1、內容目錄 HYPERLINK l _TOC_250016 解析一：半固態鋰電池的產業化道路進展如何？ 4 HYPERLINK l _TOC_250015 腳踏實地，半固態鋰電池先行 4 HYPERLINK l _TOC_250014 半固態鋰電池商業化進展及制備工藝兼容性？ 5 HYPERLINK l _TOC_250013 解析二：全固態鋰電池的產業化現狀如何？ 7 HYPERLINK l _TOC_250012 從全球研究機構看全固態鋰電池的產業化進程 7 HYPERLINK l _TOC_250011 聚合物全固態鋰電池：已有初步商業化產品面世 9 HYPERLINK l _TOC_25

2、0010 氧化物薄膜全固態鋰電池：小微型電池領域實現商業化應用 11 HYPERLINK l _TOC_250009 硫化物全固態鋰電池：界面性能和工藝技術突破成為商業化關鍵 14 HYPERLINK l _TOC_250008 解析三：全固態鋰電池產業化對現有電池體系的沖擊有多大？ 16 HYPERLINK l _TOC_250007 全固態鋰電池&液態鋰電池生產工藝對比 16聚合物全固態生產技術可以兼容現有產線 16LiPON 薄膜全固態鋰電池：工藝設備壁壘高，成本管控是關鍵 16硫化物全固態鋰電池：制備工藝有望兼容傳統鋰電池疊片工藝 17 HYPERLINK l _TOC_250006

3、全固態鋰電池&液態鋰電池的電池材料體系對比 18 HYPERLINK l _TOC_250005 正極材料體系：兼容性較強，高電壓復合電極材料有望成為主流 18 HYPERLINK l _TOC_250004 負極材料體系：金屬鋰有望逐漸替代當前石墨、硅碳負極材料 18 HYPERLINK l _TOC_250003 電解液體系：有機溶劑將被替代，新型鋰鹽有望導入聚合物全固態鋰電池 19 HYPERLINK l _TOC_250002 對其他零部件的影響 19 HYPERLINK l _TOC_250001 投資建議 19 HYPERLINK l _TOC_250000 風險提示 20圖表目錄

4、圖 1：凝膠電解質優劣勢情況 5圖 2：豐田關于無機固體電解質方面的專利申請情況 8圖 3：1996-2015 年海外專利申請情況 9圖 4：1996-2015 年國內專利申請情況 9圖 5：國內主要開發固態鋰電池機構分布及其主要路線 9圖 6：法國博羅雷 Autolib 純電動租賃車 10圖 7：青能-固體電池工作圖 10圖 8：青島能源所關于“萬泉”設備參航證書 10圖 9：氧化物薄膜全固態電池 11圖 10：薄膜全固態鋰電池在小微型領域空間（億美元） 13圖 11：薄膜全固態鋰電池在柔性電池（億美元） 13圖 12：氧化物薄膜全固態電池 13圖 13：聚合物全固體鋰電池生產工藝示意圖 1

5、6圖 14：聚合物全固態鋰電池生產流程圖 16圖 15：傳統鋰電池生產工藝流程 16圖 16：從層堆垛提升固態電池能量密度 17圖 17：硫化物全固態鋰電池制備工藝流程示意圖 18表 1：常見的氧化物電解質離子電導率情況 4表 2：主流的凝膠電解質種類及性能 5表 3：企業關于熱引發現場聚合的專利申請 6表 4：半固態鋰電池對傳統四大材料體系的影響 6表 5：固體電解質類型及其特點對比 7表 6：聚合物固態鋰電池全球產業化現狀 7表 7：聚合物固態鋰電池全球產業化現狀 11表 8：商業化薄膜全固態鋰電池企業匯總 12表 9：IPS 生產手機用薄膜全固態鋰電池與傳統鋰電池成本拆分 13表 10：

6、硫化物固態鋰電池全球產業化現狀 15表 10：固態鋰電池產業化對現有電池材料體系的影響 19解析一：半固態鋰電池的產業化道路進展如何？全固態鋰電池具備能量密度高、安全性高、柔性化等優勢，同時又存在離子電導率低、界面阻抗大等問題短期無法商業化，這個已經得到市場普遍的認可，我們不再贅訴。我們本篇報告將深度解析市場最關注的三個問題：1、半固態鋰電池對現有產業鏈的影響？2、全固態鋰電池體系的產業化進程如何？3、全固態鋰電池產業化后對現有液態鋰電池的材料體系和制備工藝有多大的沖擊？腳踏實地，半固態鋰電池先行蔚來發布 150KWh 固態電池，預計 2022 年四季度推出。2021 年 1 月 9 日，蔚來

7、汽車舉行 NIO DAY 發布會，發布 150kwh 固態電池包，預計將于 2022 年第四季度正式推出，能量密度達到 360wh/kg。其中，固態電池主要采用了“原位固化固液電解質”，該技術的創新在于原位聚合涂覆技術，即在基膜上進行的涂覆是由原位聚合反應實現，可以改善正負極界面接觸，預計原位聚合涂覆用了 LLZTO、LATP 等陶瓷固態電解質成分。我們認為原位固化固液技術主要為了解決無機電解質/電極的界面阻抗問題。目前市場上無機固體電解質的研究主要集中在兩大類，硫化物體系與氧化物體系，其中氧化物體系 LLZTO、 LATP 等存在界面阻抗高、制備的電解質膜機械性能差、離子電導率低等短期無法有

