固态电池：为什么要大力发展固态电池？| 固态电池会颠覆现有的锂电池吗？

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2024年初，大众旗下的电池公司PowerCo宣布其对美国氧化物固态电池初创公司QS 提供的电池进行了1,000多次充电循环测试，其容量保持率还有95%。如果按照标准电动车 75 度电续航 500 公里的逻辑来计算的，那么相当于完成了50 万公里的耐久性测试（参考 全固态时代来了：QS公司全固态电池通过大众汽车50万公里耐久性测试 ）。

消息一出，QS的市值一天内飙升了40%以上，虽然后面股价缓慢回落，但是这一消息还是对整个固态电池产业产生了显著的影响，尤其是很多高层领导都在咨询QS具体的技术细节。

实际上，QS这一款电池大概率是混合固液电池，容量也不到5Ah，远不到装车的水平（详细可参考 全固态电池会是谁的时代 ）。其技术路线可能类似于麻省固能SES的混合锂金属，不过后者的电芯已经到B样阶段，可以给车企送样进行装车测试了(参考 20231213 SES锂金属电池进展发布会简评 )。

即便如此，说成锂金属电池关注的人寥寥无几，说成全固态就能吸引全世界的眼球。那么，全固态电池有何特殊之处？为何要大力发展？其底层的逻辑是怎样的？本文带您分析。

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一、动力电池演变的逻辑

2021年以来，随着宁德时代和比亚迪引领的CTP技术的普及，电池包给到电芯的空间得到了很大程度的释放，对电池能量的提升起到了立竿见影的效果。使得采用中镍高电压的三元电池可以轻松超过100kWh，达到了120kWh的水平(参考 三元电池单体最大容量会止步在280Ah吗？ )；而采用高镍三元配硅碳的麒麟电池甚至高达140kWh, 续航也达到了1000km（参考 麒麟电池首款高比能电芯分析 ）。更为重要的是，CTP技术的普及导致更加便宜且安全的磷酸铁锂电池也能够满足乘用车的里程需求了。比亚迪刀片电池的能量已经来到了80-90kwh，整车的续航也超过了700km，已完全满足消费者的要求（参考 刀片电池打破LFP乘用车带电量天花板 ）。

磷酸铁锂电池天然伴随着安全和低成本的优势，在续航短板被弥补的情况下，其在新能源汽车的渗透率迅速提升，从2021年的52%（首次超过三元）增加到2023年的67.3%，考虑到储能和电动船舶领域基本100%是磷酸铁锂电池，其总占比已经超过70%，成为了绝对的主流。随着国外的大众，福特等车企也转向LFP这一技术路线，以后其在全球范围的占比也会越来越高。

不过跟装机量增长不协调的是，大部分电池企业并没有赚到钱。 根据鑫椤资讯的研究数据，除了锂资源外，电池行业的毛利率普遍只有10~20%，净利率基本是3~10%。很多企业赔本赚吆喝，拿着非常微薄的净利润，只是市场规模足够大，装机量数据比较好看而已。

比如中航作为国内装机量前三，已经跟第四名拉开了很大差距，而且三元电池的装机量也仅次于宁德时代国内第二，但是其毛利率水平一直比较低，2021年度为7.5%，2022年电池价格飞涨其毛利率也就增长至10.3%。而销售净利率也很低，从2021年的1.6%增长至2022年3.4%。这样的利润表现资本市场并不认可，其市值也一直没有起色。

此外，蜂巢能源上市之路也是举步维艰，从2022年底被上交所受理，期间两次因财务资料过期而终止，最终在2023年底蜂巢主动撤回申请，终止了A股上市之路，并考虑启动其他融资方案(参考 突然，科创板在审最大IPO终止 )。

虽然蜂巢能源国内动力电池装机量已经提高到第六名，三元装机量更是升到了第五(参考 2023年国内动力电池累计装车量：累计387.7GWh，同比增31.6%，宁德时代、比亚迪、中创新航位前三 )，但其净利润连年为负，靠着各级地方政府的无息和低息贷款来维持较高的产能，压力不言而喻。就连其CEO杨红新也希望2024年原材料采购的降本幅度能够达到15~20%，否则在整个行业竞争中就很难生存下去。

