固态电池技术前沿与商业应用展望｜络绎知图深度解读
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2021 年 1 月，蔚来宣称将于 2022 年第四季度交付装配固态电池的新款汽车车型，能量密度超过 360 Wh/Kg，续航里程超过 1000 公里。这是业内首次有整车企宣布将量产搭载固态电池的车型，随后市场对于固态电池的关注度明显升高。
业界对于固态电池技术的探索已经持续多年，目前普遍观点认为固态电池技术成熟周期仍有 5 - 10 年之久（技术成熟、成本下降、供应链重塑、装车验证）。2021 年 4 月，国内动力电池产业龙头企业宁德时代董事长曾毓群在接受对话访谈中公开表示，“ 3 - 5 年内能做到上车的，都不是全固态电池”。
在学术界，从不同层面提升固态电池稳定性的材料和方法近些年来成为大量科研工作者的关注焦点。同时，工业界也涌现出一批致力于推动固态电池产业化的中坚力量。固态电池出现和发展的驱动力是什么？主流的技术路径包括哪些方面？产业化的发展态势是怎样的？本文尝试从科研与产业双重角度，为读者重点梳理固态电池的技术探索前沿以及产业化推动力量，并对短期内固态电池发展趋势做展望。
固态电池发展的驱动力
新能源汽车的普及是远期实现碳中和目标的关键一环。过去几年尤其是 2019 - 2020 年，新能源汽车产业迎来爆发式增长，以特斯拉、比亚迪、造车新势力为代表的电动车整车企业无论是在整车交付还是在资本市场表现都非常优异。动力电池作为新能源汽车中的核心零部件自然也备受关注，新能源汽车产业链的爆发也带动其上游的锂离子动力电池产业链迎来强劲增长。
锂离子动力电池的能量密度伴随着全产业链的爆发式增长而不断上升，这得益于电池材料以及制造工艺等多方面的改进。材料方面，三元材料/磷酸铁锂正极+石墨类负极是当下动力电池主流采用材料；制造工艺方面，以宁德时代“ CTP ”技术和比亚迪“刀片电池”技术为代表的先进生产工艺也在提升着动力电池的能量密度。目前锂离子动力电池的能量密度上限大约是 300 - 350 Wh/Kg。
持续推动动力电池能量密度提升是解决新能源汽车里程焦虑的关键，也是当下和未来一段时间绕不开的主题。根据十四五动力电池技术路线图（《节能与新能源汽车技术路线图2.0》）的规划，到 2025 、2030、2035 年这三个关键时间节点时，高能量密度电池的目标分别将达到 350 、400 、500 Wh/Kg。
对固态电池的需求一方面来自对动力电池体系更高能量密度的追求。锂离子动力电池的能量密度上限是受当前主流的石墨负极和或将成为主流的硅碳负极决定的，如果想要达到更高的能量密度，例如 350 Wh/Kg以上，甚至达到 500 Wh/Kg，则依赖以金属锂为代表的新一代负极材料。
金属锂具有超高的比容量（3,860 mAh/g）和最低的氧化还原电势（-3.040 V vs. 标准氢电极），因此在未来高能量密度储能体系（如全固态锂电池、锂硫电池、锂氧电池）中均必不可少。因此固态电池的终极目标也是围绕金属锂负极打造可产业化的电化学体系。
图1｜采用不同材料得到的理论能量密度上限，金属锂负极可以做到 350 - 500 Wh/Kg（图片来源：Battery ShowCase, QuantumScape, 2020.12）
另一方面，固态电池也有望改善动力电池的安全性和延长其使用寿命。目前商用化的锂离子动力电池均采用有机电解液，其优点是与电极材料浸润性好，从而能够保证电极材料的充分利用，且能够在室温环境下保持较高的离子电导率。但同时，有机电解液挥发性高、易泄露、易燃，存在安全隐患，例如最近两年电动汽车自燃新闻屡屡引发社会关注。固态电池采用固态电解质（solid-state electrolyte）替代液态锂离子电池中的电解液和隔膜，安全性能将得到改善，并且有望提升电池的单体能量密度和延长电池使用寿命。
固态电池研发面临的主要痛点
目前动力电池主流是锂离子电池，其核心组成包括 4 个部分：正极、负极、隔膜、电解液。在充电时，正极的含锂化合物（如磷酸铁锂、镍钴锰或镍钴铝三元材料）有锂离子脱出，在电解液中穿过隔膜移动到负极，负极的碳材料（如石墨、硅碳负极）呈层状结构，有很多微孔，到达负极的锂离子嵌入到微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。反之，锂离子从负极移动回正极就完成了一次放电过程。
