每經記者：朱成祥 黃鑫磊 每經編輯：文多
固态電池輕松續航1000公裡，燃油車的末日來了嗎？
2023年6月，北京衛藍新能源科技有限公司（以下簡稱衛藍新能源）宣布360Wh/kg锂電池電芯正式傳遞蔚來汽車；2024年3月25日，上汽旗下智己汽車披露，行業首個準900V超快充固态電池即将量産上車；4月2日，太藍新能源也宣布，在“車規級全固态锂電池”的研發方面取得重大進展，成功制備出實測能量密度達到720Wh/kg的超高能量密度體型化全固态锂金屬電池。
據蔚來創始人李斌實測，150kWh（即150度電）電池包行駛距離達1044公裡。據悉，該電池包的電芯能量密度為360Wh/kg，電池包能量密度為260Wh/kg。
李斌實測直播畫面 圖檔來源：視訊截圖
若720Wh/kg能量密度電芯真的量産，或許2000公裡續航也不是夢。不過，目前固态電池需要使用多種新型材料，底層材料學問題尚待解決。此外，還存在生産工藝不成熟、産業鍊配套需降低成本等問題。
固态電池概念受熱捧
實際上，目前各大廠商推出的固态電池，大多為固态、液态混合電池，或稱半固态電池。盡管仍未達到全固态，但半固态電池的推出仍然意義非凡。
此前，動力電池廠商技術提升主要展現在結構優化領域。不管是刀片電池、短刀片電池，還是CTB（電池車身一體化）、4680電池，主要是電池包層面結構優化，而非電芯層面能量密度提升。
而固态、半固态電池，是真正通過化學材料的改變，提升能量密度、改進安全性能等方面。
從液态電池走向固态、半固态，最核心是電解質的改變。4月7日，孚能科技（SH688567，股價12.62元，市值154.23億元）研究院固态組專家對《每日經濟新聞》記者表示：“半固态或固态是指電解質從液态向固态化發展的技術路線，随着液态電解液用量的減少，锂離子電池的安全性得到大幅提升，也讓更高能量密度材料體系的應用成為可能。”
4月7日，鑫椤資訊主編呂真真在微信上對《每日經濟新聞》記者表示：“固态電池體系包括聚合物體系、氧化物體系、硫化物體系、鹵化物體系和複合電解質體系。目前行業内主流是前三者。”
當下資本市場熱炒的三祥新材（SH603663，股價19.86元，市值84.21億元），就屬于氧化物體系。3月25日至4月3日，三祥新材區間漲幅達85.09%。
據了解，三祥新材主要業務為锆系制品、鑄造改性材料等工業新材料的研發、生産和銷售，主要産品為電熔氧化锆、海綿锆、氧氯化锆及特種陶瓷等。
氧化物體系中，锂镧锆氧（LLZO）由氫氧化锂、氧化镧、氧化锆混合燒結而成。對于公司是否向固态/半固态電池廠商供應氧化锆等電解質材料，記者4月7日緻電三祥新材，從業人員回複稱：“目前我們（锆基材料）隻有送樣。”對于具體送樣哪些固态電池廠商，是否送樣衛藍新能源、清陶能源等，其表示“無法告知”。
同樣被熱炒的，還有老牌正極材料廠商當升科技（SZ300073，股價42.1元，市值213.24億元）。3月25日至4月3日，當升科技區間漲幅達24.37%。
據當升科技2023年年報，公司在固态锂電正極材料商業化應用方面走在了行業前列，超高鎳産品銷量同比實作數倍增長，年内累計出貨數百噸，持續提升在“輝能”、“清陶”、衛藍新能源、贛鋒锂電等固态電池客戶的供應份額，并成功配套用于上汽集團（SH600104，股價15.35元，市值1776.81億元）、VinFast（越南車企）等全球一線車企固态車型上。
固态電池：“安全不爆炸、能量密度大”
