从全固体电池的高输入输出化的观点出发，要求负极层的电阻低。

实施例：负极糊的制作：称量作为负极活性物质的Li4Ti5O12粒子(LTO、密度3.5g/cc)、导电材料(VGCF、密度2g/cc)、粘合剂(SBR、密度0.9g/cc)、分散介质(丁酸丁酯)、硫化物固体电解质(LiI-LiBr-Li2S-P2S5系玻璃陶瓷、密度2g/cc)。

图1：负极层的制造方法:流程图

固态电池具有能量密度高、安全性高的优势

固态电池具有能量密度高、安全性高的优势，应用前景广阔。

固态电池是电解质为固态或者半固态的电池产品。相对于当前主流的液态锂电池，其材料体系的核心优势为更高能量密度和安全性(电解质不易燃)。固态电池若作为动力电池，则能有效满足新能源车长续航、高安全的需要。但目前全固态电池技术尚未成熟，相关产品存在寿命短、倍率性能差等问题;半固态电池作为过渡期产品，或将率先得到批量商业化推广应用。此外，固态电池在消费电子产品、储能、民用飞机等领域均具有潜在的应用机会，产业链众多公司正加速各种应用场景的布局与开拓。

产业化持续加速，2024年半固态电池有望批量应用于新能源车市场。

在新能源车领域，国内的上汽、蔚来有望在2024年批量生产半固态电池车型，长安、广汽等也计划在2025-2026年推出半固态电池车型;海外丰田、本田、现代、奔驰等则重点布局全固态电池，多计划于2025-2030年量产相关车型。该行预计2024年全球固态电池(含半固态电池)需求量为2.3GWh，2030年全球固态电池需求量有望达到220GWh，2024-2030年均复合增速达到114%。该行预计2024年全球固态电池(含半固态电池)市场空间为19.5亿元，2030年市场空间有望达到1162.3亿元，2024-2030年均复合增速为98%。

固态电池电解质体系变化显著，并能够带动高能量密度材料应用。

材料领域，固态电池电解质将使用氧化物、硫化物、聚合物等体系，实现对传统电解液的替代;正极将搭载超高镍三元或富锂锰基等高能量密度材料，负极也将采用硅材料或锂金属负极，同时高导电性的碳纳米管用量也有望增加。企业布局来看，电解质领域涌现出天目先导、清陶能源、赣锋锂业、贝特瑞等一批领先企业;正负极传统龙头容百科技、当升科技、璞泰来、贝特瑞等也在加速延伸布局。在电池领域，传统优势锂电池企业宁德时代、亿纬锂能、中创新航等积极参与，同时卫蓝新能源、清陶能源、辉能科技等新兴企业亦长期深耕固态电池、并积极推动产品量产。

一、固态电池：能量密度与安全兼优的新技术方向

固态电池优势：能量密度高

根据电解质的不同，锂电池技术体系可分为：液态电解质电池、混合固液电解质电池（半固态电池）、固态电解质电池。• 固态电池与液态电池工作原理相同。二者工作原理均为：充电时正极锂离子从活性物质的晶格中脱嵌，通过电解质向负极迁移，电子通过外电路向负极迁移， 两者在负极处复合嵌入到负极材料中；放电过程与充电相反，以此实现电能与化学能的转换。• 固态电池能量密度更高：1）固态电解质电化学窗口宽，能够适配更高电压的正极材料。2）固态电解质具有良好的机械性能，能够有效抑制锂枝晶的形成， 从而能够兼容更高能量密度的锂金属负极材料。3）由于电解质的非流动性，电芯内部极片可以串联连接以此提高单体电压，实现与多电芯串联而提升电压的 同等效果，从而能够在成组时减少结构件使用、提升能量密度。

固态电池优势：安全性能更高

二、固态电池市场前景展望

行业市场规模展望（正极材料）

固态电池正极材料兼容性强，但需要提高能量密度。理论上，固态电池正极仍可沿用现在的磷酸 铁锂、三元材料等体系，但现有材料电池能量密度进一步提高难度较大。因此，需要选择更高容 量的正极材料来提升固态电池能量密度。• 短期内高镍三元体系有望成为主流方案。目前，固态电池正极开发主要集中在高镍三元正极、镍 锰酸锂、富锂锰基等路线。其中高镍三元正极凭借能量密度高、倍率性能好、商业化程度高等优 势，成为当前主流正极材料体系。富锂锰基、镍锰酸锂等材料高能量密度优势突出，有望成为未 来的主要方向。• 当升科技、容百科技等产业化布局领先。大多数三元正极企业均拥有高镍三元产品布局，其中容 百科技、当升科技等均已经实现对固态电池企业的出货。厦钨新能、振华新材、长远锂科、贝特 瑞等正极企业也有固态电池材料布局。此外，宁夏汉尧、巴斯夫杉杉、华友钴业等企业也积极布 局富锂锰基等新型正极材料。