而产业链为了降本，不断地去探索低端材料的使用，比如石墨负极的前驱体高端针状焦和低端石油焦的比例，2021年是5:5，到了2023年就可能是4:6或者3:7了。而且焦的杂质硫含量之前只用1%以下的，今年为了降本，含硫3%的焦也在用了，这对电池的综合性能是有影响的。此外，石墨负极的金属异物如果管控的不好，对电池性能和自放电也都有负面影响。

二、为什么要大力发展固态电池？

CTP技术的普及虽然推动了LFP电池的兴起，但从供应链上来看，电池的产能规划到2030年都是过剩的，这就进入了买方市场。而且目前的LFP电池有标准化发展的趋势，替代品很多，转换起来也容易，导致 客户的忠诚度并不高，基本上是哪家便宜就用哪家。

目前的现状是车企提个需求，供应商都想着去满足，而且很多时候连开发费都不收。此外，车企也可以自研电池，不用自己造电池，而是找供应商代工生产，包括特斯拉的4680以及宝马的4695等大圆柱电池也是类似的思路，通过标准化电芯来降低转换风险，获取更低的采购价格。

跟标准化的LFP电池形成鲜明对比的是，三元电池的差异化目前还比较显著：比如松下在圆柱电池领域独树一帜，LG化学软包电池全球领先，CATL的方型铝壳电池指标出众。而且这几家企业都深耕三元电池，尤其是高镍和硅碳材料，在综合性能，质量控制和电池安全防护等方面形成了较高的壁垒。

也就是说，车企在使用三元电池时，能够选择的企业是比较受限的 ，比如大众的MEB项目，基本是LG的软包或者CATL的方形电池，国内的ID系列电动车除了C 公司之外几乎没有其他企业形成稳定的供应。通用的奥特能平台也是如此，北美LG软包，国内CATL的方型铝壳。本质上三元的安全性不如LFP，制造过程中的一些缺陷很容易导致使用过程中的着火爆炸，尤其是高镍三元，这方面LG赔偿通用汽车已经损失惨重。特斯拉和宝马也是押注容量更低的大圆柱来改善整包层面的安全。

可见安全方面很大程度上可以区分不同的电池企业，放大某些企业的竞争优势，使其脱离同质化产品的白热化竞争，而取得行业引领的地位，保证其核心客户的忠诚度 。

中科院院士，清华大学欧阳明高教授也坦言，动力电池从2000年开始，第一个十年主要是解决动力化的安全问题。从2010年开始的第二个十年，是用智能化手段推动全动力电池全产业链的技术革新。第三个十年，“我们认为是新材料的换代，也就是开始研发以固态电解质为核心的全固态电池，预计到2030年会趋于成熟”。因为锂离子电池用于动力，第一个问题就是安全，而安全问题现在还在继续解决。

1. 为了解决电池系统的安全问题， 首先是被动安全，主要是在电池包层面应对热失控蔓延 ，保证单个电芯热失控不会导致车内乘员的安全，这方面每家企业都会想办法去优化，因为这是国标GB 38031-2020的强制性要求，目前来看各家没有太显著的区别。而且标准是诱发单个电芯热失控，如果多个电芯同时热失控那么安全性还有待观察。

2. 第二是 主动安全，通过提前监测预警的方式应对各种热失控的诱因，避免电池最终发生热失控，发展的产品就是智能电池 。这个的实现是通过检测电池的核心参数，包括电流，电压，温度等，并根据这些参数进行相应的算法优化，来提前识别风险。这方面也有国家的相应标准，参考《GB/T 32960-2016 电动汽车远程服务与管理系统技术规范》，所以也很难对各家企业的产品进行区分。去年曾有蔚来换电站起火的信息，就是因为车企通过大数据识别到潜在隐患，并通知车主到最近的换电站，没想到最后在换电站起火了（参考 蔚来换电站着火，电池安全隐患何时才能根治？ ）

3. 最后也是最核心的就是电芯的本征安全，提高电池本身材料的热稳定性，来防止热失控发生 ，这也推动了全固态电池的研发和换代。由于全固态电池还没有任何一家企业进行大规模的装机和示范应用，一旦在这方面取得成功，并且进行完整的专利布局，就会有非常显著的竞争优势。