在锂离子电池首次充放电过程中，负极材料与电解液在固液相界面上会发生反应，在负极材料的表面沉积一层厚度约几十纳米的钝化膜，这层膜被称为固体电解质界面膜（solid electrolyte interface，SEI 膜），锂离子可以穿过 SEI 膜自由的在负极嵌入和脱出，但电解液中的有机溶剂分子不能通过，因此 SEI 膜的存在虽然会消耗一部分锂，但也会对负极起到保护作用，从而提升电池的循环性能和使用寿命。
然而在电池长期循环充放电的过程中，当负极材料和 SEI 膜表面变得不平整，或当进行过充电、使用大电流充电时，负极表面会出现析锂效应（Li plating），生长出锂枝晶（Li dendrite）。
锂枝晶不断形成与断裂，一方面会在断裂后变成“死锂”不再继续贡献容量，另一方面可能会持续生长甚至刺穿隔膜造成电池短路甚至引起爆炸。同时，锂枝晶的形成还破坏了脆弱的SEI膜，增加了负极与电解液接触的表面积，导致新暴露的锂继续与电解液发生反应，进一步降低电池的库伦效率（充电效率），并缩短电池的循环寿命。
图2｜金属锂负极令人困扰的锂枝晶问题（图片来源：Liu et al., Pathways for practical high-energy long-cycling lithium metal batteries, Nature Energy, 2019）
早在锂离子电池实现商用化之前，Stanley Wittingham（因锂离子电池研发突出贡献获得 2019 年诺贝尔化学奖的三位科学家之一）在 1970 年代首次提出可充电锂电池概念时，就尝试采用金属锂作为负极。然而锂枝晶问题在当时一直得不到解决，直到后来科学家放弃金属锂转而采用石墨类电极，才实现了锂离子电池迈向商业化的关键突破。
时至今日，经过学术界对锂离子电池和固态电池材料体系和研究方法的多年探索，金属锂负极有望得到“复兴”，这是实现固态电池产品化的关键前提。基于近年来在该领域取得的进展，《麻省理工科技评论》（MIT Technology Review）也将“锂金属电池”列为 2021 年十大突破性技术（10 Breakthrough Technologies）。
固态电池研发的主要技术路径
2017 年，斯坦福大学材料科学与工程系崔屹教授团队在 Nature Nanotechnology 期刊发表综述论文（Reviving the lithium metal anode for high-energy batteries），总结了学术界为提升金属锂作为负极材料的稳定性做出的努力和贡献。我们将其整理成以下 4 个层面：
电解液层面，进行电解液化学成分调控，例如增加锂盐溶剂浓度、设计新型电解液体系、改进电解液添加剂等，目的是为了实现锂的均匀沉积，抑制锂枝晶形成；
电极-电解质界面层面，优化 SEI 膜的稳定性，例如设计人工 SEI 膜、在纳米尺度上强化自然形成的 SEI 膜、或者使用 3D 铜集流体调节锂的沉积行为使锂沉积更均匀；
负极材料和结构层面，使用复合型稳定材料或者三维骨架结构减小充放电过程中负极的体积变化，但这方面的研究才刚开始。我们后文中介绍的三星电子设计采用 Ag-C 复合材料作为新型电池体系的负极就是这个层面的创新代表案例；
固体电解质层面，采用固态电解质替换有机电解液，包括无机固态电解质、聚合物固态电解质以及无机/聚合物混合固态电解质，固体电解质体系也正在从单一组分走向多元复合。
图3｜提升金属锂负极稳定性的主要技术路径/研究手段（图片来源：Zhang et al., Towards practical lithium-metal anodes, Chemical Society Reviews, 2020）
其中，固态电解质是目前国际上固态锂电池专利申请量最多的技术领域，也是固态电池研发的核心。理想的固态电解质应具备以下性能：高弹性模量以防止被锂枝晶穿透，常温下锂离子电导率高，化学稳定性高不与正极或负极材料发生反应，电化学窗口宽，界面阻抗低，界面接触良好等。
图4｜理想的固态电解质性能（图片来源：Fan et al., Recent Progress of the Solid-State Electrolytes for High-Energy Metal-Based Batteries, Advanced Energy Materials, 2018)