行业市场规模展望（负极材料）

硅基负极或成为固态电池负极材料中短期主要解决方案。固态电池的负极材料主要包括石墨、硅负极、 合金负极、金属锂等。硅理论比容量高达4200mAh/g，是目前石墨类负极材料的十倍以上，其优势在 于：1）电位低、克容量高，能量密度高；2）地壳中含量高，理论成本低；未来其有望成为中短期重要 的负极材料方案。• 长期来看，金属锂有望在固态电池负极实现应用。金属锂理论克容量高、电极电位低，是固态电池的理 想负极材料。但目前金属锂产业化还存在一些挑战：金属锂电化学活性高，或与部分电解质体系发生反 应，影响负极和电解质的利用率；锂金属在循环过程中容易出现枝晶生长的问题，从而影响电池的循环 稳定性。未来可以通过增加锂金属表面积、掺杂等方式来改善锂金属性能、更好的适应产业化需求。• 硅基负极方面，贝特瑞、杉杉股份、翔丰华、璞泰来等具有明确产能规划，部分企业已与固态电池企业 达成合作协议。金属锂负极方面，金属锂及锂盐公司如赣锋锂业、天齐锂业等依托自身资源优势，进行 积极的产业布局。

电解质原料：锆/锗/镧等金属有望伴随行业发展需求增加

镧：氧化物固态电解质LLZO/LLTO的原材料包括氧化镧、硝酸镧、氢氧化 镧等。中国具有丰富的稀土资源，贡献了全球70%产量。2022年全球稀土 产量约为30万吨，中国产量达到21万吨。国内企业中北方稀土、盛和资源 等具有氧化镧生产能力。• 钛：氧化物固态电解质LLTO/LATP的原材料包括二氧化钛、焦磷酸钛等。2022年全球钛资源储量（以TiO2计）约为7亿吨，以钛铁矿为主；国内占 据全球29%的储量，位列全球第一。全球钛矿下游需求主要是钛白粉（白 色颜料和功能性材料，主要成分为二氧化钛）、海绵钛等。国内主要钛白粉 生产企业包括龙佰集团、中核钛白、钒钛股份等。 

锗：氧化物固态电解质LAGP、硫化物固态电解质LGPS等原材料包括二氧化 锗、硫化锗等。2022年全球锗储量约为8600金属吨，中国储量为3500吨 左右，份额为41%，是全球第二大锗矿资源国（仅次于美国45%的份额）。2022年全球金属锗产量约为182吨，其中国内产量占比近7成。锗是重要的 半导体材料，主要应用场景包括红外成像领域（43%）、光纤通信领域 （28%）、光伏领域（19%）等。驰宏锌锗具备金属锗年产能60吨（全球 三分之一左右、国内50%左右份额）、探明锗资源量超600吨，2022年产 量达到55.9吨。云南锗业具有锗资源储量超600吨，目前布局有区熔锗锭、 二氧化锗、太阳能锗晶片、光纤用四氯化锗、红外光学锗镜头等产品。

海外电池企业主打全固态路线

固态电池成本与未来降本趋势展望

源于：国信证券

02固态电池优势

1、能量密度高

•  固态电解质电化学窗口宽， 能适配更高电压的正极材料。

• 固态电解质具有良好的机械性能， 能够有效抑制锂枝晶，能兼容锂金属负极材料。

• 电解质的非流动性， 电芯内部极片可以串联连接以此提高单体电压， 实现与多电芯串联而提升电压，从而能够在成组时减少结构件使用、 提升能量密度。

2、安全性能更高

固态电池安全性显著高于液态电池。液态电池在循环过程中， 负极产生的锂枝晶会刺穿隔膜， 导致电池内部短路。 有机液态电解液多具有易燃易挥发特性，过度充电、内部短路极易发生热失控， 并引起自燃甚至爆炸，为电池体系带来严重的安全隐患。而固态电解质本身不可燃、 且热分解温度高， 固态特性完全避免了电解液腐蚀、 挥发、 漏液等问题， 安全性能大幅提高。

源于：许晓雄等《全固态锂电池技术的研究现状与展望》

03固态电池成本与未来降本趋势展望

根据清陶能源、 卫蓝新能源等企业半固态电池项目环评书， 我们按照目前1GWh 5亿元的项目投资额对于折旧额进行计算。在假设产线良率为80%的情况下， 我们测算得到半固态电芯的单位总成本为0.85元/Wh， 较三元电芯成本（0.4-0.5元/Wh） 仍相对偏高。

• 中期来看， 伴随高性能液态电池和半固态电池行业规模持续扩大、产线良率有望达到90%以上， 公众号动力电池BMS 届时半固态电芯的单位总成本约为0.50元/Wh。
• 远期来看， 全固态电池有望搭载锂金属负极、 电解液也将全部被替换为固态电解质， 届时全固态电芯单位总成本约为0.78元/Wh。