8、效解決的問題。采用原位固化技術，能夠實現固體電極片與電解質膜在分子層面的緊密接觸，降低固/固界面阻抗，有效提升電池的倍率性能。同時，參考最新的學術研究成果，目前氧化物電解質的離子電導率仍處于 10-4S/cm 左右的較低水平，暫時達不到商業化（10-2S/cm）要求，因此我們預計仍需要加入電解液來解決離子電導率。電解質種類細分品種室溫電導率（S/cm）表 1：常見的氧化物電解質離子電導率情況LiGe2(PO4)310-210-4石榴石型LiLaZrTaO10-310-4鈣鈦礦型LiLaTiO310-410-5LISICONr-Li3PO410-510-6NASICONLiTi2(PO4)3 1

9、0-4Li3N-10-610-7LiPON- 10-6資料來源：Journal of Power Sources，傳統半固態鋰電池，主要是指采用凝膠電解質制備的鋰電池。凝膠電解質，是以聚合物為電解質“基膜”，加入鋰鹽，同時加入碳酸二乙酯/碳酸乙烯酯等低分子有機溶劑作為增塑劑，經過浸泡活化后，得到離子電導率指標介于固體電解質和傳統電解液之間的凝膠電解質。凝膠電解質具備固體和液體的雙重優勢，同時具備粘結性和液體快速傳輸性質。凝膠電解質是針對目前聚合物固體電解質離子電導率低，而采取的一種折中方式。凝膠電解質既不是固體，也不是液體，反過來講既是液體，也是固體，因此同時兼備兩者的優勢。凝膠電解質種類：目

10、前研究較為成熟，已經商業化的有 PEO（聚環氧乙烯）基、PVDF- HFP（聚氯乙烯-六氟丙烯）基、PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）基、PAN（聚丙烯腈）基。其優點在于：1、離子電導率比聚合物固體電解質高，一般在 10-3S/cm 數量級，基本滿足商業化應用需求。2、基本形態為固態，沒有流動的液體，封裝簡單，形狀可以多樣化，適用于軟包電池中。3、界面相容性較好，循環性能和倍率性能均較好。凝膠電解質種類電解質性能表 2：主流的凝膠電解質種類及性能PEO 基聚合物膜交聯度、結構穩定性、吸附電解液性能好，高離子電導率，室溫達到 1S/cm，具備寬的電化學窗口和好的熱穩定性。PMMA 基較高的離子電導率，

11、良好的電化學及界面穩定性PVDF-HFP 基多孔薄膜具備優良化學性能和機械性能，吸附電解液能力強，室溫電導率 10-3S/cm，電化學性能良好資料來源：鋰離子電池安全性能研究，半固態鋰電池只是一種過渡產品，并非最終解決方案。由于凝膠電解質還是含有少量低閃點的有機溶劑，并沒有從根本上解決電解液造成的安全性能問題，采用金屬鋰做負極仍有一定的安全隱患，因此對能量密度的提升程度有限，是短期全固態鋰電池沒有實現商業化情況下的一種折中解決方案，并非最終形態。圖 1：凝膠電解質優劣勢情況資料來源：鋰離子電池用聚合物凝膠電解質研究進展（電池工業），半固態鋰電池商業化進展及制備工藝兼容性？珈偉股份實現第一期快充

12、類固態鋰電池投產。根據公司 2017 年 12 月 20 日公司，其控股子公司珈偉龍能固態儲能科技如皋第一期快充類固態鋰電池生產線正式投產，規模 1 億 Wh。公司通過引入離子液體或者凝膠電解質，改善電解質的界面浸潤性和穩定性，降低界面阻抗，達到類固態的標準，未來公司主要面向 4 種類型的電池：1、高鎳電池，配套物流車、乘用車等，能量密度達到 120-130Wh/kg，循環壽命 7000 次以上；2、磷酸鐵鋰電池，配套公家車，客車；3、鈦酸鋰電池，配套卡車、拉煤車、軌道車等，循環壽命 20000 次以上；4、高能量密度鋰電池，配套乘用車，能量密度到 230Wh/kg，循環壽命 2000 次以上

13、。贛鋒鋰業一期項目固液混合的半固態鋰電池實現規模化生產能力。公司與中科院許曉雄課題組合作，設立全資子公司浙江鋒鋰新能源科技有限公司，開展固態鋰電池方面的產業化工作。根據公司 2018 年 8 月 3 日投資者關系活動記錄表資料顯示，公司項目一期中樣品電芯屬于混合固液電解質類型的半固態鋰電池；按照產品設計的要求，該款電池是綜合具備了較高比能量、優異的功率特性及良好的循環壽命，同時易于規模化制備。按照現有循環測試數據推算，預計該類電池可循環 3000 次，容量保持 80%（1C 充電/1C 放電，100%DOD，室溫條件）。半固態鋰電池制備工藝流程可兼容傳統鋰電池生產工藝。半固態鋰電池的正極、負極

14、極片的制備工藝可兼容傳統鋰電池卷繞和疊片的制備工藝。凝膠電解質制備工藝相對復雜，主要有兩種：1、傳統工藝：基于分子間作用力形成物理交聯，再吸入電解液。需要經過聚合物成膜、造孔劑萃出、電解液浸漬等步驟，制備出凝膠電解液后再通過疊片、卷繞的方式與正負極組裝成電池。2、現場聚合工藝，其中熱引發現場聚合是目前主流的技術。加入一定比例的單體、熱引發劑、交聯劑、電解液混合均勻，制備前驅體溶液，注入電池殼中，臵于 50-120下加熱 0.5-1 小時，在不改變現有鋰電池工藝的基礎上，制備半固態鋰電池。目前中科院物理研究所、比亞迪、三洋株式會社、三星 SDI 均有相關的技術研究和專利儲備。企業專利名稱國別申請

