1.简介
1.1. 定义
固态电池指使用固态电解质代替电解液的锂电池。根据固态电解质用量的关系，可以将其细分为半固态电池和全固态电池两大类：
1） 半固态电池：电解质采用固液混合形态，电池中液体（电解液）质量占比5-10%左右。本质上是液态锂电池和全固态电池的折中方案。
2）全固态电池：完全使用固态电解质代替电解液。
一般将“电池内液体质量占比10%”作为半固态电池和液态电池的分界线。
1.2. 驱动因素
从液态电池向固态电池的转化，从长期来看是电池技术发展的大趋势。推动这一转化的原因主要有安全性、能量密度两点。我们认为车企采用固态电池替代液态电池，安全性为短期驱动因素，能量密度为中长期驱动因素。
安全性主要包括热稳定性和锂枝晶两大问题。1）热稳定性：即隔膜熔化导致正负极短路的问题。液态锂电池隔膜材料PP/PE聚合物的玻璃化转变温度约为140-160度，经过涂覆处理后可提升至160-180度。但超过此温度后，聚合物会转化为流动态，导致正负极直接短路。2）锂枝晶：即锂枝晶刺穿隔膜导致电池短路起火的问题。锂离子在充放电过程中会部分还原，沉积在极片上形成锂枝晶，锂枝晶生长到一定程度将刺穿隔膜，导致电池短路起火。
短期来看，安全性是车厂采用半固态/固态电池的主要考量因素。液态锂电池由于短路起火概率较高，在威胁车内乘客安全的同时，也增加了车辆因安全问题召回的概率，为车厂带来额外成本负担。
能量密度指固态电池通过引入新型负极材料（硅基负极、金属锂负极）及正极材料（镍锰氧LNMO，层状富锂锰等）实现能量密度提高。目前应用高镍三元 硅碳负极的液态电池（例如4680）能量密度约为300wh/kg，但固态电池在应用新型材料后，能量密度可提升至500wh/kg以上。但新型材料的电压较高，超出电解液适配的极限，因此必须配合固态电解质才能应用于电池中。
短期来看，能量密度并非车厂的主要考量。目前高能量密度的811/NCA三元正极由于安全性较差、原料价格高等原因，尚未占据主导地位，因此液态电池的平均能量密度仍有提升空间。且目前金属锂负极等新材料仍有较多技术问题尚未解决，我们预计第一代半固态/固态动力电池仍将采用现有的三元 石墨（或硅碳）材料体系。
需要注意的是，安全性和能量密度之间也存在联系，例如应用金属锂负极后，锂枝晶问题更加严重，对电池安全性也提出更高的要求。
1.3. 技术迭代路径
从液态电池到固态电池的技术迭代路径大致遵循“固态电解质-->新型负极-->新型正极”的顺序，如下表所示：
Step 1: 引入固态电解质，保留少量电解液，正负极仍为三元 石墨（或硅碳），但可能采用负极预锂化技术提高能量密度。
Step 2: 用固态电解质完全取代电解液，正负极仍为三元 石墨（或硅碳），但可能采用负极预锂化技术提高能量密度。
Step 3: 在Step 2的基础上，用金属锂取代石墨负极，正极仍为三元材料。
Step 4: 在Step 3的基础上，用硫化物/层状碳/层状富锂锰等材料取代正极。
表：固态电池技术迭代路径
图：不同阶段固态电池技术示意
2. 和液态电池的比较
2.1. 结构方面
和液态电池相比，半固态/固态电池最大的特点在于引入了固态电解质。以取代现有的电解液 隔膜的电池构成。但半固态电池和固态电池的结构又有所不同：
半固态电池：保留部分电解液和隔膜结构。半固态电池出于提高导电能力的需求，在加入固态电解质的同时，仍保留了少量电解液，也因此需要隔膜作为分隔正负极的结构。另外根据不同的技术路线，固态电解质也有颗粒状和膜状等多种结构。
全固态电池：不保留电解液，隔膜不确定。在全固态电池中，电解液将被固态电解质完全替代。隔膜是否被替代，要视不同技术路线而定。在一些固态电池技术方案中，隔膜被保留作为支撑极片的架构；而另外一些方案中，隔膜则被完全取消。
图：固态、液态锂电池对比
半固态、固态电池对电池各类主材及辅材需求的影响如下：
1.电解液：短期需求将有所抑制，长期将被显著替代，更换为固态电解质。短期来看，我们预计半固态电池商业化应用的概率更大，因此电解液仍将有一定的应用；但长期（5年以上）随着全固态电池的渗透率提升，电解液将被显著替代。