04固态电池市场前景展望

随着车企积极推动固态电池产业化，并在2025-2030年陆续推动固态电池车型量产；同时无人机、储能等场景对于长续航高安全电池需求持续提升，固态电池进入发展快车道。我们预计2024-2030年各环节固态电池渗透率：

• 动力电池0.2/0.8/1.8/3.6/6.0/8.0/10.0%
  
• 消费电池0.2/0.8/2.0/4.5/7.0/10.0/12.0%
  
• 储能电池：0.0/0.1/0.2/0.4/0.6/0.9/1.5%

1、固态电池应用市场

源于：大疆、三一、阳光电源、蔚来官网

2、2024年部分电动车小批量使用半固态电池

源于：国信证券

3、固态/半固态电池市场规模

锆与固态电池

锆，是一种化学元素，存在于自然界，以锆矿等形态出现在世人眼前。

人们早在18世纪通过试验就证实了锆的存在。

之后，人们开始加大对锆的研究应用，开发出不少的锆化合物材料并相应地推广应用到不同的行业领域。

比如，氧化锆材料可以用于高硬度陶瓷材料生产、碳酸锆可以用来生产汽车尾气催化剂等。

那么，锆又与固态电池有什么交集呢？

我们知道，固态电池具有安全性好、循环寿命长、能量密度高等优势，也是液态锂电池的主流迭代发展方向。

而锆材料可以应用于固态电池，为固态电池的性能锦上添花。

比如，氧化锆等锆材料具有较高的离子导电性，特别是氧离子的传导性能很好，有助于快速传递离子在正负极之间。

另外，锆材料在高温下具有优异的化学稳定性和热稳定性，能够承受高温条件下的使用。

这就赋予了固态电池优异的稳定性能，可以尽量减轻温度对电池的影响。

固态电池对锆的需求量将是现在的至少50倍

从新能源电池的技术发展路径和发展趋势来看未来固态电池应该是锂电池的主要产品和发展方向目前全球主要动力电池研究单位和生产厂家在大力研发固态电池该电池能够大幅提高安全性能量密度及充电效率预计 3 到 5 年可以产业化从锂电池对二氧化锆的用量上来看三元锂电池正极材料添加剂的比例是 0.4%而固态电池的比例高达 20%如果所有电池全部变为固态电池那固态电池对二氧化锆的需求量为25,000~30000 吨对锆的需求量将是现在的至少50倍从这个数据可以看出一旦固态电池量产后二氧化锆的需求将出现爆发性的增长 

固态电池的体系是由半固态-准固态-全固态逐级发展演变的目前所有头部固态电池公司能推出的产品均为半固态电池均处在装车前的节点上
国内国外所有的半固态电池我都算上几乎100%为氧化物电解质体系(按质量占比算)因为氧化物电解质是最好突破也是目前最成熟的最后体系发展到全固态也是氧化物和硫化物两大阵营目前基于各大公司来看两种体系是共存的聚合物单独没戏只能与氧和硫体系结合做复合电解质

那氧化物固态电解质到底是怎么构成的它是由快离子导体粘结剂和锂盐组成快离子导体最常见的就是锂镧锆氧LLZO锂镧锆钛氧LLZTO晶体结构为石榴石型快离子导体约占固态电解质总质量的80%粘结剂常见为PVDFPTFE等其约占固态电解质总质量的5%锂盐常见为高氯酸锂三氟甲基磺酸锂双(三氟甲基磺酸)亚胺锂三(三氟甲基磺酸)甲基锂等其约占固态电解质总质量15%

因此固态电解质里质量最大的就是陶瓷粉体LLZO等快离子导体LLZO又是怎么形成的呢他由氢氧化锂氧化镧和氧化锆混合烧结成的氧化锆约占LLZO烧节前质量的25%氧化镧约占45%氢氧化锂约占35%

因此氧化锆占氧化物固态电解质的质量为0.8*0.25=20%与纪要里的氧化锆占电解质质量比例相吻合

然而由于固态电解质用于电池极片与电解质之间存在较大的界面电阻由于锂离子经过固态电解质在电池中迁移固态电池与电极极片的接触状态极大的影响了电池性能如果极片与固态电解质之间接触不好并且极片内部没有足够的锂离子扩散通道锂离子迁移将受到影响降低了电池的容量所以一般利用固态电解质包覆到正负极活性材料确保材料颗粒间锂离子通道畅通性所以正负极还要涂覆LLZO

绝大部份氧化物半固态电池都需要构建一层陶瓷隔膜材料还是LLZO

所以综合来看整个固态电池中氧化锆的用量绝不仅于此

本文内容来源于：新能源技术与企管，责任编辑：胡静，审核人：李峥

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