固态电池关键材料：固态电解质全景解析
时间：2025-03-03 13:03
上述文章报告出品方/作者：乐晴智库精选；仅供参考，投资者应独立决策并承担投资风险。
当前全球固态电池产业进程全面加速，技术路线日益明确。根据各大厂商的量产计划，预计小批量量产节奏将提前至2026-2027年，2030年后固态电池有望迎来大规模应用爆发。固态电池被视为是最具潜力的下一代电池技术，全球各大电池厂商、车企和上下游材料和设备厂商都在加大布局力度。01
固态电解质概览
固态电池将传统液态电池中的电解液部分或者完全替换成固态电解质。依据电解液质量含量不同，电池可以细分为液态(25wt%)、半固态(5-10wt%)、准固态(0-5wt%)和全固态(0wt%)四大类。当电解质采用固液混合形态，电池中液态质量占比约5%-10%时为半固态电池；电池中液态质量占比小于5%为准固态电池；不含有任何液体电解质为全固态电池。由于全固态电池界面问题技术难度大，难以在短时间内实现量产，半固态电池率先实现产业化。半固态方案逐步降低电解液含量，同时引入固态电解质以部分改善安全性能。由于仍然有电解液的存在，半固态并非液态到全固态的线性迭代，而是产业化初期的探索方向之一，其发展可以为固态电解质的产业化打好基础。半固态电池本质仍是液态锂离子电池体系，使用的电解质材料包括氧化物、硫化物、聚合物等多种类型，氧化物电解质占据主流。全固态电池的的主流路线将采用硫化物电解质，其核心特征是完全去除液态电解质，采用固态电解质来传导锂离子。
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氧化物固态电解质
氧化物固态电解质拥有适中的离子电导率，一般保留约 5%的电解液。据清新电源，几种比较主流的氧化物固态电解质，例如 LLZO、 LLTO、LAGP 和 LATP 的密度分别为：5.07、5.01、3.56、2.93 g/cm3。其通常呈现出立方或四方的晶体结构，立方相的离子导电性尤为出色。通过掺杂或特定的合成方法，例如铝掺杂可以显著提高其在室温下的离子导电性。由于含有锆、镧等稀有金属和小金属，LLZO原材料成本会更高。公开资料显示，清陶能源已突破核心固态电解质（包括LLZO、LLTO）的生产技术，并可以通过高速分散、流延成型等方式，制备含氧化物颗粒在聚合物骨架上均匀分散的复合电解质膜。规划年产10GWh固态锂电池项目，与上汽合作研发的固态动力电池已应用于上汽自主品牌新款车型。蓝固新能源LATP/LLZO/LLTO产品可提供公斤级/百公斤级/吨级包装，以粉体或浆料形式供货，供货卫蓝新能源等固态电池企业；上海洗霸实现LLZO氧化物电解质吨级量产，形成较为成熟的工艺流程，并且已经供货比亚迪刀片固态电池项目；赣锋锂业聚焦氧化物厚膜技术路线（包括LLZO），发明了新型的“polymer-in-ceramics”类型弹性特质的无机-聚合物复合固态柔性电解质膜，建成0.3GWh固液混合产能，东风汽车与赣锋锂业合作开发的高比能固态电池已搭载于东风E70车型上；天目先导一代LATP，二代LLTO/LLZO可以粉体及浆料形式批量交付，供货卫蓝新能源等固态电池企业。此外，石榴石结构氧化物固态电解质LLZO的原料 ZrO2 约占总原料重量的 25%，据三祥新材公告，公司依托自身锆材料业务优 势，战略性投资佛山陀普科技共同与下游客户开展固态电解质产品开发等工作；东方锆业是全球最大固态电解质氧化锆供应商，市场占有率超过50%，高纯度纳米氧化锆（用于LLZO）产能预计2025年达1万吨。资料来源《Solid-State Battery Roadmap 2035 》，行行查LLTO是一种钙钛矿型固态电解质材料，具有优异的离子导电性能。其晶体结构属于正交晶系，其室温离子电导率可以达到10−4−10−3S/cm，在晶体型固态电解质中拥有较高的晶体电导率。缺点在于如对锂金属的浸润性较差，在充放电过程中容易生长枝晶，造成电池短路。此外，四价钛离子容易发生还原，对锂离子电池商用正极材料如磷酸铁锂等不稳定。公开资料显示，LLTO是卫蓝新能源、蜂巢能源等厂商固态电解质材料体系中的重要组成部分。
