华创证券研究认为：固态电池行业研究：锂电革新升级，半固态产业化前景可期

液态电池存在本征安全性问题，电解液成为关键。热失控被认为是电池安全问题的主要 原因，其结果可能会导致火灾和爆炸，在电池热失控过程中，电解液的易燃、易氧化、高 化学活性的特点使其成为热失控过程中的关键。热失控诱因包括过充、外部加热、内部 短路和机械故障。在充放电过程中，往往会有一部分锂无法嵌入负极，反而沉积在负极 表面，形成锂枝晶，锂枝晶生长刺穿隔膜造成内短路，过热开始。此后 SEI 膜、隔膜、 电解质、正极材料相继分解并释放热量、氧气，助推热量的进一步积累，最终达到电解 液的燃烧条件，电池发生热失控，最终起火、爆炸。

固态电池采用固态电解质取代电解液，具备安全性优势。固态电池采用固态电解质部分 或全部代替电解液。固态电解质主要包括聚合物、氧化物、硫化物三种类型。与电解液 相比，固态电解质同时具备不易燃、耐高温、化学活性低的特性，此外还具备一定的力 学强度，可以更好的抑制锂枝晶生长，抵抗外界应力冲击，降低热失控风险，从而大幅 提高电池安全性能。 固态电解质兼容更高比容量正负极材料，打开能量密度上升空间。“里程焦虑”是电动车 领域始终绕不开的话题，也不断推动着电池能量密度的不断提高。正负极材料化学体系 决定着电芯能量密度的上限。与电解液相比，固态电解质具备更高的安全性与更宽的电 压窗口，有望解决高压正极材料如富锂锰基、尖晶石镍锰酸锂与现有电解液不兼容的问 题。固态电解质具备一定结构强度，可以补偿负极材料尤其是硅基材料的体积变化应力， 也不容易导致锂损耗，提升硅基材料循环性能，从而使硅基负极向更高硅含量拓展。此 外，固态电解质适配锂金属负极，有望最终实现锂金属电池的产业化。（二）全固态尚未成熟，半固态率先量产

全固态电池界面接触问题较为严重，工艺尚不成熟，生产成本高昂。固态电解质缺乏流 动性，导致固-固接触面积小，阻抗增大等问题出现，整体电导率较低，制约固态电池产 业化应用。研发合适的固态电解质以及电极材料体系难度较大，且目前固态电池的工艺 技术尚未成熟，特别是在大规模生产方面存在一些挑战。此外，固态电池使用的材料多 为新型材料，成本相对较高，由于制造工艺尚未成熟，生产设备和流程的投入也较大， 导致在当前情况下固态电池的生产成本居高不下。

半固态电池兼具性能与生产优势。半固态电池是液态电池向全固态电池过渡的中间方案，采用原位固化技术引入聚合物凝胶网络，通过在正极材料、负极材料或隔膜两侧涂覆固 态电解质，同时保留传统液态电解液，实现固-液混合。 与液态电池相比，半固态电池引入了固态电解质，可以在现有体系的基础上提升能量密 度与安全性；与全固态电池相比，半固态电池保留了部分电解液，改善了电导率以及界 面接触的问题。由于基本保留了液态电池结构，半固态电池与现有产线兼容度高，没有 对电池企业生产工艺带来更大挑战，综合来看是行业目前更优的选择方案。

半固态电池未来市场渗透率有望提升。考虑到固态电解质产业链发展尚处于早期，材料 实际价格与原材料成本相差较大，加工成本高昂，我们认为随着技术的不断完善叠加规 模效应，半固态有望率先在各个下游场景中得到应用。半固态电池可以适配更高比容量 的正负极材料，能量密度提升后，单位成本有望进一步降低。综合考虑半固态电池相比 液态电池在安全性、能量密度上的优势，我们认为半固态电池具备较强市场竞争力，未 来市场渗透率有望逐渐提升。

固态 or 半固态研发加速。2015 年后国内企业不断加大对固态电池领域研发力度，相关专 利申请数量大幅上升，根据国家知识产权局网站检索，目前共有 3147 项固态电池相关专 利。