整体上，固态电解质可以分为陶瓷（无机）固态电解质和聚合物（有机）固态电解质两大类，前者又可进一步细分为氧化物、硫化物、氮化物、磷化物等，目前研究较为深入且更有潜力的是氧化物和硫化物两类。氧化物中根据晶型可以分为钙钛矿型、石榴石型、NASICON 型、LISICON 型，石榴石型和 NASICON 型综合来看是氧化物类中相对更有潜力的材料。
不同材料的性能差异巨大。聚合物固态电解质的锂离子电导率低、弹性模量低，没办法有效的阻挡锂枝晶生长，但其界面接触比无机固态电解质更好，柔性易加工。陶瓷固态电解质相比于聚合物固态电解质锂离子电导率较高、弹性模量高，但陶瓷固态电解质的缺点是界面接触差且会因此导致界面阻抗高；具体来看，硫化物类固态电解质锂锗磷硫（LGPS）的锂离子电导率接近液态电解质，但对空气极为敏感；NASICON 型氧化物虽然离子电导率不高，对金属锂也不稳定，但是可以耐受水的侵蚀；石榴石型氧化物固态电解质锂镧锆氧（LLZO）在空气中相对稳定，离子电导率介于硫化物和聚合物之间，对金属锂化学稳定，但界面问题是挑战。
我们举石榴石型氧化物锂镧锆氧（LLZO）为例。2019 年，南策文院士团队在 Joule 期刊发表论文论述了 LLZO 的潜力，他们认为 LLZO 在以上四种典型固态电解质中综合性能是最优的，最具应用前景。南策文院士接受 Cell Press 专访时解释了 LLZO 现实应用的相对优势，具体包括：
1）LLZO 离子电导率以及可达到的面电阻可以满足应用的需求；2）LLZO 粉体材料可以在大气环境下实现规模化生产；3）LLZO 在化学上对锂金属稳定，为锂金属负极的使用提供了可能，LLZO 的电化学窗口宽，可以和高电压正极相匹配，这些都为高能量密度固态电池的实现提供了材料基础；4）近几年来，越来越多的研究人员关注LLZO的研发，澄清了很多制约 LLZO 应用的瓶颈问题的关键机理，并给出了切实可行的解决方案。不过界面问题的挑战依然艰巨，南策文院士也表示 LLZO 固态锂电池投入实际应用还需 5 - 10 年。
图5｜4 种典型固态电解质性能对比（图片来源：Zhao et al., Solid Garnet Batteries, Joule, 2019)
如何平衡离子电导率、弹性模量以及界面接触和界面阻抗之间的两难问题，还需要做大量的工作。其中一个很好的策略是将陶瓷和聚合物两种固态电解质进行结合，例如将陶瓷和聚合物组合成三明治结构，或者将二者编织成三维纳米导线结构。这个方向值得我们持续关注。
图6｜两种将陶瓷和聚合物固态电解质进行组合的示意图（图片来源：Lin et al., Reviving the lithium metal anode for high-energy batteries, Nature Nanotechnology, 2017）
除了电池材料领域追求不断的创新，固态电池的生产制造工艺同样需要投入大量的工作。因为金属锂负极和固态电解质的存在，固态电池与锂离子电池的生产制造流程差异非常大。固态电池顺利实现产业化应用的前提是技术成熟和成本可控，如何在未来将固态电池的生产成本控制在可行的范围内，前方依然有很长的路程需要探索。
图7｜基于硫化物电解质的固态电池与传统锂离子电池生产制造流程对比（图片来源：Schnell et al., All-solid-state lithium-ion and lithium metal batteries – paving the way to large-scale production, Journal of Power Souces, 2018）
推动固态电池产业化的核心力量
近几年，专业从事固态电池研发的企业尤其是创业企业成为推动产业发展的重要力量，海内外整车厂积极拥抱和参与。在国内，清陶发展获得了来自北汽、上汽、广汽的多轮产业投资，除此之外还与合众达成合作关系；辉能科技获得了一汽的产业投资，同时蔚来、天际等与其就固态电池研发展开合作；在国外，固态电池全球第一股 QuantumScape 获得了大众、上汽的投资；Solid Power 获得了三星、现代、福特的投资，并与宝马、福特达成深度合作伙伴关系；Ionic Material 获得了雷诺-日产-三菱联盟的投资。