據乘聯會資料，2024年3月，新能源車在零售市場滲透率超過40%。盡管如此，新能源車仍然因為起火、自燃、冬季續航焦慮、電池老化等問題為一些人诟病。
但若固态電池成功量産，上述很多問題将得以解決。孚能科技研究院固态組專家認為：“目前所使用的有機液态電解質在锂離子電池充放電過程中會不可避免地發生副反應，影響锂離子電池的使用壽命；同時，液态電解質中的有機溶劑具有易燃性和高腐蝕性，抗氧化性較差，是以存在熱失控的風險。”
對于固态電池相對液态電池的優勢，其表示：“首先是安全性的提升。隻有在實作本征（物質本身的特征）安全的基礎上才可以應用高電壓正極和锂金屬負極等高性能材料，最終達成更高能量密度的目标，取得性能與成本的兼顧，才能制造出滿足TWh（億千瓦時）時代需求的動力電池。”
呂真真表示：“理論上，固态、半固态電池有以下幾個方面的優勢：固态電解質更耐高溫，可拓寬工作溫度（區間），無需添加冷卻子系統；固态電解質無可燃液态電解液，可提高使用的安全性；固态電池可簡化封裝、冷卻系統，實作電芯内部的串聯結構，提升體積能量密度。”
太藍新能源研發進展 圖檔來源：微信文章截圖
是以，呂真真認為：“基于這些優勢，也就意味着固态、半固态在應用方面可以在較大倍率下進行充放電，縮短充電時間，提高功率輸出；可在過充過放、過熱、沖擊、穿刺等極端條件下使用；減少電池組的尺寸和重量提高電池的續航裡程。”
也有投資者把固态電池的優勢總結為“安全不爆炸、能量密度大”。
智慧芽向《每日經濟新聞》記者提供的資料顯示，截至4月7日，全球固态電池相關專利已超過1.5萬件，其中授權發明專利超過5500件。從技術次元看，該領域的專利主要聚焦于固體電解質、正電極、負電極等細分技術領域。
目前，全球在固态電池相關領域布局專利數量（包括取得、在審和失效量）靠前的企業有豐田自動車株式會社、株式會社LG新能源、株式會社村田制作所、現代自動車株式會社、起亞自動車株式會社等。
中國企業在固态電池相關領域布局專利數量靠前的有北京衛藍新能源科技有限公司、蜂巢能源科技股份有限公司（以下簡稱蜂巢能源）、蜂巢能源科技（無錫）有限公司、浙江鋒锂新能源科技有限公司、國聯汽車動力電池研究院有限責任公司等。
圖檔來源：智慧芽提供
而發明人排名分析中，陳少傑、俞會根位列前十。結合上述公司專利布局排名，這兩人或為蜂巢能源固态電池開發部部門總監陳少傑，以及衛藍新能源總經理俞會根。
快充電池能否解決離子電導性問題？
“安全不爆炸、能量密度大”，固态、半固态電池看起來很完美，但在其發展中仍存在不少挑戰。
首先是電解質材料。具體來看，固态、半固态電池由于技術路線的不同，各種電解質技術路線優缺點也不同。呂真真梳理道：
聚合物體系主要使用材料是PEO（聚環氧乙烷）等，其優勢為柔韌性好、品質輕、成本低、易于加工；劣勢為常溫下離子電導率低，電化學視窗窄。歐美企業多采用該體系路線。
氧化物體系主要使用材料是石榴石（Garnet）、鈉離子導體（NASICON）等，其優勢為循環性能良好，電化學穩定性高；劣勢為離子電導率較低，界面接觸性差。國内企業多采用該體系路線。
硫化物體系主要使用的材料是LiGPS、LiSiPS（均為一種硫化物電解質）等，其優勢為離子電導率較高，劣勢為與空氣接觸形成有毒的硫化氫，材料生産對工藝的要求極高，成本較高。目前主要是日韓企業采用該體系路線。
