全球固态电池技术研发和应用进展分析

固态电池作为一种新型高效能源存储技术，是下一代电池技术竞争的关键制高点。2024年1月以来，固态电池技术在提升续航能力和延长使用寿命方面取得突破性进展。日本大型电池企业麦克赛尔研发的圆柱形全固态电池容量超过传统陶瓷封装型电池的25倍[1]。大众旗下电池子公司PowerCo发布公告，证实Quantum Scape固态电池在完成1000次充放电循环后仍能维持95%的原始容量[2]。同时，全球首家千兆级固态锂陶瓷电池工厂在中国台湾落成[3]，是全固态电池产业化的重要里程碑。本文梳理了近期主要国家（地区）电池产业发展战略布局，并针对固态电池研发的三大技术路线，分析了其最新研发动向和产业进展。

  一、主要国家（地区）固态电池研发相关规划

  自2021年以来，主要国家（地区）相继推出电池产业相关战略，研发高能量密度固态电池并实现商业应用是各主要国家的战略目标之一。美国在2021年发布《锂电池2021—2030年国家蓝图》[4]，提出到2030年实现包括固态电池在内的先进电池技术的规模化生产，固态电池目标能量密度达到500瓦时每千克。日本在2022年8月更新的《蓄电池产业战略》[5]中，提出了到2030年左右实现全固态锂电池的商业化，能量密度达到500瓦时每千克，占领新一代电池市场。韩国将电池技术视为经济发展的核心驱动力之一，2021—2022年相继发布《2030二次电池产业发展战略》和《二次电池产业创新战略》[6]，设定了2026年实现车用固态电池技术商业化的目标。欧盟在2023年9月发布的《欧洲电池研发创新路线图》和第三版《电池2030+路线图》中[7]，继续将第四代固态电池材料研发（交通应用）列为2030年优先事项，并实现电堆成本控制在75欧元每千瓦时之内。我国在2021年出台的《新能源汽车产业发展规划（2021—2035）》中提出加快固态动力电池技术研发及产业化，并在2023年发布的《关于推动能源电子产业发展的指导意见》中再次强调加强固态电池等新型储能电池产业化技术攻关，推进先进储能技术及产品规模化应用。

  各国政府加大研发投入加速固态电池技术及其产业化进程。欧盟通过欧洲共同利益项目下一代锂电池技术研发，在2022—2023年间额外投资了600~800万欧元（648~865万美元）用于解决固态电解质相关的科学难题[8]。日本政府通过绿色创新基金支持全固态电池的开发，2022年5月，向日产汽车和本田汽车等提供约1510亿日元(约10亿美元)资金资助，确保新型电池包括卤代电池、锌负极电池等技术优势，并完善全固态电池量产制造体系[9]。我国在“十四五”期间也通过国家重点研发计划“储能与智能电网技术”专项，部署了兆瓦时级本质安全固态锂离子储能电池的研发。

  二、近期固态电池技术研究发展

  目前在全球范围内，固态电池主要处于研发和小规模生产测试阶段。相比于传统锂离子电池，固态电池可简化封装、冷却系统，电芯内部为串联结构，在有限空间内进一步缩减电池重量，体积能量密度较液态锂离子电池（石墨负极）可提升70%以上（图1）。根据不同电解质类型，固态电池可分为聚合物固态电池、氧化物固态电池和硫化物固态电池三种类型。其中，聚合物电解质固态电池技术发展速度快，技术相对成熟，已率先实现了商业化应用的小规模量产。然而，该技术受到较低电导率和有限性能上限的制约，限制了其大规模应用。氧化物电解质固态电池表现出较为全面的性能优势，技术快速发展。硫化物电解质固态电池因其较高的电导率和出色的性能表现，被认为最适合用于电动汽车，商业化前景广阔。然而，后两种技术路线均面临界面稳定性差的研究难题。当前，全球主要科研机构针对电解质材料和新型正负极开展了大量研究，并取得了一些突破性进展。

图1 动力电池技术发展路线图[10]

  （1）研发兼顾高离子电导率和稳定性的固体电解质材料。2023年7月，日本东京工业大学Ryoji Kanno团队利用高熵材料设计了一种高离子电导率的硫化物固态电解质，创下32毫西门子每厘米的全球最高锂离子电导率记录。此外，该团队还通过优化制造工艺，实现了全固态锂电池每平方厘米超过20毫安时的面容量，是当前全球最高水平[11]。8月，韩国SK On公司与檀国大学联合成功研发出新款氧化物固态电解质。与现有产品相比，新材料的锂离子电导率提升了70%，具有全球最高水平[12]。10月，复旦大学、昆山杜克大学和美国麻省理工学院合作，精准合成了系列具有交替序列结构的单锂离子导电含氟共聚物全固态电池。该聚合物全固态锂金属电池达到了液态聚乙二醇电解质的锂离子电导率水平，并实现了超过1500小时的室温锂剥离/沉积循环和可逆的固态锂金属电池室温充放电循环[13]。11月，韩国首尔国立大学研究人员提出了超离子三卤化物电解质固态电池的一般设计标准。当引入Li3Y0.2Zr0.6Cl6时，离子电导率可达到1.19毫西门子每厘米[14]。2024年2月，中国科学院物理研究所和中山大学联合开发了一种新型锂超离子氯化物固态电池，在室温下实现了2.2毫西门子每厘米的高离子电导率以及低电导率活化能垒（Zr和Hf类比分别为0.31和0.33eV），有助于固态电池良好的循环和倍率性能[15]。