这也是日本举全国之力发展固态电池的初衷，一旦成功，就可能守住其在高端安全电池的地位和优势，从白热化的竞争中脱颖而出，继续维持较高的利润率。欧阳明高院士团队原本也不做固态电池的，只是研究电池在系统里的安全，这两年也在宜宾布局全固态电池了。

而从车企尤其是豪华车企的角度来看，全固态电池的应用也能让其脱颖而出，做到人无我有，进而维持其较高的品牌溢价。

比如在江浙沪一带，很多消费能力较高的人士就偏向BBA等企业的产品，很多购买特斯拉的车主也是类似的心态。但是目前国内的BBA等车企用的电池基本都是CATL的，无法跟其他国内车企（比如吉利，东风，蔚来等）区分开来，售价又比较高，智能化也不足，导致销量平平。

特斯拉德国版使用比亚迪的磷酸铁锂电池，那比亚迪自己也用，电池没啥区别（还有丰田的bZ3车型，基本用的是比亚迪的全套系统）。

对于欧美高端品牌，做到人无我有对维持品牌溢价至关重要。 从这一点来看，半固体如果没有特殊的技术或者比较明显的性能提升，其意义并不大，尤其是现在的很多半固体的技术路线其实跟液态很接近（参考 半固态电池已经演变为液态电池？ ）。

此外，海外新能源汽车的价格要远高于国内，其竞争并没有到白热化的地步，消费者的购买力相对也比较高。如果固态电池能解决安全问题，即使售价略高，很多消费者也是能够接受的。

比如大众ID.3在德国的售价是国内的2.5倍以上，国内12.59万，德国要30万。这一轮电动化的浪潮，国内已经来到了降价内卷的阶段，但欧美还停留在补贴和积分阶段，所以车企宁愿卖不掉也不会主动降价，只能由政府提供补贴来弥补跟燃油车的价差。

固态电池就相当于手机行业的芯片，很多人拿两者来比较。目前手机高端芯片行业基本是苹果，高通和联发科三足鼎立，而且有很高的专利壁垒。国内自从华为被制裁之后，在高端芯片的设计以及制造等领域被卡了脖子，最近虽然有所突破，依然还有三年以上的代差。而且台积电受限于美国的核心专利也无法给华为代工生产。

固态电池也是一样，一定要想办法突破国外的技术垄断，尤其是硫化物领域，日韩的专利众多，想要完全避开可能难度很大。所以欧阳明高院士研究团队除了硫化物之外、也兼顾一定的氯化物，因为卤化物领域相对更新，专利壁垒也没有那么高。

虽然从国家和公司的战略来看，全固态电池是必须要大力开发的，来彰显竞争优势，形成专利壁垒，提高产业的利润率，但是 从技术层面来讲，全固态电池存在的问题还有很多，并不一定是最佳的选择。

比如近期梅赛德斯-奔驰首席技术官马库斯 ・ 舍费尔（Markus Schäfer）就认为， 固态电池技术虽然在安全性方面确实领先，但目前并未展现出明显的成本或能量优势，对于未来电动汽车“可能并非必要”。 因为锂电池技术在安全这一领域也在持续进步。此前关于固态电池大规模应用的“过于乐观的预测”让他想起“自动驾驶领域的预测”，暗示自动驾驶技术的发展远没有当初预期的那样顺利，行业也调低了对其普及的预期。

小结： 钠离子电池和固态电池，这两种新的动力电池有望帮助新能源汽车迈向2.0时代。而在这新时代的进程当中，钠电池中国品牌会依然处于领先地位，且凭借产业链的强大也能够显著降低成本。但布局的企业太多，技术壁垒几乎没有，要警惕沦为代工厂的可能。

反观全固态电池难度很大，且日韩企业有先发优势，尤其是在硫化物核心专利的布局上。 为了抓住产业链的高点，提高竞争优势和利润率，做到人无我有，一定要大力发展固态电池，为以后电池路线的可能突破提前做好准备。 不仅要把电池产业做大，还要做强，保证在高端领域的份额。

当然了，如果不用全固态电池，也能另辟蹊径保证高比能电池的本征安全的话(比如不可燃电解液，不可燃隔膜等)，那也是一种思路。如果哪家能够率先研发出类似的技术，也有望在未来的竞争中出于领先的地位，成为电池行业“夜空中最亮的那颗星”。

