固态电池研究报告：低空经济eVTOL商业化临近，固态电池迎来新机遇（附下载）
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（精选报告来源：报告研究所）
固态电池 能量密度高、安全性能显著
1.1 固态电池使用固态电解质替代电解液和隔膜
突破能量密度上限和解决安全隐患，固态电池成为下一代锂电池重要技术路线。传统锂离子电池采用液态电解质，容易引发安全隐患，同时能量密度的瓶颈为350Wh/kg，无法满足行业更高要求。为解决安全隐患并提高能量密度上限，全球范围内的科学家都在积极研发固态锂离子电池。
固态电池是一种使用固态电解质的电池，用固态电解质替代了传统锂电池的电解液和隔膜。固态电池在高能量密度、高安全性等方面优势明显，其理论能量密度上限为500+Wh/kg。固态电池的正极可沿用磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、三元等，有望以高镍多元、富锂锰基材料为主；负极的发展初期以硅系负极材料为主，再过渡到纳米硅碳负极，最后发展到锂金属负极材料；包装材料一般采用铝塑膜
1.2 高安全性与高能量密度兼备，固态/ / 半固态电池前景坚定
液态电池：液态电池的主要材料是正负极、隔膜和电解液。
半固态电池：半固态锂电池是固液混合电解质电池，是液态到固态电池的过渡产物，可以被目前的液态电池生产线兼容，通常液体含量10%为半固态与液态划分临界点，仍旧需要隔膜。
固态电池：全固态电池的电解质采用全固体材料，不需要隔膜。其固态电解质能够匹配电容量更大的正负极材料，实现更高的电池能量密度。而且固态电池安全性突出，可以抵抗热失控和穿刺等挤压力。
1.3 固态电池优势一：能量密度提升（正极材料升级）
正极材料向无钴靠拢，富锂锰基潜力巨大。对比液态电池，固态电池可容纳新的电极材料，譬如富锂锰基。常规电压下的富锂锰基材料在目前所有商业化的正极材料里，循环稳定性最好，45℃下充放电1700周容量保持率88%。但是，因为目前难以解决电压衰减、循环寿命低等问题，产业化进程受限。
1.3 固态电池优势一：能量密度提升（负极材料升级）
负极方面，固态电池比传统锂电池更容易适配锂金属负极和硅碳负极，因为固态电解质由固态材料构成，具有较高的化学稳定性，对锂金属负极的锂枝晶的形成及硅的膨胀起抑制作用。
1.3 固态电池优势一：能量密度提升（内部串联）
电芯内部串联能有效提升固态电池电压，提高体积能量密度。传统锂电池承载电压超过5V后会出现易分解甚至爆炸的情况，因此只能外部串联。固态锂陶瓷电池能在电池内部形成串联，使单颗电池芯的额定电压从7.4V，最大串联叠加至60V，在单体电池电压上远高于传统动力电池，且不需要焊接集流体，体积能量密度有望进一步提升。
1.4 固态电池优势二：安全性优势显著
相比液态电池，固态电池具有较高的化学和热稳定性，能够有效抑制锂电池中发生热失控或燃烧的风险，电池在被刺破时仍可安全运行，不会泄漏或爆炸。根据丰田研发实验室的报告，通过对比研究NCA/NCM锂电池和铌掺杂锂镧锆氧（LLZNO）全固态电池的产热特性，丰田发现全固态电池产热量只有传统锂电池的25-30%，因此具有显著的安全性优势。考虑其放热量依然存在，还需进一步降低放热量，以实现真正意义的“安全”。
1.5 固态电池优势三：固态电池低温性能出色
固态电解质(SEs)在宽温度范围内保持固态，不完全丧失离子传导功能，是其潜在优势之一。近期，智己汽车宣布，全球首款搭载“超快充固态电池”智己L6将于5月正式上市，该电池由上汽集团与清陶能源联合研发制造，可实现1000km以上超长续航，且低温性能出色。液态电池的电解液在低温下粘度大幅增加，锂离子迁移速度显著降低，因此冬季性能较差。相比之下，固态电解质在低温下电导率也会降低，但受温度影响幅度较小，即使在-30℃环境下，放电容量保持率也能达到90%以上，低温续航更好。
非晶态SE是实现致密固态电解质隔膜的希望材料，使用这种SE的固态电池在-10℃下仍然可以展示出长循环寿命。
1.6 固态电池挑战一：离子电导率低
固态电解质中离子间相互作用强，因此离子电导率低。
解决方案：从材料、工艺等方面进行改进。研究发现，基于石榴石型Li 7 La 3 Zr 2 O 12 （LLZO）的固态电解质表现出了高迁移数和高离子电导率。同时，采用特殊的烧结方法，如放电等离子烧结，可以生产出密度更大的LLZO颗粒，以最大限度地提高相对密度和高离子电导率。
1.7 固态电池挑战二：量产难度大
受技术和成本制约，固态电池量产难度大。技术上，当前固态电池工艺尚未成熟，其发展亟需解决三个核心科学问题，即固态电解质的离子输运机制、锂枝晶生长机制和多场耦合下的失效失控机制。成本上，部分材料售价昂贵，阻碍固态电池的量产。
解决方案：作为液态电池和固态电池的折中产品，半固态电池有望率先量产。半固态电池兼容现有传统锂电池的工艺设备，且兼具安全性、能量密度和经济性，因而有望率先进入产业化阶段。
1.8 固态电池挑战三：成本高
成本：负极材料成本偏差最大，尤其是硅碳负极所需涂覆的额外电解质导致成本高昂，锂金属负极成本虽然较低但技术上仍存在锂枝晶反应等难关。目前固态电池已商业化销售实例少，以蔚来2023年7月上线的150kWh电池包信息测算，其半固态电池成本约为1.7-2.2元/Wh，远高于同期车用方形三元电芯、铁锂电芯均价0.73、0.65元/Wh。截止2024年4月3日，方形三元电芯、铁锂电芯均价已降至0.465、0.375元/Wh，液态锂电池均价持续下降，固态电池降本方面仍面临不小挑战。
降本潜力：在除材料外的层面，固态电池的成本优势凸显。据SolidPower计算，固态电池制作过程中省去了注液、化成、排气等工艺和步骤可以节约成本34%;而固态电池的高安全性，在PACK层面同样可节约相应9%的成本;而且，高安全性减少了被召回维修的概率，同样减少了潜在的维修成本。
二、固态电池技术路线及生产工艺
2.1 固态电池有聚合物、氧化物、硫化物三种技术路线
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