未来能源存储的困境：如何应对半固态到全固态电池技术的挑战？
科技进步不断推动电池技术的革新。从半固态到全固态电池的演变，预示着能源存储的未来。目前固态电池被认为是电池“终极形态”，市场前景广阔。那么又面临着哪些技术挑战？
固态电池技术的进化之路
锂离子电池的局限性：锂离子电池已接近其理论能量密度上限，且存在安全隐患，限制了其进一步发展。
安全性问题，低温性能差，过充和过放能力差，管理系统复杂，电池成本较高，回收率问题
锂离子电池的容量会随使用次数和温度的变化而缓慢衰退，这也是其一个明显的局限性。为了延长锂离子电池的使用寿命，建议定期充放电、避免过度充电、保持适宜的温度和存储条件。
半固态电池的兴起：主要得益于其独特的优势以及电池技术发展的需求，结合了固态和液态电池的特性，已在高性能电动汽车等领域显示出其潜力。采用了特殊的电极设计和电解质配方，使得电池的能量密度更高、充电速度更快、安全性更好；还具有更长的循环寿命和更低的自放电率，这些优势使得半固态电池在电动汽车领域具有广阔的应用前景。
随着新能源汽车市场的快速发展和消费者对续航里程、充电速度等需求的不断提升，对电池技术的要求也越来越高。
全固态电池的革新：全固态电池作为一种革新性的电池技术，以其更高的能量密度、更好的安全性能以及更长的使用寿命，被视为电池技术的未来发展方向，在未来成为电池领域的主流技术之一。
全固态电池的优势
固态电池能量密度高于传统液态锂电池。相比传统液态锂电池能量密度200-300Wh/kg，固态电池采用固态电解质，固态电解质比电解液拥有更高的能量密度，目前最高已达到500h/kg。相同体积的情况下，固态电池能提供的能量更多，电池的体积也更小。此外，全固态电池可以使用金属锂做负极，可以满足更高的能量密度需求。
固态电池具有更高的安全性。传统锂离子电池的电解液有泄露的风险，且在温度过高时有自燃和爆炸的危险。固态电解质热稳定性好、不易燃、不易爆，没有液体泄露的风险，且由于固态电解质化学活性较稳定，受环境温度影响较小，因而在碰撞和挤压等情况下稳定性更高，起火概率不到传统锂电池二十分之一，是解决安全性问题的根本方法。
固态电池具有更高的机械强度与稳定性。固态电池与传统液态电池最大的区别就是电解液的形态，固态电池将电解液全部或部分升级为固态电解质，从而具备更高的机械强度与稳定性。
固态电池的技术难点有哪些？
固态电解质离子输运机制、锂金属负极锂枝晶生长机制、多场耦合体系失控失效机制为固态电池发展面临的三大核心问题，
固态电池电解质综合性能难以平衡。氧化物电解质电化学窗口范围较大，但界面接触较差；聚合物电解质界面接触较好，但离子电导率及化学稳定性较差；硫化物电解质的离子电导率较好，但化学稳定性较差；卤化物电解质电化学窗口范围较大，界面接触较好，但力学性能较差。
全固态电池的瓶颈主要在较慢的充放电速度和较快的容量衰减。离子电导率是提高全固态电池充放电速度的关键，固态电解质中的离子输运性能由离子在体相、表界面中的输运过程共同决定。相比液态电解质，固态电解质离子间相互作用力强，离子迁移能垒是液体的十倍以上，离子电导率低。
高机械强度的固态电解质仍难以完全抑制锂枝晶生长、实现锂金属均匀沉积。研究表明高剪切模量的无机固态电解质也不能完全阻止锂枝晶在固态电解质中渗透,锂枝晶仍是阻碍全固态电池实际应用的重要因素。如氧化物固态电解质剪切模量为锂金属剪切模量十倍以上（50GPa以上），锂枝晶生长依旧可能导致固态电池短路。
固-固界面接触导致稳定性降低是电池失效主要原因。在物理接触方面，不同于固-液的“软”接触，固-固接触是很难充分贴合的“硬”接触，这直接造成了在全固态电池中锂离子通道的减少和应力堆积的问题，且固-固界面容易接触不良，多次接触后容易导致接触失效；在化学接触方面，Li 容易与固态电解质接触后迅速发生反应并扩散至电解质内部，造成电解质表面快速分解。
国内外固态电池产业发资情况
国内固态电池产业化进展：截至2023年底，国内固态电池的产能规划已接近400GWh。2023年，国内共有15个固态电池项目扩产，投资总额超过千亿元。例如，PowerCo公司与QuantumScape合作开发的固态电池能实现充放电1000次，电池容量剩余95%
技术挑战：固态电池面临的主要技术挑战包括固态电解质导致的低电导率、固-固界面稳定性差，以及高科技电极新材料生产难度大且价格高昂。此外，全固态电池的充放电速度较慢和容量衰减较快也是技术难题 。