另一方面，车企、动力电池巨头和锂资源巨头也积极布局固态电池。丰田自身在固态电池领域深耕多年，同时近年来也宣布与松下展开合作；三星近期采用新型负极材料体系在固态电池领域取得重大突破；宁德时代在固态电池专利方面持续积累势能；赣锋锂业与中科院宁波材料技术与工程研究所合作，成立浙江锋锂；天齐锂业通过投资卫蓝新能源进入固态电池领域。
本文中我们对有一定产品和技术进展披露的固态电池研发商进行重点复盘，为读者梳理推动固态电池产业化的核心力量（未全部覆盖）。
我们注意到一个很有意思的现象，日韩企业多采用硫化物固态电解质技术路线，而中国企业多采用氧化物为主，欧美企业在聚合物、氧化物、硫化物路径选择上相对更均衡。丰田、三星在硫化物领域积累深厚，压重注打造全固态电池；而中国和欧美企业则更有可能采取从固液混合/半固态电池到全固态电池过渡的形式分步实现。
以下，清陶发展、卫蓝新能源、辉能科技、QuantumScape 等主要采取氧化物固态电解质路线；丰田、三星电子、Solid Power 等主要采取硫化物固态电解质路线。
图8｜固态电池全景图（图片来源：Solid-state battery landscape, QuantumScape, 2021.03）
清陶发展
清陶发展 2014 年成立，由中国科学院院士、发展中国家科学院院士、清华大学材料科学与工程研究院院长清南策文创办。北汽、上汽、广汽分别领投了清陶 E 轮、 E+ 轮、 E++ 轮融资，2021 年 3 月，清陶完成了上海科创基金领投的 F 轮融资，公司估值已超 100 亿人民币。根据清陶披露，公司现已建成“新能源材料—固态锂电池—自动化装备—锂电池资源综合利用—科研成果孵化—产业投资”的完整产业生态链。
技术路线方面，根据官网披露，清陶主要采用纳米级锂镧钛氧（LLTO）、锂镧锆氧（LLZO）作为固态电解质材料。产能方面，2018 年清陶建成国内首条固态锂电池产线，产能规模 0.1 GWh，产品在特种安全领域开展应用。2020 年 7 月，清陶在江西省宜春市建成投产首期年产 1 GWh 固态锂电池项目，投资 5.5 亿元，并计划二期新增产能 9 GWh，投资 49.5 亿元。
清陶开发的第一代量产型动力固态锂电池产品于 2019 年通过国家机动车产品强检，并与北汽、上汽、广汽、合众等多家整车厂就上车开展合作沟通。合众、北汽也分别在 2020 年 7 月展示了搭载清陶固态电池系统的哪吒 U、北汽蓝谷固态电池版纯电动样车。
卫蓝新能源
卫蓝新能源依托于中科院物理所于 2016 年成立，是物理所清洁能源实验室固态电池技术的唯一产业化平台。创始团队包括中国工程院院士、中科院物理所研究员陈立泉，北汽新能源前总工程师俞会根，中科院物理所研究员李泓。卫蓝目前已经获得中科院物理所和中科院科技成果转化基金的投资，以及天齐锂业、三峡资本的产业投资。
卫蓝新能源采用氧化物固态电池路线，根据公开信息，目前公司完成了 300 Wh/kg 以上高镍三元正极的混合固态电池设计开发，已经给多家国际国内整车厂送样测试，成功通过针刺、挤压、过充、短路等滥用试验，循环寿命达到 1200 次以上。
辉能科技
辉能科技（ProLogium）的固态电池于 2017 年量产，主要应用于消费电子和可穿戴电子产品市场，之后，辉能正式进军电动汽车市场。2020 年，辉能完成了中银投资、一汽的 1 亿美元 D 轮融资。根据辉能公开披露消息，目前已经有 6 家整车厂与辉能签署了框架协议，其中就包括一汽。
辉能的固态电池技术路线是采用锂陶瓷（Lithium-Ceramic）固态电解质，同时也包括少于 10% 的液态电解质，电极方面，2020 年以前辉能采用的是 LCO（钴酸锂）+石墨负极的配方，从 2020 年开始调整为高镍三元正极+硅氧负极，这样预期到 2025 年能够达到接近 900 Wh/L 的体积能量密度，同时能够保持良好的安全性。辉能也表示目前 330 Wh/kg、850 - 880 Wh/L 的能量密度在实验室中已经可以实现，但因为成本的因素目前还不能量产。
产能方面，2020 年 7 月，辉能大陆区总部及全球产业基地项目落地杭州临安区，并宣布分两期建设 2G Wh、5G Wh 的固态锂陶瓷电池芯产业化项目，并同时将考虑与车企合资建置产线，预计 2023 年四季度两期产能全部建成。此前，辉能分别在桃园建设了 40M Wh、1G Wh 的 G1 和 G2 工厂产能。
图9｜辉能科技（半）固态电池产品能量密度规划路线图（图片来源：第一电动）