半固态电池装车量产加速验证。目前半固态电池已经在相关车型上得以量产验证。东风 旗下已有两款搭载半固态电池车型，22 年 E70 实现首批小规模交付，23 年岚图追光正式 量产，但其电池性能相较于目前液态电池而言并不具备优势。蔚来 ET7 可搭载卫蓝新能 源研发的 360Wh/kg 电芯，续航可突破 1000 公里，于今年 6 月底实现交付，进入量产阶 段。赛力斯 SERES5 搭载赣锋锂业第一代固态电池，能量密度为 260Wh/kg，今年 6 月已 经实现首批交付。上汽、长安、广汽、北汽等车企也都推出了半固态电池的装车计划。

海外专注于全固态电池，大规模装车仍需时日。早在 2011 年，法国 Bolloré就推出了搭 载固态电池的乘用车 BlueCar，成为首个实现聚合物电解质固态电池商业化的公司，但当 时固态电池相比液态电池并不具备性能优势。美国拥有多家固态电池独角兽公司，主要 专注于全固态电池，技术类型多样，聚合物、氧化物、硫化物均有布局。日韩多家巨头公 司布局固态电池领域较早，主要专注于硫化物全固态电池。

丰田突破全固态电池核心技术，挑战 2027 年量产装车。此前，全固态电池循环寿命较短 是核心难题。固体电解质随着电池的充放电反复膨胀和收缩，可能会引发龟裂，导致锂 离子在正负极之间的流动会变得困难。2023 年 7 月，丰田正式宣布，已经发现了克服这 一难题的新技术，其研发的全固态电池充电不到 10 分钟即可行驶约 1200 公里。丰田预 计其全固态电池将全面进入面向量产研发的阶段，未来将搭载到 BEV 车型上，计划在 2027~28 年投入实际应用。

三星全固态电池进入中试阶段，预计 2027 年量产。2021 年底，三星 SDI 推出全新电池 品牌“PRiMX”，并宣布了全固态电池产业化规划。三星在 2021 年已经完成了 PP Scale Material 层面的工作，2022 年全固态电池中试生产试验线在水原市开工，公司规划 2025 年开发出全固态电池原型产品，2027 年实现量产。三星 SDI 的全固态电池结合了 NCA 高镍技术、高性能硫化物型固态电解质、新型阴极和堆叠技术，可以实现更高的安全性 以及整车轻量化效果。

聚合物固态电池率先应用于消费领域。在消费电池领域，聚合物固态电池又被成为锂聚 合物电池，得益于其能量密度高、灵活性强、小型化、超薄化、轻量化、高安全性的优 势，在 PDA、笔记型电脑、手机、无人机和电子烟领域中占有重要定位。从 2007 年的 第一代 iPhone 开始，苹果发布的 iPhone、iPad 广泛使用锂离子聚合物电池。大疆多款无 人机也搭载了锂聚合物电池。

氧化物、硫化物未来有望突破。除已经被广泛应用的聚合物体系以外，氧化物、硫化物 体系未来在消费电池领域也有望突破。2023 年 3 月，小米发布了预研的固态电池技术， 采用正极涂覆氧化物电解质，适配锂金属负极，不仅实现 6000mAh 超大容量、能量密度 突破 1000Wh/L，更大幅提升低温放电性能和安全性能。2023 年 5 月，据韩媒 The Elec 报 道，三星 SDI 在加大动力电池研发的同时，也计划将开发的硫化物固态电池应用在智能 手机等移动设备上。

固态电池中固态电解质为核心组件，包含聚合物、氧化物与硫化物三种类型。在固态电 池中，固态电解质代替电解液，起到离子导体的作用。与液态相比，其安全性更高，且更 适配高比容量正负极材料体系，但电导率相对较低，且与正负极材料接触由固-液界面替 换成了固-固界面，导致界面接触问题较为严重。目前固态电解质主要包含聚合物、氧化 物与硫化物三种类型，各具特点。（二）聚合物：兼具柔性与低成本，与现有产线兼容度高

聚合物电解质兼具柔性与低成本，率先实现商业化运用。聚合物电解质采用高分子聚合 物为电解质基体，添加导电锂盐，构成离子传导网络。聚合物电解质具备柔性与易加工 的特点，界面接触相对较好。其主要基于现有的高分子材料体系，且与现有液态电池产 线兼容度高，生产成本相对较低。早在 2011 年，法国 Bolloré就已经推出了搭载固态电 池的乘用车 BlueCar，率先实现聚合物固态电池的商业化应用。 电导率与稳定性相对较低，抑制锂枝晶能力有限。聚合物电解质短板主要是其较低的室 温电导率，与氧化物、硫化物存在数量级以上的差距，故往往需要提升工作温度。聚合物 依然基于有机物体系，其热稳定性相对较低，电压窗口较低（＜4V），高压下易氧化，与 三元材料稳定性有限。聚合物材料硬度较低，抑制锂枝晶能力有限。