根據東方證券研報，硫化物固态電解質因極高的锂離子電導率受到廣泛關注，如LGPS、LSP-SC（均為一種硫化物電解質）室溫下的離子電導率已與傳統液态電解質媲美。以LGPS為例，其離子電導率為12mS/cm（毫西門子/厘米）。而氧化物體系中，主流為LLZO（一種固态電解質），其離子電導率為0.51mS/cm。可以看出，LLZO的離子電導率大幅低于LGPS。
東方證券表示，電解質的功能是為锂離子在正負極之間傳輸搭建通道，決定锂離子運輸是否順暢的名額被稱為離子電導率。在電極與電解質界面上，傳統液态電解質與正、負極的接觸方式為液-固接觸，界面潤濕性良好，界面之間不會産生大的電阻，而固态電解質與正負極之間以固-固界面接觸，接觸面積小，緊密性較差，離子電導率通常比液态電解質低兩個數量級。這一特性導緻了電池的快充性能受限。
有趣的是，智己汽車聯合清陶能源推出的，卻是接近900V的快充電池。智己汽車表示，采用“超高離子電導率複合固态電解質”，以及行業首創的“幹法固态電解質一體成型”工藝技術。
4月1日，智己汽車聯席CEO劉濤在其微網誌表示：“是時候來給大家介紹一位智己的超級夥伴，那就是：清陶能源。”
劉濤稱：固态電池技術要量産非常非常難，有很多很多材料和工藝方面要突破，但最終，我們與這群中國頂級的人才攻破了難關，聯合開發出第一代固态電池。
圖檔來源：清陶能源官網截圖
據清陶能源官網，其固态電解質材料有氧化物固态電解質粉體、複合固态電解質膜。從介紹可，清陶能源或屬于氧化物電解質路線。而根據上述研報，氧化物電解質離子電導率既低于液态電解質。
對于固态、半固态電池離子電導率較低的問題，孚能科技研究院固态組專家表示：“半固态電解質由于保留少量電解液，可以彌補導電率低和界面接觸差的問題，但活性物質的添加也同時制約了更高能量密度材料體系的應用。從全固體電解質看，原位生長固态電解質包覆層可以有效改善固-固界面接觸，此外還可通過熱壓或冷壓工序減少孔隙率以提高電極的實體接觸。”
固态電池難點：使用正極、負極新材料
除了固态電解質材料，固态、半固體還需使用新的正極、負極材料。
呂真真認為：“首先，來自于底層材料學的問題尚待解決。電解液從液态變成固态不會帶來能量密度的提升。但固态電池體系提供了更高的安全備援度和對新型正負極材料的相性，可以用到更高容量的負極材料或者正極材料。但如果這些材料的膨脹、穩定性、首效等本質問題沒有解決——例如界面阻抗大、離子電導率低、正負極相容性差等，仍然會限制産品級固态電池性能的發揮。”
每日經濟新聞2021年1月的報道曾提到，有業内人士認為：“（半固态電池）由于使用固态電解質，相對液态電解質能量密度肯定是下降的。”
即單純使用固态電解質，電池能量密度反而下降。如要提升能量密度，需要使用能量密度更高的正極、負極材料。
孚能科技研究院固态組專家認為：“目前，由于固态電解質電導率及界面浸潤不如液态電解液，需要增加正極、負極中固态電解質的體積百分比來保證锂離子導電能力。比如硫化物全固态電池的正負極極片需加入一定比例的固态電解質才能保證電性能，會降低活性物質占比并增加極片體積，進而導緻品質能量密度和體積能量密度的下降。”
目前，液态電解質電池使用的是三元正極材料、磷酸鐵锂正極材料、磷酸錳鐵锂正極材料、石墨負極材料。那麼，固态電池又将使用哪些不一樣的材料呢？
孚能科技研究院固态組專家認為：“從産業化角度看，目前正極主要有高電壓高鎳三元、富锂錳基、超高鎳三元、鎳錳酸锂等材料，負極材料以矽基和锂金屬為主。從發展階段看，液态電解質向半固态發展，仍會保留電解液和隔膜；在全固态階段，固态電解質将替代電解液，隔膜是否被替代則取決于最終量産的技術路線。”