15、時間專利申請號表 3：企業關于熱引發現場聚合的專利申請中科院物理研究所 一種以膠體聚合物為電解質的二次鋰離子電池及制備方法比亞迪凝膠聚合物電解質和聚合物電池及其制備方法三樣株式會社能有效阻漏的聚合物電解質和采用該電解質的鋰電池中國2000 年 3 月 30 日CN00105541.002.0中國2012 年 5 月 22 日CN2012101586韓國2003 年 6 月 18 日CN03152467.2三星 SDI制備鋰離子聚合物電池的方法韓國2003 年 3 月 12 日CN03120182.2資料來源：國家知識產權局，半固態鋰電池對現有四大材料體系沖擊較小。1、正極材料：可延續現有鋰電池

16、的正極材料體系，磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鈷酸鋰、三元 NCM 等。2、負極材料：目前主流的石墨系，鈦酸鋰等、以及未來的硅碳系均可適用，由于存在電解液以及隔膜，不適用于金屬鋰負極。3、電解液：仍需要少量的有機溶劑浸漬，目前主流的商業化鋰鹽 LiFP6 ，以及新型鋰鹽 LiTFSI/LiFSI 等需要添加。4、隔膜：由于仍有部分電解液存在，凝膠電解質不能起到電子絕緣的作用，仍需要隔膜隔絕正負極防止短路。材料名稱半固態鋰電池的影響表 4：半固態鋰電池對傳統四大材料體系的影響正極材料可延續現有鋰電池的正極材料體系，磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鈷酸鋰、三元 NCM 等負極材料目前主流的石墨系，鈦酸鋰等、以及未來的硅碳系

17、均可適用，不適用于金屬鋰負極隔膜仍需要隔膜隔絕正負極防止短路電解液仍需要少量的有機溶劑浸漬，現有體系的 EC/DEC/DMC 等溶劑仍需要，現有鋰鹽 LiFP6，以及新型鋰鹽 LiTFSI/LiFSI 等仍有需要資料來源：GGII，解析二：全固態鋰電池的產業化現狀如何？業內預計全固態鋰電池有望在 2020-2025 年期間實現小批量生產。早在 1978 年Michel Armand 首次報道了固態金屬鋰電池的相關研究，隨后 40 年內固態鋰電池被全球廣泛研究，固體電解質離子電導率低，界面相容性差等技術瓶頸制約了商業化進程，全固態鋰電池的研究停滯于 20 世紀末，2007年開始，全固態鋰電池的研

18、究開發復蘇，2017 年中國電動汽車百人論壇上，業界預計 2020-2025年全固態鋰電池有望實現小批量生產。固體電解質按照體系主要分為兩大類：有機體系和無機體系固體電解質。有機電解質相對簡單一些，主要以PEO 為主，無機體系又可以細分為氧化物體系和硫化物體系。氧化物電解質體系又可以細分為非晶態氧化物（薄膜氧化物）體系，以及晶態氧化物體系；硫化物體系也屬于非晶態體系的固體電解質。表 5：固體電解質類型及其特點對比電解質種類聚合物體系無機體系氧化物體系硫化物體系優勢原材料充足，價格低廉，制備工藝簡單；2）具備較好的機械性能和韌性；制備工藝流程簡化；4）界面相容性好。薄膜型商業化潛力大；晶態型對空

19、氣和水分穩定性高鋰離子電導率高熱穩定性高；電化學窗口寬，適用高電壓電極材料；離子遷移數高缺點1）常溫及低溫離子電導率低，正常在10-5S/cm 以下；2）鋰離子遷移數低1）加工難度大；2）機械性能差；3）成本高；硫化物體系對水氧敏感度高；4）晶態氧化物的界面相容性差。代表類型PEO、聚硅氧烷、聚碳酸酯等LIPON、導鋰機理通過絡合配位與無定形區的鏈段運動對鋰離子進行定向遷移電解質結構中的結構缺陷和空位缺陷來形成導鋰空位，實現對鋰離子的定向遷移資料來源：Journal of Power Sources，從全球研究機構看全固態鋰電池的產業化進程日本固態電池研究體系成熟，計劃 2022 年全面掌握全

20、固態電池相關技術。日本在硫化物全固態鋰電池方面的研究成果較為突出。法國 Bollor公司是全球第一個將聚合物全固態鋰電池運用于電動車的公司。海外申請專利前 10 名中，日本公司占有 9 家，韓國公司占 1 家。其中日本豐田株式會社申請的專利數最多，達到 218 件，占總申請數的 20.15%。2018 年 6月，日本新能源產業技術綜合開發機構宣布，將于未來五年內聯合學術機構和企業共同開發下一代電動車全固態鋰電池。該項目預計總投資額 100 億日元（5.8 億元人民幣），豐田、本田、日產、松下等 23 家汽車、電池和材料企業，以及京都大學、日本理化學研究所等 15家學術機構將共同參與研究，計劃將