赣锋锂业
2017 年，赣锋锂业引入中科院宁波材料技术与工程研究所研究员许晓雄团队，成立浙江锋锂新能源科技有限公司，切入固态电池研发。2021 年 4 月，赣锋锂业披露公司第一代固态电池做了中试线，设计产能为 0.3GWh，目前正在开发第二代基于高镍三元正极、含金属锂负极的固态电池，能量密度超过 350Wh/Kg，循环 400 次。
丰田
丰田是全球最早进入固态电池研发的企业，可追随到 2004 年，目前在固态电池领域已经积累了超过 1000 项专利，遥遥领先于其他企业或组织。2019 年，丰田宣布与松下合作开发固态电池，并于当年展示了固态电池样品。2020 年，丰田宣布将推出搭载硫化物固态电池的车型，最早可能于 2022 年实现量产。在今年举办的东京奥运会上丰田有可能展示其最新成果。
三星电子
2020 年 3 月，三星电子旗下 Samsung Advanced Institute of Technology（SAIT）在 Nature Energy 期刊发表固态电池研究进展论文，提出了一种以银-碳复合薄层作为负极、以硫化物材料为固体电解质，以高镍三元材料为正极的新型电池材料体系，在无过量锂添加的条件下，这种容量 0.6 Ah 的原型电池实现了超过 900 Wh/L 的体积能量密度，超过 99.8% 的库伦效率，以及长达 1000 次的循环寿命。
在这种新型的电池材料体系中，银-碳复合层作为负极或者说金属锂与固体电解质之间的过渡层，对于循环充放电的稳定性起到了关键作用。单纯使用碳或者银都达不到二者协同的效果。在首次充电后，金属锂穿过银-碳层沉积在负极，少量的锂和银结合成银锂合金，并分布于过渡层及锂层内，对锂层的致密规整化有积极作用。放电后，锂层完全消失，金属锂回归正极。经过多次循环后，银在复合负极中的位置向负极集流体富集，电池的循环性能得到保持。
目前这种新型电池的室温和低温性能相比于传统锂离子电池仍有很大差距，且高昂的材料成本是规模化应用的阻碍，后续仍需大量工作。
图10｜三星电子设计的基于 Ag-C 复合负极材料的新型固态电池（图片来源：Lee et al., High-energy long-cycling all-solid-state lithium metal batteries enabled by silver–carbon composite anodes, Nature Energy, 2020）
QuantumScape
QuantumScape 是一家专门做金属锂固态电池的美国企业，2010 年公司从斯坦福大学科技成果转化而来，创始人包括 Jagdeep Singh、斯坦福大学教授 Fritz Prinz、斯坦福大学研究员 Tim Holme。该公司于 2020 年 12 月在纽约证券交易所上市，成为全球固态电池行业第一股。
QuantumScape 目前拥有固态电池相关专利技术 200+，超过 250 名员工，总融资额超过了 15 亿美金。大众集团在 2018 年、2020 年分别向其投资 1 亿和 2 亿美金，并与其成立合资公司。该公司其他知名投资人还包括比尔·盖茨、大陆集团、Breakthrough Energy Ventures、上汽集团、Lightspeed、Khosla Ventures、KPCB等等。
QuantumScape 开发的是基于 100 % 固态陶瓷电解质（solid-state ceramic separator）的锂金属固态电池。QuantumScape 公开披露的测试数据表明该电池：1）可支持快充，15 分钟可以充满 80 %；2）具有良好的循环寿命，单层电池循环 1000 次依然能够保持 80 %以上的容量，多层电池可循环 800 次并保持约 80 %容量；3）在零下 30 摄氏度的低温环境中也能保持一定运行状态。
目前 QuantumScape 给出的相关数据还是基于电池片原型，并非电芯 cell，距离装车还有较远的距离，根据公司的量产规划，预计最早实现大规模量产装车是在 2026 年前后。
根据中金公司的解读，QuantumScape 的固态电池技术路线极有可能是氧化物体系下的石榴石状复合氧化物固态电池，电解质体系为锂镧锆氧（LLZO）。这种材料是固态电解质中对金属锂负极适配性较优的体系，可以做成隔膜产品，但同时也有高界面阻抗等缺点，且制造工艺复杂。因此，锂镧锆氧电池单体从理论性能上具备一定的实用性，但距离量产还有很长的距离。