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2024年1月21日，由欧阳明高院士发起的 中国全固态电池产学研协同创新平台(CASIP)  在北京举办了揭牌仪式，会上邀请了来自工信部、能源局，物理与化学电源协会，中国产学研合作促进会等部委和协会的领导致辞，对固态电池的发展前景以及CASIP恰当其时的成立给予了较高的评价。

此前业界就对固态电池寄予厚望，号称是锂离子电池的“最终形态”，是对现有业态锂离子电池的颠覆性创新。那么，CASIP成立的目的是什么？全固态电池真的会颠覆现有的锂离子电池吗？本文带您分析。

一、 CASIP 成立的目的

关于中国全固态电池产学研协同创新平台 (CASIP) 成立的目的，欧阳明高院士在其主题报告中做了比较完整的表述。主旨概括起来如下：

1. 过去十年中国动力电池产业的发展取得了辉煌的成就，电池能量密度提高 3 倍，成本下降 80% ，电池产量占全球接近 70% 。这些辉煌成绩有力保证了新能源汽车的发展：去年新能源汽车的销量接近 950 万辆，渗透率超过 30% 。有望在 2025~2026 年达成渗透率 50% 的目标，比原定的 2035 年提前 10 年左右。而且新能源汽车的领先也对汽车出口产生了积极影响，去年 950 万辆车里面有 120 万出口到海外市场，助力我国超越日本，成为世界第一大汽车出口国。

2. 虽然成就有目共睹，但是动力电池产业的发展面临着产能过剩以及行业内卷的问题。其中低端的磷酸铁锂电池价格已经跌到了 0.4 元 /Wh ，并且有望持续下跌到 0.32 元 /Wh 左右，这样的价格已经低于成本线。

所以除了头部的两家企业之外，国内大部分动力电池企业并没有赚钱，还处于亏损状态。我们不能总盯着低成本的电池来内卷，也要开发高比能高安全的电池来占领高端市场。

3. 为了改善高比能电池的安全，欧美日韩普遍采用了全固态电池的路线。尤其是在硫化物技术路线方面，日本深耕多年，专利和技术遥遥领先，这一轮硫化物固态电解质电导率的提升都是日本团队主导的。尤其是东京工业大学的 Kanno 教授，可以说凭借一个课题组之力将硫化物电解质的离子电导率提高到了逆天的程度，也侧面促进了丰田从 2012 年开始的固态电池布局。

韩国的三星 SDI 电池性能也很不错，美国的 Solid Power 的电池 A 样也已经给宝马测试。而我国在还主要停留在半固体电池的阶段，其基本思路跟液态电池是一致的，只是提高了安全性，不是颠覆性技术。

4. 目前在全固态电池专利布局上，日本遥遥领先，尤其是丰田已经有超过 1300 个全固态电池的专利授权，而国内大部分企业专利授权数量不足 100。

考虑到全固态电池是一种颠覆性的技术，在安全性，能量密度，温度范围，倍率以及系统集成效率等多个方面超过目前的液态锂电池。我们必须要提前布局，避免在该领域被欧美日韩弯道 / 换道超车。

5. 基于以上分析，考虑到目前国内对于全固态电池研发认识不统一，力量比较分散，产学研不协调等现状，急需联合起来建立协同创新平台，从基础研发，科研服务，以及产业协作等几个方面来统筹协调国内全固态电池的发展。

既能够解决共性问题，比如 Li ₂ S 的大规模合成，固态电池设备的统筹开发等（会上欧阳明高院士提到，如果采用全固态电池以及干法工艺，目前的锂电设备大约 60~70% 都要重新开发），也能保留各家企业的特色技术，加快全固态电池的创新发展，来赶上欧美日韩 2027~2030 年全固态电池的量产时间节奏。

同时也能够让制定政策的高层乃至普通消费者们掌握固态电池的发展现状和未来趋势，不再为国内电池的发展前景担忧。

二、全固态电池会颠覆锂离子电池吗？

虽然全固态电池号称是锂离子电池的“最终形态”，但是其发展的时间比液态锂电池更早。这从物理所陈立泉院士今天的报告中可见端倪，全固态电池早在 20 世纪 70 年代就开始研发， 90 年代初由于索尼公司成功商用了液态电解液的锂离子电池，固态电池退居幕后。随着电动汽车的广泛普及，电池安全的重要性不断提高，在 2011 年以后重新引起了学术界和产业界的瞩目。