也就是說，固态、半固态電池的正極主要是三元材料和富锂錳基，而不是如今份額最大的磷酸鐵锂正極材料。
據東方證券研報，截至2023年底，容百科技（SH688005，股價31.9元，市值154.47億元）、當升科技、貝特瑞高鎳産能分别為25萬噸、8.2萬噸和6.3萬噸。
圖檔來源：東方證券研報截圖
關于負極材料，杉杉科技研究院相關負責人4月7日回複《每日經濟新聞》記者稱：“半固态可以采用石墨作為負極，但是為了提高能量密度，則需要搭配矽碳負極。矽碳的主要優勢是比容量高，對于提高體積能量密度品質能量密度都很有效。”
負極提升能量密度主要有“摻矽補锂”，除了矽碳負極，提升負極比容量的方式還有預锂化。
對此，杉杉科技研究院相關負責人表示：“是否使用預锂化，主要取決于電芯廠的能量密度要求；預锂化分為材料預锂化和極片預锂化；對于材料預锂化來說，主要是提升材料的首次庫倫效率，有利于提高電池的能量密度。”
據東方證券研報，貝特瑞矽氧、矽碳負極已有0.6萬噸/年産能，在建4萬噸/年産能；璞泰來（SH603659，股價20.59元，市值440.21億元）矽氧、矽碳在建産能為1.2萬噸；杉杉股份（SH600884，股價12.22元，市值275.95億元）矽氧、矽碳在建産能為4萬噸。
杉杉科技研究院相關負責人對記者表示：“杉杉自主開發的新型矽碳産品具有高首效、高容量、低膨脹和長循環的特點，預計2024年8月份實作量産，目前國内外客戶均在評測。”
圖檔來源：東方證券研報截圖
目前，半固态選擇矽碳作為負極材料。而未來的全固态電池，或将使用锂金屬作為負極材料。據東方證券研報，矽基材料是負極重要疊代方向，锂金屬負極或為長期目标。
值得一提的是，锂業龍頭天齊锂業（SZ002466，股價51.01元，市值837.19億元）已經開始布局锂金屬負極。2022年5月20日晚間，天齊锂業公告，其子公司天齊創锂科技（深圳）有限公司與衛藍新能源簽署《合作協定》。雙方計劃共同出資設立合資公司，以共同從事預锂化負極材料及回收、金屬锂負極及锂基合金（複合）負極材料、預锂化試劑（原材料）及預锂化制造裝置産品的研發、生産和銷售等相關業務。
衛藍新能源産品進展 圖檔來源：微信文章截圖
除了材料問題，呂真真提到，硫化物的規模化合成目前成本還比較高。此外，其也提到制備工藝的改變。“全固态電池的制備工藝相較于液态電池有比較大的改變，這對于整個行業是一個較大的颠覆。這種重大颠覆由一家企業去推動是比較困難的，需要整個産業鍊的帶動。”呂真真表示。
孚能科技研究院固态組專家也認為：“高性能固态電池面臨的挑戰，研發上主要是進一步提升解決電導率低、固-固界面、金屬負極等普遍技術難點。産業化上，全固态锂電池與正極材料體系相容度高，對負極、隔膜、電解液造成了一定影響，要解決産業鍊配套以降低成本……”
固态電池技術的發展為電動汽車行業帶來了新的解決方案，其高能量密度和改進的安全特性預示着未來電動汽車可能擁有更長的續航能力和更高的可靠性。随着固态電池、半固态電池的發展，燃油車或将面臨更大壓力。
綜上所述，要實作固态電池的商業化，還需要克服一系列技術和生産方面的挑戰。這包括提高電解質的離子電導率、優化電極與電解質之間的界面接觸、降低生産成本以及建立相應的産業鍊配套。
每日經濟新聞