LAGP是一种锂超离子导体型氧化物固态电解质，具有优异的离子导电性能和良好的化学稳定性。国内厂商中，LAGP固态电解质研发方向厂商包括德尔股份、南都电源等。德尔股份的固态电池采用氧化物电解质技术（包括LAGP固态电解质），能量密度首次突破260Wh/kg；南都电源研发的20Ah全固态电池，能量密度高达350Wh/kg，循环寿命长达2000次，已成功国际标准的热箱和短路安全测试。
LATP固态电解质是由磷酸铝钛锂化合物与聚合物复合制成的新型电解质材料。原材料主要包括磷酸二氢铵、碳酸锂、氧化铝和二氧化钛等。LATP型原材料成本测算约为2万元/吨，当前氧化物电解质销售价格约10~30万元/吨，远期降本空间大。该类型布局的厂商包括金龙羽、璞泰来、盟固利等厂商。金龙羽已完成10kg级LATP固态电解质粉体和浆料的制备工艺验证，并具备年产10吨级产能；璞泰来完成了LATP固态电解质的中试，并已成功制备出高致密度、高电导率的LATP电解质片；盟固利的LATP型固态电解质已在固态电池头部企业处完成材料认证；此外，昆仑新材、厦钨新能、普利特、瑞泰新材、德尔股份、天目先导、蓝固新能源等在该领域也有所布局。当前国内部分企业已经初步具备了LATP、LLZO 和 LLTO 等具有应用潜力氧化物固体电解质的量产能力，其中赣锋锂业、天目先导、清陶能源、贝特瑞、璞泰来等企业已实现氧化物固态电解质商业化生产能力。此外，国瓷材料已完成多种氧化物固态电解质产品的研发和布局，包括由氧化锆合成的锆酸基固态电解质；容百科技开发的氧化物固态电解质已与其自主研发的高镍正极材料搭配使用。从电池企业的角度而言，比亚迪、卫蓝新能源、太蓝新能源等企业已在进行氧化物固态电池的产能布局，电池能量密 度在 300-500 Wh/kg。整体来看，我国氧化物固态电解质商业化推进速度较快。
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硫化物固态电解质
硫化物固态电解质具有优异离子电导率且密度通常较低。例如，中国科学技术大学马骋教授团队研发的新型硫化物固态电解质Li7P3S7.5O3.5（LPSO），其密度为1.70 g/cm³，显著低于氧化物和氯化物固态电解质的密度。硫化物固态电解质以锂和硫为主要成分，并可以由磷、硅、锗或卤化物等元素补充。二元体系硫化物固态电解质：主要由硫化锂和五硫化二磷组成。兴发集团有五硫化二磷产能优势，粤桂股份等厂商也有所布局。三元体系硫化物固态电解质：在二元体系的基础上掺入硫化锗或其他物质。云南锗业作为国内唯一量产硫化物电解质锗源（四氯化锗）的企业，其四氯化锗可用于合成硫化物固态电解质。当前制约硫化物固态电解质大规模商业化应用的因素包括成本高、界面稳定性较差、 对空气的敏感性。由此也限制了硫化物固态电池规模化生产。国内部分企业已具备硫化物固态电解质吨级量产能力，其中以高校科研背景的初创企业，以及传统锂电材料公司为主。除了规模化降本之外，用 Li2O 或其他廉价氧化物替代 Li2S 作为锂 源，也可降低成本。TrendForce 预估，硫化物基固态电池产业化初期电芯 BOM 成本在 1-2 元/Wh。2030 年，当全固态电池应用规模达到 10GWh 以上时，电芯价格有望降至 1 元 /Wh 左右。硫化锂制备工艺主要分为固相、液相、气相三种路径。固相法中的碳热还原法是当前合成硫化锂的主流工业方法，容百科技、恩捷股份等在此路线上有所布局；气相法基于厦钨新能自研冶炼技术提炼的活性锂化合物，能够在与含硫化合物反应（非硫化氢）后一步形成高纯度硫化锂。而硫铁矿作为非金属矿物原料，可以用于制取硫酸，部分用于炼制硫磺，国内粤桂股份、司尔特、云图控股等企业都具有硫铁矿开采能力。目前全球电池龙头企业以中国厂商宁德时代、恩力动力、蜂巢能源、高能时代；日本企业丰田、松下；韩国企业三星SDI、SK On；美国Solid Power为代表均积极投身于硫化物基全固态电池的开发与推进中。在全球化竞争的背景下，发展固态电池具有战略意义。随着产业进程全面提速，各大电池厂商和车企都在陆续加码布局，产业链各环节有望迎来全面机遇。
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