  （2）开发高比容量和耐久性的正负极电极材料。富锂锰基氧化物作为高容量正极材料易受到氧损失引起的电压衰减影响。2023年5月，日本横滨国立大学通过高能机械研磨法合成的含氟锂锰氧化物（Li2MnO2F和Li2MnO1.5F1.5）显示出较高的可逆容量和能量密度，分别为350毫安时每克和1000毫瓦时每克，尤其是Li2MnO1.5F1.5材料在经过180次以上的循环仍维持稳定性能[16]。6月，中国科学院物理研究所研究团队制备了一种硬碳稳定的锂硅合金阳极，这使得电池在高负载和高电流密度下实现了长期循环。测试显示，在5.86毫安每平方厘米的电流密度和5.86毫安时每平方厘米的负载下，电池能够稳定循环5000次，电池级能量密度达到每千克263瓦时，与商用锂离子电池能量密度相当[17]。10月，日本大阪产业技术研究所科研人员首次在全固态电池中应用具有纳米多孔硅纤维网络结构的复合负极，实现了1474毫安时每克的可逆容量。该电池经过40次循环后容量保持率仍高达85%，具有较高的工业应用潜力[18]。2024年1月，哈佛大学研究团队揭示了固态电池中锂金属和负极材料（硅、银、镁等）在界面反应中表现出收缩敏感性新现象，并设计出一种活性三维支架，以快速电镀和剥离大量厚锂金属层。该设计不仅规避了硅膨胀，而且还为固态电池中锂金属的快速稳定循环提供了超快反应途径[19]。

  三、固态电池产业应用最新进展

  在硫化物电解质固态电池应用方面，日本企业近期取得突破性进展，如丰田、松下和日产等。2023年7月，丰田汽车成功制造出充电10分钟可续航1200公里的固态电池[20]。9月，日本旭硝子株式会社在其横滨技术中心完成了一项突破性技术的中试，该技术能够实现车用硫化物全固态电池电解质的批量生产。同期，松下控股集团首次向外界展示了其针对便携式电子设备开发的全固态电池产品。该电池的充电速度超过现有电池20倍，且充放电循环次数可达1万至10万次[21]。10月，日产汽车发布了配备全固态电池的多用途汽车概念车“日产Hyper Tourer”。此外，美国Solid Power在2023年第三季度财报中披露，该企业向宝马公司交付了首批A-1 EV电池，标志着其固态电池产品正式进入汽车验证测试阶段。

  在聚合物电解质固态电池应用上，欧美企业研发成果表现较突出，包括法国博洛雷集团、美国Factorial Energy等。2023年10月24日，Factorial Energy在美国马萨诸塞州梅休恩投资5000万美元建设年产能为200兆瓦时的固态电池装配线，该生产线也是美国最大固态电池生产线。生产的固态电池采用“Factorial电解质系统技术”，能够使电池续航里程提升20%到50%，同时拥有与现有锂离子电池制造基础设施兼容的嵌入式特性，便于在现有生产线中进行集成。

  在氧化物电解质固态电池的应用研发方面，日本旭硝子株式会社在2023年3月发布了世界上首个主要零件全部由“结晶玻璃”制成的氧化物全固态钠离子二次电池[22]。美国Quantum Scape在2023年第三季度财报中披露，首款商用氧化物电解质固态电池产品QSE-5已完成1000+次循环后容量保持率在95%以上的测试。2024年1月，中国台湾电池制造商辉能科技推出专为电动汽车设计的106安时高硅阳极固态电池，实现2吉瓦时的规划年产能，并计划2024年进入量产阶段[23]。

表1 主要国家代表性企业固态电池产业化进展

  四、趋势与展望

  国际能源署预测[24]，预计在2025—2030年间，高能量密度固态电池技术将实现商业化。根据中国智库EVTank的预测分析，预计到2030年，全球固态电池出货量将达到614.1吉瓦时，在整体锂电池中的渗透率将达到10%，市场规模将达到2500亿元[25]。在如此强劲的市场驱动下，固态电池技术的创新和转化应用将会进一步加速，材料和工艺创新是商业应用的关键。

  未来，研发重点将聚焦在确保安全的基础上提高动力电池能量密度和使用寿命，在材料、界面、传输和系统四个层面开展技术攻关。关键方向包括提升电解质材料性能和制造工艺；在负极材料的开发上，短期内聚焦于硅基材料的研究，长期则转向金属锂材料的迭代开发；正极材料的研发则专注于提升能量密度，逐步过渡到高电压材料的应用。同时，对材料生长过程和表面结构进行精细调控及提高锂离子及电子传输效率，实现能量密度500瓦时每千克以上的全固态电池规模化生产目标。

关注索比储能官方微信，第一时间获取行业资讯！

X