)電池的應用場景。鵬輝能源第一代固態(tài)電池在 - 20℃ - 85℃溫度環(huán)境,均可穩(wěn)定充放電循環(huán),實現(xiàn)了極端環(huán)境下正常工作,適用于極寒到酷暑各種復雜氣候。這些技術突破,使得固態(tài)電池在性能上逐漸接近甚至超越傳統(tǒng)液態(tài)電池,為其大規(guī)模商業(yè)化應用帶來了曙光。隨著技術的不斷進步和創(chuàng)新,固態(tài)電池有望在未來能源領域發(fā)揮更加重要的作用,推動電動汽車、儲能等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

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