2.隔膜：短期不会被替代，长期视主流技术路线而定。短期来看，在半固态电池率先产业化的前提下，隔膜仍是电池至关重要的核心材料。长期来看，随着全固态电池的普及，隔膜是否被取代要看哪种技术路线占优。
3.三元/石墨正负极：短期替代效应不大，长期将被取代。现有的三元/石墨正负极结构可兼容固液混合/固态电解质结构，鉴于正负极新型材料应用仍需时间，三元/石墨正负极仍将有广泛应用。长期来看，其将被金属锂/层状富锂锰等取代。
4.结构件：固态电池封装技术以软包为主，方形、圆柱构型较为少见，对结构件的需求不大，但会增加铝塑膜的需求。
5.铜箔、铝箔：和正负极的更新换代保持一致。
6.导电剂等辅材：会更新换代，但不会被替代。
2.2. 优劣势
2.2.1. 优势：
1.能量密度：固态电池能量密度相较液态电池是否有提升，要视不同的正负极材料而定。
1）我们预计第一代固态电池由于继续采用传统三元/石墨正负极材料，其能量密度相较液态电池提升并不显著。由于固体密度大于液体，若用同等体积的固态电解质取代电解液，电池的重量将会增加，导致以重量计算的电池能量密度(wh/kg)下降。而短期内，由于金属锂等材料实用化仍面临较大瓶颈，首代固态电池仍会采用三元/石墨正负极材料。虽然可以配合负极预锂化等技术提升一定的能量密度，但和电解质增重后的能量密度降低相对冲，总体能量密度提升幅度较小。2）后续固态电池由于采用新型正负极材料，能量密度将有显著提升。随着金属锂、层状富锂锰、硫化物正极等新型材料的应用，固态电池的能量密度将显著突破液态电池300wh/kg能量密度的上限。
2.安全性：半固态/全固态电池采用固态电解质，安全性相较液态电池显著提升，其中全固态电池的安全性更高。
1）锂枝晶方面，固态电解质可抑制锂枝晶生长速度，且锂枝晶较难穿透固态电解质造成正负极短路；2）可燃性方面，固态电解质的燃点高于电解液，电池不易起火；3）热稳定性方面，不同成分的固态电解质耐热极限差异较大（400度-1800度不等），但均显著高于液态电池隔膜的耐热极限（160度）。半固态电池由于保留少量电解液，安全性稍差于全固态电池，但仍旧大幅优于液态电池。
2.2.2. 劣势：
性能：全固态电池由于固态电解质导电率差，电极和电解质界面接触不良，使得内阻较大，循环性能及倍率性能差。半固态电池由于保留电解液，上述性能相较固态电池稍好一些。1）导电率上，现有的固态电解质导电率（即锂离子迁移速率）相较液态电解质低1-2个数量级，电导率低导致电池内阻大。2）界面接触上，固态电池面临固-固界面接触难题：电极材料会随着充放电过程膨胀及收缩，液态电池由于电极材料浸润在电解液中，二者可长期保持稳定接触；而固态电池随着正负极膨胀收缩，容易和电解质颗粒之间产生缝隙，导致界面接触变差，长期充电循环会加大固态电解质破裂或和电极分离的可能。半固态电池由于保留少量电解液，可以部分弥补导电率低、界面接触差的问题。
其他技术问题：锂枝晶可能会折断，导致“死锂”情况发生，降低电池容量；金属锂循环过程中出现多孔，体积无限膨胀。
成本：电解质成本显著高于现有电解液，显著提高半固态/固态电池成本。【核心在于找出半固态电解质的成本】
3. 技术路线
3.1. 电解质
按照电解质化学成分划分，固态电池可分为聚合物、氧化物、硫化物电解质三种类型。
1）聚合物电解质：易加工，耐受高电压，制备成本低，技术较成熟，已实现小规模量产，产品性能与电解液类似。但离子电导率和循环寿命有待提高，界面电阻高，容易脆裂。
2）氧化物电解质：导电率高于聚合物，耐受高电压，但界面电阻高，固-固接触会持续变差，且对空气较敏感。布局企业包括清陶、卫蓝、辉能、赣锋、宁德等。
3）硫化物电解质：导电率和能量密度最高，接触性好，且容易加工。但温度范围较窄（60-85°C）。布局企业包括松下、三星；宁德、清陶，SolidPower等。
图：全固态电池电解质技术路线