21、于 2022 年全面掌握全固態電池相關技術。序號申請人國別專利件數占比1豐田株式會社（TOYOTA JIDOSHA KK）日本21820.15%2出光興產株式會社（IDEMITSU KOSAN CO LTD）日本423.88%3村田株式會社（MURATA MFG CO LTD）日本302.77%4住友電氣工業株式會社（SUMITOMO ELECTRIC IND LTD）日本252.31%5日立造船株式會社（HITACHI ZOSEN CORP）日本211.94%6NGK 絕緣子株式會社（NGK INSULATORS LTD）日本211.94%7LG 化學公司（LG CHEM LTD）韓國181

22、.66%8松下電器產業株式會社（MATSUSHITA DENKI SANGYO KK）日本181.66%表 6：聚合物固態鋰電池全球產業化現狀9日本松下電器股份有限公司日本161.48%10獨立行政法人產業技術研究院日本151.39%（MATSUSHITA ELEC IND CO LTD）（DOKURITSU GYOSEI HOJIN SANGYO GIJUTSU SO ）資料來源：中國知識產權報，豐田的固態電池專利申請居全球之首，80%集中在無機固體電解質領域。豐田進入無機固體電解質的時間相對較晚，但進行了持續性的專利布局，主要分布在氧化物電解質和硫化物電解質方面。其中氧化物電解質只集中在

23、2010-2011 年期間，占比逐漸減少，豐田對硫化物電解質的重視程度逐漸加大，重心主要放在如何減少硫化氫的產生，以及如何提高固體電解質的離子電導率方面。圖 2：豐田關于無機固體電解質方面的專利申請情況資料來源：電源技術，全球固態鋰電池專利申請數量呈現加速提升趨勢。據德溫特數據庫檢索數據顯示，在 1995-2015 年期間，海外全固體鋰電池領域，共申請專利 1082 項。2007 年后，海外對全固態鋰電池的專利申請年均復合增速達到 35.3%。1996-2007 年期間，液態鋰電池實現商業化生產固態鋰電池的研究持續低迷。2007 年后液態鋰電池的技術趨于成熟，在安全性能和能量密度上的天花板也逐

24、漸顯露出來，海外主流研究機構加大對固態鋰電池的研究力度。國內對固態鋰電池的研究起步相對較晚。國內關于全固態鋰電池專利申請數量相對較少，1996-2015 年期間共申請專利170 項。通過檢索國家知識產權局檢索數據，查詢了1996-2015年期間公開的全固態鋰電池專利申請數據，期間共申請專利 170 項。圖 3：1996-2015 年海外專利申請情況（項）圖 4：1996-2015 年國內專利申請情況（項）20030160252012015801040501995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 201501995 1997 1999 2

25、001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 2015資料來源：德溫特數據庫，資料來源：國家知識產權局，電源技術，國內全固態鋰電池仍處于基礎性研究階段。主要兩部分機構在做相關研究：1、國內知名高校及科研院所，具有代表性的團隊有：清華大學南策文院士團隊、中南大學劉業祥院士團隊、中科院物理所陳立泉院士團隊、中科院寧波材料所許曉雄團隊、中科院青島能源所崔光磊教授團隊等。2、國內鋰電池產業鏈上優秀企業，比如寧德時代、贛鋒鋰業、中航鋰電、貝特瑞、力神、臺灣輝能等等。圖 5：國內主要開發固態鋰電池機構分布及其主要路線資料來源：固態鋰電池技術發展現狀與趨勢（科技中國），聚合物全固態鋰電

26、池：已有初步商業化產品面世聚合物電解質基體可類比于固態溶劑。聚合物電解質主要有三大體系，其中最早發現可以導鋰，研究相對成熟的是PEO 基固體電解質體系，其次還包括聚碳酸酯基體系、聚硅氧烷基體系以及聚合物鋰單離子導體基體系。其優點在于工藝流程簡單，原材料價格低廉，缺點在于離子電導率低，常溫電導率在 10-610-7S/cm。2011 年法國 Bollor 公司實現聚合物固態鋰電池商業化，核心點要采用高溫加熱。法國 Bollor 制備的全固態鋰電池，是國際上最早將聚合物全固態鋰電池運用于電動汽車的案例， 運用于市內租賃電動車中。法國 Bollor 公司旗下子公司 Batscap 公司生產的聚合物全

27、固態鋰電池，用于 Autolib項目，采用磷酸鐵鋰為正極，帶電量 30KWh，測試數據表明，電池在 60-80期間工作，以 1/3C的倍率循環 1200 圈后，容量保持率在 80% 左右，單體電芯的能量密度為 230Wh/kg，續航里程達到250km，最高時速 130km/h，能夠滿足城市居民的臨時用車需求。2011-2015 年期間，博羅雷共計投入 3000 輛電動汽車，租賃站點 1150 個，充電樁 6000 個，服務巴黎 12000 平方公里的 1300 萬市民。聚合物全固態鋰電池的最大問題在于離子電導率低，法國 Bollor 公司采用安裝加熱裝臵的方式給電池加熱實現正常使用，一方面帶來