图11｜QuantumScape发展里程碑（图片来源：Analyst Day, QuantumScape, 2020.10）
图12｜QuantumScape生产的基于陶瓷材料的固态隔膜与单层电池片示意图（图片来源：Battery Showcase, QuantumScape, 2020.12）
图13｜QuantumScape量产规划：大规模量产装车最早可能在2026年（图片来源：Analyst Day, QuantumScape, 2020.10）
Solid Power
Solid Power 于 2012 年成立于美国科罗拉多州，从科罗拉多大学 Boulder 分校衍生出来，主要生产基于硫化物固体电解质的全固态电池。Solid Power 就全固态电池开发与宝马、福特开启了深度合作伙伴关系。同时该公司还获得了来自三星、现代、福特、Volta Energy Technologies、Solvay 等产业方的投资。目前公司在科罗拉多州路易维尔市拥有 MWh 产能的电池生产线。
2020 年 12 月，Solid Power 披露了该公司研发的 22 层 20 Ah、能量密度达到330 Wh/Kg 的全固态金属锂电池进入量产。按照规划，2022 年能量密度将提升到400 Wh/Kg。根据最新的测试数据，Solid Power 的 2 层原型电池在室温下（29 摄氏度）可循环超 250 次，10 层 2 Ah 原型电池在室温下可循环超 30 次。
Solid Power 宣称其研发的全固态金属锂电池可以利用现有的锂离子电池产能进行生产制造，时间规划上，最早将于 2022 年进行上车测试，搭载其固态电池的量产车型最早可能在 2025 年开始生产。
图14｜Solid Power最新固态电池发布（图片来源：Solid Power Company Update）
图15｜Solid Power固态电池测试数据（图片来源：Solid Power Company Update）
展望固态电池的未来
回顾可充电锂离子电池的发展简史，从 Stanley Wittingham 在 1970 年代首次提出可充电锂电池概念，并采用金属锂作为负极、层状硫化物（二硫化钛）作为正极，到 John Goodenough 在 1970 年代末 1980 年代初改进正极材料为层状氧化物（钴酸锂）、吉野彰 1980 年代开创可嵌入锂离子的富碳材料作为负极，再到 1991 年索尼公司发布首个商用可充电锂离子电池，锂离子电池的研发跨度横跨几十年，且在此之后在科研和工业界的联合推动下仍不断迭代，直到我们今天熟悉的现状。
图16｜早期锂离子电池研发里程碑（图片来源：Xie & Lu, A retrospective on lithium-ion batteries, Nature Communications, 2020）
固态电池的出现是锂离子电池研发的延续，从锂离子电池的研发简史可以推断，固态电池的研发也将经历以十年为单位的技术探索、试错、迭代、优化，这不是一件一蹴而就的易事。锂离子电池的研发成功集成了全世界几代顶级科学家的成果，又因为消费电子、电动汽车、储能系统的大规模应用成为产业发展的关键性因素。固态电池也必定离不开全世界科研与工业界的相互融合，迎着碳中和时代的新需求，共同向前人的成果发起挑战。
目前看来，从锂离子液态电池向全固态电池的过渡依赖技术的迭代，中间将会出现半固态或混合固态电池，液态电解质可能将作为固态电解质的补充而非直接被全部替代，稳定的复合材料而非金属锂作为负极短期内可能更为现实。固态电池应用领域的渗透有可能依次遵循特种设备、消费锂电、动力锂电的路径。
固态电池不同的研发技术路线还没有明显的胜负之分，在一段时间内，采取不同技术路线的固态电池研发都将持续（例如不管是采用哪种材料体系的固体电解质），并都有机会成为下一代电池技术的核心。
当下，液态锂离子电池产业依然保有极其旺盛的生命力，到 2025 年前，液态锂离子电池仍是市场主角。可能最早在 2023 年前后，半固态电池将逐渐进入市场，且因为量产有限成本高企仅在对能量密度要求较高的高端车型上出现，之后的 5-7 年时间是半固态电池向全固态电池进化的关键期，2030 年前后全固态电池可能将较为普及（这里具体时间不是绝对的，或许随着技术的爆发成熟期更早到来，仅供参考）。