体系组合多样化，LiTFSI 占比将会提升。在聚合物电解质中，可以采用不同种类、不同 比例的高分子聚合物以及导电锂盐的组合，具备较高的灵活性，可以更好的适配应用场 景的需要。PEO 是以往研究中最早、应用最广泛的聚合物电解质基质，对锂盐具有良好 的亲和力，对金属锂具有良好的相容性。与电解液相比，在聚合物电解质中，锂盐溶解、 解离难度更大，需要通过增大阴离子半径实现电荷更高程度的离域化，减少离子间的相 互作用，从而提高电导率和溶解性。PEO 基电解质中最常用的锂盐是 LiN(CF3SO2)2 （LiTFSI），与其他锂盐相比，它降低了 PEO 的结晶度，因此提高了聚合物-锂盐络合物 的离子导电性。

氧化物电解质稳定性突出，综合性能优秀。氧化物固态电解质具有相对较高的离子电导 率和更高的热稳定性，还具备最高的电压窗口（＞5V），可以更加适配高压正极材料体系。 此外，氧化物电解质具备更高的硬度，能够有效抑制锂枝晶生长，提升电池安全性能。 氧化物电解质的制备对环境要求不苛刻，成本适中，易于大规模生产和应用。

LLZO、LATP 应用前景较大。氧化物电解质包括钙钛矿型、反钙钛矿型、NASICON 型、 LiSICON 型、石榴石型与 LiPON 型。钙钛矿型代表材料为 LLTO，它具有更高的晶体电 导率与稳定的结构，但其晶界电导率较低限制了总电导率，对锂金属不稳定也限制了对 锂金属负极的适配。NASICON 型代表材料为 LATP 与 LAGP，同样具备高环境稳定性， 且稳定电位可达 5V，适配高压正极材料，但是 LATP 依然存在对锂金属不稳定的问题， LAGP 由于存在锗元素，成本过于高昂。石榴石型代表材料为 LLZO，它具有高总离子电 导率，高稳定电压（6V），更好的热稳定性，且对锂金属稳定，潜力更大。LiPON 型为非 晶态材料，综合性能优秀，但往往只能用于薄膜类材料。 氧化物存在脆性较大和界面接触的问题。氧化物脆性较大，导致负极充放电中体积变化 无法补偿，在外力作用下也更容易破裂，也导致界面问题较为严重，难以单独使用。工 艺上，氧化物需要高温烧结，较为复杂，且带来能耗问题。

硫化物室温电导率更高，兼具柔性可加工，远期更具潜力。硫化物室温电导率更高，已 接近电解液电导率水平，还具备良好的柔性，使其能够与活性材料形成更好的界面，更 好的补偿体积变化。在具备一定柔性的同时，硫化物也有强的抑制锂枝晶能力，为动力 电池应用场景中理论潜力最高的材料体系。工艺上，硫化物易于加工，可以通过冷压法 制造，避免了氧化物的高温烧结步骤，但部分工艺需要惰性氛围，生产成本高，目前难 以规模化。

LPS型与argyrodite型应用前景较大。硫化物电解质包括LPS、argyrodite型、thio-LISICON 型与 LGPS 型。LPS 主要为非晶态材料，代表材料为 Li3PS4、Li7P3S11，其热稳定性好， 成本较其它硫化物低，但其离子电导率相对其它硫化物也较低。argyrodite 型代表材料为 Li6PS5X (X = Cl, Br, I)，其离子电导率较高，对锂金属也相对稳定，潜力更大。thio-LISICON 型代表材料为 Li3.25Ge0.25P0.75S4，性能相较其它硫化物不够突出，应用潜力不大。LGPS 型 代表材料为 Li10GeP2S12 (LGPS)，Li10SiP2S12 (LSPS)，具备更高的离子电导率，然而其对 锂金属不稳定、含有高成本的锗等因素限制较大，有待进一步研发。 稳定性问题较为严重，尚处于研发阶段。硫化物电解质对空气、水分敏感，会产生有害 气体硫化氢；界面稳定性不高，导致更高的界面电阻；电压窗口较低（1.7-2.3V），易氧 化。硫化物电解质各方面稳定性问题较为严重，需要通过掺杂、涂层、包覆等策略解决， 导致较高的研发难度，目前还没有进入产业化阶段。