28、安全隱患，另一方面也造成成本抬升。圖 6：法國博羅雷 Autolib 純電動租賃車資料來源：汽車之家，中國科學院青島能源所突破高能量密度固態鋰電池技術。青島能源所研發的“剛柔并濟”固體電解質，復合剛性的多孔骨架材料和柔性的聚合物離子傳輸材料，改善電池的固固界面相容性和抑制鋰枝晶產生，成功研制能量密度 300Wh/Kg、循環壽命超過 500 次的全固態鋰電池。通過了多次穿釘測試，固體電池體現出了一定的自修復功能，安全性很好，并通過了國家深海中心的 11000 米深海壓力艙檢測。2017 年 3 月，青能所開發的“青能-”固體電池隨中科院深淵科考隊遠赴馬里亞納海溝，為“萬泉”號著陸器控制系統及 C

29、CD 傳感器提供能源，累計完成 9 次下潛，深度均大于 7000 米，其中 6 次超過 10000 米，最大工作水深 10901 米，累計水下工作時間 134 小時，最大連續作業時間達 20 小時，順利完成萬米全深海示范應用。相關成果已申請中國發明專利 29 項，國際 PCT 專利 3 項。圖 7：青能-固體電池工作圖圖 8：青島能源所關于“萬泉”設備參航證書資料來源：中國科協年會，資料來源：中國科協年會，其他大部分機構的聚合物全固態鋰電池仍處于中試階段。1、日本電力研究所采用卷對卷工藝，制備輸出電壓 12V 的三層單體聚合物全固態鋰電池，正極材料 NCM111，負極材料石墨，固體電解質聚醚材

30、料，正極表面涂覆無機物材料防止界面氧化，降低界面阻抗，室溫電導率 10-5S/cm，未來設想通過與熱泵、儲熱槽組成的熱水器結合，使其在較高溫度下正常工作。2、日本三重縣產業支援中心，同樣采用卷對卷的生產工藝，制備了超薄可彎曲的聚合物固態鋰電池。正極材料是磷酸鐵鋰與碳的復合材料，負極是鈦酸鋰/硅/石墨的復合材料，電解質是交聯型聚氧乙烯結構。該電池能在 0正常工作，未來有望與太陽能電池、電子紙、柔性底板等大面積元件相結合使用。3、SEEO 公司主攻聚合物固態鋰電池。SEEO 的研發技術主要來自于美國能源部所屬的勞倫斯伯克利國家實驗室，主要研究方向是嵌段共聚物為聚合物電解質。目前樣品供貨的電池組能量

31、密度達到 130-150Wh/kg。產業化程度研究機構產業化進展情況表 7：聚合物固態鋰電池全球產業化現狀初步產業化法國 Bollor旗下 Batscap 公司采用磷酸鐵鋰體系，帶電量 30KWh，單體電芯的能量密度為230Wh/kg，續航里程達到250km，最高時速130km/h聚合物全固態電池 300Wh/Kg、循環壽命超過 500 次的全固態鋰電初步產業化青島能源所池，“青能-”電池為“萬泉”號著陸器控制系統及 CCD 傳感器提供能源中試階段SEEO 公司已經研制出磷酸鐵鋰體系的聚合物全固態電池，推出樣品單體電池能量密度 220Wh/kg，未來目標 400Wh/kg 電池。中試階段日本電

32、力研究所輸出電壓 12V 的三層單體聚合物全固態鋰電池，正極NCM111，負極石墨，電解質聚醚材料,未來用于與熱泵等。中試階段日本三重縣產業支援中心正極磷酸鐵鋰/碳，負極鈦酸鋰/硅/石墨，電解質是交聯型聚氧乙烯結構。有望與太陽能電池、等大面積元件相結合使用。資料來源：GGII，氧化物薄膜全固態鋰電池：小微型電池領域實現商業化應用薄膜全固態鋰電池主要通過磁控濺射方式商業化。薄膜全固態鋰電池主要是指以 LiPON 為電解質的鋰電池，工作原理與傳統鋰電池相同，是重點研究的氧化物全固態鋰電池體系，1992年由美國橡樹嶺實驗室通過射頻磁控濺射 Li3PO4 靶材制備。由于 LiPON 離子電導率較低，制

33、備工藝苛刻，難以生產大電池，一般只能做成小微型電池，可用于微芯片、微機電系統、微型存儲器、植入式醫療器械、無線傳感器等低能量供電領域。美國 Sakti3 公司研究較為深入，技術相對成熟，此外 Cymbet Enerchips, Excellatron, Front Edge Technology, Infinite Power Solutions 等公司均初步具備商業化生產能力。圖 9：氧化物薄膜全固態電池資料來源：汽車之家，美國 Sakti3 生產薄膜全固態鋰電池的技術相對成熟。1、美國 Sakti3 采用真空沉積法制備電池，預計為氧化物體系，成本可控。Sakti3 自 2007 年成立以來

34、，獲得了包括通用汽車 320萬美元在內的 3000 萬美元風險投資，采用真空沉積法制備，公司已經在密西根的小型示范生產線上做小批量生產，未來有望在 1-2 年內實現商業化。2、韓國 GS Caltex 采用層層濺射的方法制造出了超薄、郵票大小的固體鋰離子電池。并在日本發行了樣品。其正極材料為 LiCoO2，負極材料為鋰，電解質材料為LiPON。雖然其容量只有 0.5mAh，但是體積能量密度超過 800wh/L，是普通鋰離子電池的 1.2 倍，最高充電倍率可達 50 C，這款電池被用作無線傳送測試數據的小型溫度感應器上,并可采用太陽能電池對其充電。國內率先商業化的是天津瑞晟暉能，產品性能穩定，能