产业链分析：固态电池产业链包括上游的各种矿资源等原材料，中游为正极、负极、固态电解质等关键材料及制造环节，下游为消费、动力、储能等各领域应用场景。例如，氧化物固态电解质的原材料包括二氧化锆、硝酸锆、碳酸锆等，而锗是硫化物固态电解质的重要原材料 3 。
市场前景：预计到2025年，固态电池技术将实现商业化。到2029年，中国固态电池出货量预计将超过100GWh。固态电池将率先在动力电池、消费电池、储能等领域得到应用，到2030年，在上述三大领域的整体渗透率将达到8.8%左右 。
半固态电池的发展：2023年，国内半固态电池出货量突破GWh级别，正式开启产业化进程。例如，卫蓝新能源的半固态电池装车量达0.8GWh，主要搭载在蔚来汽车。预计到2024年，国内搭载（半）固态电池上市的新车型将超过5款，出货量有望迈向5GWh级别 。
国内固态电池产业化进程加速。初创公司以卫蓝新能源、清陶能源，恩能动力为代表，传统锂电巨头以宁德时代、赣锋锂业、孚能科技为代表均加快固态电池研发进度。其中孚能科技、卫蓝新能源、赣锋锂业半固态电池产品已实现装车发布，众多厂商半固态电池产品具备量产能力；亿纬锂能、恩力动力在全固态电池进度领先。GGII预计2024年固态电池（半）有望实现大规模装车，全年装机量有望超过5GWh。
产品能量密度创新高，最高可达500Wh/kg。清陶能源第二代产品正在小试阶段，液体含量小于5%，能量密度达到400-500Wh/kg。赣锋锂业二代混合固态锂电池采用三元正极，固态隔膜和金属锂负极，能量密度可以达到400Wh/kg以上。宁德时代在2023年4月发布全新超高能量密度凝聚态电池产品，该电池将首先应用于民用电动载人飞机项目的合作开发，其中飞机用电池能量密度达500Wh/kg。
半固态电池率先实现装车，固态电池最早25年实现量产。半固态电池由于可沿用现有液态锂产业链的优势，23年率先在国内落地并实现小批量装车。2023年12月17日，搭载150kWh半固态电池的蔚来ET7进行续航里程测试，最终行驶1044公里，电池电量剩余3%，证明了半固态电池的潜力。目前国内车企巨头均通过自研或绑定电池厂，提前布局固态电池技术。蔚来、赛力斯、上汽、东风等车企与电池厂合作，已实现装车或有装车计划；比亚迪、长安、广汽等车企自研技术均有突破，最早预计25年开始量产。
固态电池产能加快落地，固态电解质供应存在缺口。国内固态电池的产能规划已接近400GWh，2023年落地产能约9.4GWh。而所需固态电解质23年产能未达万吨，主要来源于天目先导与蓝固新能源。我们认为未来固态电池将由投资阶段转入生产阶段，固态电解质研发将加速落地，有望持续保持高景气度。
国外固态电池的发展得益于政府的支持，技术上处于领先地位，并有望在2030年实现全固态电池的商业化。
技术路线与政府支持：国外的固态电池研发得到了政府的支持和高补贴，整体布局领先。例如，日韩企业主要在硫化物技术路线上进行布局，而欧美企业则更多采用氧化物和聚合物技术路线。美国在固态电池领域的布局则更为全面，涵盖了多种技术路线
技术优势与应用前景：固态电池相比传统液态锂电池具有更高的能量密度和更好的安全性。固态电解质的热稳定性好，不易燃，不易爆，没有液体泄露的风险，且受环境温度影响较小，因此在碰撞和挤压等情况下稳定性更高。此外，固态电池具有更高的机械强度和稳定性 。
经济性挑战：目前固态电池的成本较高，部分原因是原材料未实现量产和高科技电极新材料的生产难度大。例如，采用石墨负极的硫化物固态电池材料成本最高，达到137.9美元/kWh，远高于传统锂电池的93.2美元/kWh。但采用锂负极可以大幅降低固态电池的成本，提升产品竞争力。
发展趋势：固态电池技术的发展和应用将按照“固态电解质→新型负极→新型正极”的顺序进行升级。核心在于引入新材料体系，例如负极材料将从石墨向硅基负极、锂负极升级，正极材料将从高镍三元向更高电压、更高镍含量的三元材料升级 。
企业进展：美国企业如Solid Power、Factorial Energy、Quantum Scape，韩国企业如LG新能源、三星SDI、SK On，以及日本企业如丰田等，都在固态电池领域取得了显著进展。这些企业在技术研发、产能建设、合作开发等方面均有显著动作，预示着固态电池技术的快速发展和商业化进程。
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