2030 年及之后，全固态电池可能将极大程度消解消费者对新能源汽车的里程焦虑问题。且随着充电桩等基础设施的普及，纯电动汽车相比于燃油车和混合动力车型也将更有竞争力，并有可能在此基础上走向纯电动汽车对燃油汽车的完全替代。这是人类全面迈向碳中和时代的关键一步。
特别致谢
感谢吴凡老师对本文的技术指导意见。吴凡老师现任中国科学院物理研究所特聘研究员、博士生导师，中国科学院物理研究所长三角研究中心科学家工作室主任，天目湖先进储能技术研究院首席科学家。他的主要研究方向为全固态电池及固态电解质的基础科学及产业化应用研究。
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参考资料
[1] Liu et al., Pathways for practical high-energy long-cycling lithium metal batteries, Nature Energy, 2019
[2] Zhang et al., Towards practical lithium-metal anodes, Chemical Society Reviews, 2020
[3] Fan et al., Recent Progress of the Solid-State Electrolytes for High-Energy Metal-Based Batteries, Advanced Energy Materials, 2018
[4] Zhao et al., Solid Garnet Batteries, Joule, 2019
[5] Lin et al., Reviving the lithium metal anode for high-energy batteries, Nature Nanotechnology, 2017
[6] Schnell et al., All-solid-state lithium-ion and lithium metal batteries – paving the way to large-scale production, Journal of Power Souces, 2018
[7] Lee et al., High-energy long-cycling all-solid-state lithium metal batteries enabled by silver–carbon composite anodes, Nature Energy, 2020
[8] Xie & Lu, A retrospective on lithium-ion batteries, Nature Communications, 2020
[9] QuantumScape：Analyst Day
[10] QuantumScape：Battery Showcase
[11] QuantumScape：Solid-state battery landscape
[12] Solid Power update 2020.12
[13] 辉能科技：固态电池2022年中实现规模搭载（https://d1ev.com/news/qiye/115371）
[14] 中和储能：技术起底QuantumScape的金属锂固态电池热潮（https://mp.weixin.qq.com/s/F1AyTNI1vp1Acx1CWRKJ7Q）
[15] Cell Press对话科学家｜南策文院士：固态锂电池的未来之路（https://mp.weixin.qq.com/s/oikV68Uo-QdTq4QM3MXLBA）
[16] 中金公司：简析固态电池潜力路线（https://mp.weixin.qq.com/s/sn4h4lRwvQGXLWgdhnqjQA）
[17] 光大证券：固态电池，抢占下一代锂电技术制高点
[18] 申万宏源：技术变革之路任重道远，长期利好锂、镍需求——固态电池行业深度
[19] 天风证券：固态电池哪家强
[20] 中信建投证券：电池科技前瞻系列报告之二——三星长寿命高能量密度固态电池
[21] 前瞻产业研究院：2020年中国固态电池行业研究报告
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