35、量密度超過 200Wh/kg。根據鉅大鋰電資料報道，公司已開發多款柔性薄膜全固態鋰電池，目前已經在實驗室小試，近期將籌建 1 萬塊薄膜全固態鋰電池的連續化生產中試線。據公司官網介紹：公司電池產品體系為鈷酸鋰/LiPON 電解質/Li，公司采用多層薄膜電池堆垛結構提升單體電池能量密度，能量密度大于 200Wh/kg。公司電池循環性能穩定，能穩定循環 1000 次，容量衰減率小于 5%，年自放電率不超過 10%，工作溫度范圍-40160。應用領域包括軍事工業、醫療電子、消費電子、超級智能卡、微電子器件、可穿戴設備等等。公司名稱電池體系電壓（V）容量（mAh）應用領域Cymbet 公司LiCoO2/

36、LiPON/Li3.80.05PC 板內嵌電池、微型存儲器、物聯網設備InfinitePow erLiCoO2/LiPON/Li3.91無線傳感器、射頻識別標簽、智能卡、Solutions醫療設備、消費類電子等STMicroelectronicsLiCoO2/LiPON/Li3.90.7物聯網、傳感器、智能卡、射頻識別標簽等Front EdgeTechnologyLiCoO2/LiPON/Li3.90.5-5智能卡、射頻識別標簽、便攜式傳感器等Excellatron（LiCoO2/LiMn2O4）3.9-4.10.1-1智能卡、射頻識別標簽、植入式醫療設備、 IC 卡等-LiPON-(Li 或

37、 Sn3N4)ULVACLiCoO2-LiPON-Li3.90.2傳感器、智能卡等天津瑞晟暉能LiCoO2-LiPON-Li3.90.25智能卡、傳感器、射頻識別標簽、醫療設備、可穿戴類電子等表 8：商業化薄膜全固態鋰電池企業匯總資料來源：薄膜型全固態鋰電池，空間測算：中短期應用領域以小微型電池領域為主，2020-2022 年預計維持高增速。根據 NanoMarkets 公司發布的 20152022 年薄膜電池和印刷電池市場報告顯示，隨著智能卡、包裝、消費類電子產品、可穿戴設備以及物聯網的迅速發展，薄膜電池在這些領域的市場將從 2015 年的 3400 萬美元增長到 2018 年的 1.83

38、億美元，于 2022 年最終將達到 11 億美元，2018-2020 年的年均復合增速達到 56.6%。在微電子領域，薄膜型全固態鋰電池是微機電系統唯一匹配的能源形式，隨著微機電系統的發展，其需求也將進一步增大。柔性電池領域市場空間圖 10：薄膜全固態鋰電池在小微型領域空間（億美元）圖 11：薄膜全固態鋰電池在柔性電池（億美元）小微型電池領域市場空間小微型電池領域市場空間12121010886644柔性電池領域市場空間22020152016201720182019 2020E 2021E 2022E0201520162017201820192020E資料來源：NanoMarkets,資料來源：

39、Markets and Markets,柔性電池市場空間增速大，預計 2015-2020 年維持 46.6%的年均復合增速。根據 Markets and Markets 發布的全球柔性電池市場預測研究報告顯示，2015-2020 年期間，全球柔性電池市場以 46.6%的復合年增長率增長，到 2020 年預計將達 9.58 億美元，為薄膜鋰電池的市場化帶來了新的市場空間。圖 12：氧化物薄膜全固態電池資料來源：IPS，Technical White Paper，中長期離子電導率進一步改善，薄膜全固態鋰電池有望用于大型電池領域。在手機、筆記本電腦，以及電動汽車領域對電池的能量密度、倍率性能都提出更

40、高的要求。目前已有企業在手機市場做薄膜全固態鋰電池的商業化開發。2013 年被蘋果收購的 Infinite Power Solution開發出多層堆垛統一密封結構的薄膜型全固態鋰電池。其中，1.3mm 厚的電池容量高達 1360mAh，可以滿足手機使用需求，并且各項性能遠優于當前商業化的鋰離子電池，而制造成本相當，都是 0.8 美元/Wh 的制造成本。表明高容量的薄膜型全固態鋰電池具有巨大的發展潛力和應用前景。傳統鋰電池薄膜全固態鋰電池電池類型圓柱形鋰離子電池IPS 薄膜鋰電池電池容量（mAh）14201360工作電壓（V）3.63.95表 9：IPS 生產手機用薄膜全固態鋰電池與傳統鋰電池成

41、本拆分成本（美元/Wh）5.15.4電池成本（美元）$4.10$4.34成本支出（美元）$200,000,000.00$440,000,000.00年產量（只）960000003000000折舊年限（年）1010年折舊額（美元）$20,000,000$44,000,000每單位折舊額（美元/Wh）$0.21$1.47每單位材料成本（美元/Wh）$2.87$1.99每單位運營成本（美元/Wh）$1.02$0.88每瓦時成本（美元/Wh）材料成本（美元/Wh）$0.56$0.37折舊費用（美元/Wh）$0.04$0.27運營成本（美元/Wh）$0.20$0.16電池總成本（美元/Wh）$0.80$