全固态电池的核心是改善电池安全，正是因为电芯本征安全的改善，就可以使用更高能量密度的材料体系，做成高比能的电池。

不过在取消隔膜和电解液以后，电池内部的空间都要由固态电解质进行填充，如果采用石墨或者硅负极的话，正负极的孔隙率都要考虑，即使是密度较低的硫化物电解质，其质量占比一般都在 20% 以上，导致同样的正负极配方，固态电池的比能量不占优势(参考 全固态电池更加务实了 )。

比如欧阳明高院士展示的 350Wh/kg 的硫化物全固态电池，正极克容量 235mAh/g,  负极硅克容量 2400mAh/g,  要是用液态电池的话，那么能量密度可以达到 450Wh/kg( 不过电芯的安全性可能会比较差 )。

从这个意义上讲，宁德时代的凝聚态电池比能量达到了 500Wh/kg,  虽然不是全固态这种颠覆性技术，如此高的比能量依然让其他固态体系望尘莫及。

实际上，欧阳明高院士课题组也做了基于原位聚合的半固体电池（类似于凝聚态），通过电解液配方的优化以及聚合物包覆层对正极释氧的阻隔，热失控特征温度 T2 提升接近 50 ℃，并且比能量可到 320Wh/kg,  充电倍率 4C, 1C 循环寿命 1500 次以上。

而且这些是在不怎么增加成本的情况下实现的，在国内车企既要又要还要也要的 复杂 需求下，虽然半固体电池算不上颠覆，但是短期内有望迅速铺开。

当然了，全固态电池的核心还得是高端化，从电解质材料合成到电极制作都有较高的壁垒，这样才有更多的利润。比如近期韩国的 SK On 跟美国硫化物固态电池初创公司 Solid Power 签署合作协议，其中在电池设计和生产工艺的方面， SK On 需支付 2000 万美元，才能得到后者的授权进行研发活动，且仅限研发，不能量产。生产线的组装还得额外支付 2200 万美元，而且还得独家从 Solid power 购买硫化物电解质，预计也要 1000 万美元。

不过这样的合作方式估计在国内很难展开，因为国内从事某一行业的人才高度集中，且专利意识不强，人才的流动很容易导致技术的流动，所以一旦哪家掌握了固态电池的技术，其他家可能很快就会赶上。比如手机的 AI 大模型， 2023 年寥寥无几，今年全都上了；卫星通讯也随着华为的引领，变成了各家旗舰机普及的性能。

综合来看，全固态电池很难颠覆现有的锂离子电池。不过在特斯拉 model S 出现之前，国内也几乎没人相信电动汽车能搞成，因为电池的能量不够，续航太短；苹果当初搞触屏智能手机，诺基亚摩托罗拉们也是嗤之以鼻，因为这手机打电话不稳定，短信也不能群发，最基本的功能都无法保证；丰田的 HEV 技术超级节油且可靠性也很高，谁能想到比亚迪的 DM-i 取消了多档变速箱，且国内 LFP 电芯成本能降到 0.4 元 /Wh 以下，使得 PHEV 的性能和成本超过了 HEV 。

所以说对全固态电池还是要满怀敬畏之心，就如乔布斯所说的 ”Stay hungary, Stay foolish” 。

小结： 随着中国全固态电池产学研协同创新平台 (CASIP) 的成立，我国全固态电池的发展迈入了新的阶段，从之前的单打独斗到后面的产学研协同，希望能够在跟日韩欧美的激烈竞争中脱颖而出，赶在 2030 年前全面实现商业化。

虽然从目前的技术路线来看，全固态电池很难彻底颠覆现有的锂电池，但是不能忽略人工智能 AI 技术在新材料开发中的变数。考虑到国内产业的发展现状和投资环境，能有多少企业坚持到 2030 年还是未知，过程中可能需要政府的专项支持，至于后面的政策如何，让我们拭目以待，静待花开。

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