42、0.80資料來源：IPS，Technical White Paper，硫化物全固態鋰電池：界面性能和工藝技術突破成為商業化關鍵無機全固態鋰電池的開發研究目前主要集中在硫化物電解質體系。材料端，離子電導率已經接近電解液水平，是該類全固態鋰電池最大的優勢。豐田的商業化進展較快，有望率先實現硫化物全固態鋰電池的產業化。1）2010 年，公司生產了一款 10cm10cm 大小的全固態電池產品原型,采用層疊串聯結構,平均電壓為 14.4V,正極采用 LiCoO2,負極采用石墨,電解質采用硫化物材料.2012 年采用層疊串聯結構,以 NCM三元材料為正極,石墨為負極,得到了單體電壓達 28V 的電池原型,

43、其能量密度相對于液態電解液電池提高了 5 倍。2014 年其實驗原型能量密度達到 400Wh/kg。截止到 2017 年 2 月，豐田固態電池專利數量達到 30 件，同時，公司計劃在 2020 年實現硫化物固態電池的產業化，推出 10 款全固態電池汽車。2）2010 年,日本 Idemitsu Kosan(出光興產)開發了一款采用Li2S-P2S5 電解質 A6 尺寸的層疊串聯結構固態鋰離子電池單元,其電解質室溫導電率達到410-3S/cm以上,厚度為100m,單體輸出電壓為14 16V。室溫下，其放電容量為 136 mAh/g(30),低溫下容量為 55mAh/g(20)。美國Planar

44、Energy 公司于 2010 年得到美國能源部先進研究計劃署(ARPA-E)400 萬美元的資助。該公司擬采用印刷卷對卷工藝實現大面積電池生產。其關鍵技術在于通過化學沉積制備無機固體電解質膜，采用印刷模式制備無機全固態鋰電池。目前實驗室已制備出容量為 5Ah 電池原型,其體積能量密度達到 1200Wh/L(400Wh/kg)。三星日本橫濱研究所也取得了一定成果，利用硫化物類固體電解質試制出 2000mAh、175Wh/kg的壓層型全固態二次電池，300 次循環保持 85% 的容量。國內企業：CATL 在硫化物固態電池方面比較成熟，改性后的LiCoO2/硫化物電解質/Li 電池，在0.1C 倍

45、率下，能做到 200 周以上，容量保持率在 80% 以上，處于行業領先水平。清陶能源：公司核心在于高固含量的全陶瓷隔膜和無機固體電解質的開發和生產。目前團隊已經和北汽開展合作進行中試，未來可能作為北汽電動車的重要組件。表 10：硫化物固態鋰電池全球產業化現狀產業化程度研究機構具體情況介紹Li2S-P2S5 電解質，制備 A6 尺寸的層疊串聯結構單元,室溫導電率中試階段日本 Idemitsu Kosan中試階段豐田中試階段美國 Planar Energy 公司410-3S/cm,單體輸出電壓為 1416V。30/0放電容量分別為 136、 55mAh/g。2010 年實現硫化物固態電池產業化，2

46、014 年實現實驗室產品 400Wh/kg的能量密度，公司專利數量達到 30 件，計劃在 2020 年實現硫化物固態電池的產業化，推出 10 款全固態電池汽車。2010 年得到美國能源部先進研究計劃署 400 萬美元的資助。擬采用印刷卷對卷工藝實現大面積生產，實驗室制備容量 5Ah 電池原型,能量密度 400Wh/kg)中試階段三星日本橫濱研究所利用硫化物類固體電解質試制出 2000mAh、175Wh/kg 的壓層型全固態二次電池，300 次循環保持 85%容量中試階段清陶能源公司核心在于高固含量的全陶瓷隔膜和無機固體電解質的開發和生產，與改性后的 LiCoO2/硫化物電解質/Li 電池，在

47、0.1C 倍率下，能做到 200 周以上，容量保持率在 80%以上，處于行業領先水平。寧德時代中試階段北汽開展合作進行中試。資料來源：蓋世汽車資訊，高工鋰電，解析三：全固態鋰電池產業化對現有電池體系的沖擊有多大？全固態鋰電池&液態鋰電池生產工藝對比聚合物全固態生產技術可以兼容現有產線聚合物全固態鋰電池未來有望兼容傳統液態鋰電池生產工藝。聚合物電解質具備較好的韌性和機械強度，成膜性能較好，可以直接生成厚度均勻的薄膜。日本電力研究所設想采用卷對卷生產工藝制備聚合物全固態鋰電池。基本工藝流程為：1、溶膠-凝膠法制備聚合物固體電解質溶液，2、分別在正、負極極片上涂布或印刷上已制備好的電解質溶液， 3、

48、紫外線照射揮發制備聚合物電解質的溶劑，使電解質與電極固化粘合，4、卷對卷壓實正極/電解質/負極，5、裁剪、抽氣、封裝。圖 13：聚合物全固體鋰電池生產工藝示意圖圖 14：聚合物全固態鋰電池生產流程圖資料來源：全固態鋰離子電池的研究及產業化前景,資料來源：全固態鋰離子電池的研究及產業化前景,聚合物固態鋰電池與液態鋰電池生產工藝異同。目前主流的電池制備工藝有疊片工藝和卷繞工藝。聚合物全固態鋰電池對現有電池制備工藝大部分可以兼容，只需要在少部分環節做調整。1、電 極極片制備工藝保持現有工藝不變； 2、采用溶膠-凝膠法制備電解質溶液，需要烘烤蒸發溶劑， 得到固體電解質薄膜，工藝上增加電解質涂覆、紫外照

49、射烘烤工藝；3、由于沒有電解液，不需 要注液工序。圖 15：傳統鋰電池生產工藝流程資料來源：IPS，Technical White Paper，LiPON 薄膜全固態鋰電池：工藝設備壁壘高，成本管控是關鍵極片及電解質薄膜工藝壁壘高。薄膜型全固態鋰電池由致密的正極薄膜、負極薄膜和電解質薄膜組成。1、電極制備方法與傳統攪拌、涂覆法不一樣，由于需要制備非常薄的電極膜，通常也是采用磁控濺射、脈沖激光沉積、熱蒸發鍍膜等方法，或者化學氣相沉積、溶膠-凝膠等方法來成膜。以上制備工藝導致薄膜型全固態鋰電池的電極薄膜非常致密，材料利用率大幅提升，其循環性能、界面相容性均大幅提升。2、LiPON 固體電解質薄膜制

50、備方法與電極類似。電池制備工藝上，可以采用多層堆垛提升能量密度。由于采用磁控濺射等方式制備的極片厚度很薄，電池能量密度比較低，在電芯制備工藝上可以采用多層串聯緊密堆垛的方式，來提高電芯能量密度。圖 16：從層堆垛提升固態電池能量密度資料來源：天津瑞晟暉能官網，硫化物全固態鋰電池：制備工藝有望兼容傳統鋰電池疊片工藝極片及電解質薄膜工藝壁壘高。薄膜型全固態鋰電池由致密的正極薄膜、負極薄膜和電解質薄膜組成。1、電極制備方法與傳統攪拌、涂覆法不一樣，由于需要制備非常薄的電極膜，通常也是采用磁控濺射、脈沖激光沉積、熱蒸發鍍膜等方法，或者化學氣相沉積、溶膠-凝膠等方法來成膜。以上制備工藝導致薄膜型全固態鋰

51、電池的電極薄膜非常致密，材料利用率大幅提升，其循環性能、界面相容性均大幅提升。2、LiPON 固體電解質薄膜制備方法與電極類似。工藝流程：硫化物全固態鋰電池的制備工藝關鍵在于電解質的制備，正、負極材料的制備可以兼容液態鋰電池的現有工藝流程。制備硫化物電解質漿料，攪拌涂覆在已經制備完成的正極極片上，經過干燥、壓延等工序，制備固/固界面接觸良好的正極/硫化物電解質薄層材料，切割、裁剪后再與金屬鋰單層疊片，最后串聯堆垛，焊接極耳，完成單體電芯的制備。大部分的設備仍可以沿用現有鋰電池生產設備，只是由于硫化物電解質對水分、氧氣的敏感度比較高，在生產環境上有了更高的要求，需要在更高級別的干燥間內進行生產，

52、最好能在全封閉的充滿氬氣氛圍的條件下生產。同時，目前考慮到硫化物無機固體電解質膜的柔韌性不佳，在制備全固態鋰二次電池時更多的采用疊片工藝，至于具體是分別制備電解質與正負極膜片后疊合，還是采用雙層或多層一次涂布制備電解質和正極的復合層，更適合規模化生產的技術路線還有待進一步的研究。圖 17：硫化物全固態鋰電池制備工藝流程示意圖資料來源：All-solid-state lithium-ion and lithium metal batteries paving the way tolarge-scale production，全固態鋰電池&液態鋰電池的電池材料體系對比全固態時代下，四大材料中正極和

53、導電箔影響較小。我們對比全固態鋰電池與現有液態鋰電池的材料體系，其中現有正極材料體系可以完全兼容，固態電解質高電化學窗口，可能兼容更高電壓的正極材料。電解液體系中，現有液態溶劑會被取代，聚合物路線中新型鋰鹽 LiTFSI、LiFSI 等應用潛力巨大。負極材料可以兼容現有材料體系，也能逐步衍變到能量密度更高的金屬鋰，銅箔和鋁箔目前來看仍是最好的導電載體材料，隔膜可能會被逐步取代。正極材料體系：兼容性較強，高電壓復合電極材料有望成為主流現有材料體系未顛覆，復合電極有望成為解決方案。全固態鋰電池只是改變了正負極之間傳導鋰離子的方式，對正極材料體系并沒有出現顛覆性的改變。目前市場主流的磷酸鐵鋰、鈷酸鋰

54、、錳酸鋰、以及未來高能量密度的 NCM811 、NCA 等正極體系，均可用于全固態鋰電池。在制備方法上，為了解決固/固界面相容性的問題，未來可能會采取使用復合電極材料，包括：正極材料、導電劑、固體電解質，在電極中同時起到導離子和導電子的作用。高電壓正極材料在全固態時代下發展空間更大。目前電解液的電化學窗口較低，對于高電壓的正極材料，需要添加高電壓添加劑等方式，來配套使用。由于固體電解質大部分具備電化學穩定性能好、電壓高的特點，可配套高電壓的正極材料，未來有望在現有體系下，發展高鎳層狀氧化物、富鋰錳基、高電壓鎳錳尖晶石型的正極材料。負極材料體系：金屬鋰有望逐漸替代當前石墨、硅碳負極材料固體電解質由于具備致密性和高穩定性，以及足夠高的機械強度，能量密度更高的金屬鋰負極也可以用做負極材料，能夠有效阻擋鋰枝晶的穿透。未來金屬鋰有望成為全固態鋰電池的主流負極材料。全固態鋰電池向下兼容現有的石墨負極以及硅碳負極、硅基負極，均可以直接兼容配套。但由于 能量密度較低，首次充