全固态金属锂电池市场现状、趋势及企业研发动态

现阶段全固态金属锂电池的量产产品很少，产业化进程仍处于早期。法国博洛雷公司（Bollore）率先将此类电池商业化，其生产的聚合物体系全固态金属锂电池是目前唯一实现小规模量产的的产品，但能量密度仅为100 Wh/kg，对比传统锂电池尚不具备竞争优势。2011年12月，搭载博洛雷全固态金属锂电池的电动汽车驶入共享汽车市场，目前总体应用超过3000辆。

然而，该电池产品存在局限性。由于聚合物电解质在室温下难以工作，博洛雷为电池系统配备了200W的加热器，汽车发动前需通过加热元件将电池系统升温至60-80℃，在长时间停车时，加热器也需要一直处于工作状态。加热器的存在增加能耗，对电池包壳体设计增加了诸多限制，安全性也有待考究。此外，由于聚合物体系功率密度低，应对紧急起步、紧急加速等场景需配载双电层电容器弥补输出。因此，业界普遍认为，博洛雷全固态金属锂电池产品为后来者提供了参考与指导意义，但并不具备商业价值。

随着世界各国研发投入力度的加大，全固态金属锂电池的性能提升逐渐加快步伐。从全球多家企业和研究机构的实验室与中试产品数据来看，全固态金属锂电池的能量密度优势已开始凸显，明显超过现有锂电池的水平（表1）。高性能的实验室产品为未来产业化奠定良好的基础。

表1 全球部分全固态金属锂电池在研产品

企业	负极材料	固体电解质	能量密度
SEEO	金属锂	聚合物	300 Wh/kg
Sakti3	金属锂或锂合金	氧化物	1000 Wh/L
Quantum Scape	金属锂	氧化物	380-500 Wh/kg
三星SDI	金属锂	硫化物	900 Wh/L

 资料来源：上海科技情报研究所整理

迫于技术和成本的双重制约，业界普遍预计，全固态锂电池（包括全固态金属锂电池和全固态锂离子电池）商业化还要5-10年。市场研究机构SNE Research预测，若全固态锂电池能在2022年实现市场化并逐步提升渗透，到2025年全固态锂电池的市场空间将达到约60亿元（图1）。

图1 全固态锂电池市场空间预测

注：图表中的“固态电池”指全固态锂电池

资料来源：华创证券，《固态电池——后锂电时代必经之路》

在各国和地区政策的引领下，一场全球范围的全固态锂电池技术竞赛已经开启，部分企业和研究机构分布见图2。这些参与主体大致可分为两类：一类专注于全固态金属锂电池的研发，如法国博洛雷（Bollore）、美国Quantum Scape和韩国三星；另一类侧重于全固态锂离子电池的研发，如日本丰田和索尼。 

图2 全固态锂电池的部分研究机构及企业分布

资料来源：华创证券，《固态电池——后锂电时代必经之路》

博洛雷引领聚合物体系技术路线的产业化发展

博洛雷集团作为全固态锂电池产业的先行者和研发巨头，代表了聚合物固态电解质的技术开发方向。2011年，博洛雷研发的全固态金属锂电池开始批量应用于共享电动汽车“Autolib”和小型电动巴士“Bluelus”，这是国际上第一个采用全固态锂电池的电动汽车案例。2016年，博洛雷与法国雪铁龙集团合力推出世界上第一台使用全固态金属锂电池的乘用车。此后，丰田、松下、三星、三菱以及国内的宁德时代等电池行业领军企业都开始积极布局固态电池的储备研发。

目前，博洛雷集团主要致力于与市场上的其他主要参与者建立合作伙伴关系。2018年，博洛雷与戴姆勒达成一项协议，为其E-Citaro巴士配备全固态金属锂电池。该集团还与法国工程公司Gaussin建立关于港口牵引车设备的合作关系。在中国，博洛雷与汉能集团签署战略合作框架协议，将博洛雷的全固态锂电池与汉能的薄膜太阳能技术有机结合于新能源汽车动力总成，合作打造太阳能电动汽车。

Quantum Scape全固态金属锂电池技术吸引投资关注

Quantum Scape是一家电池初创公司，致力于全固态金属锂电池的研发，其全固态电池技术屡获资本青睐。大众集团从2012年开始与Quantum Scape合作，并向其投资获得5%的股权。2018年，大众出资1亿美元与Quantum Scape成立合资公司，以加速全固态电池技术的发展并推进商业化生产。2020年，大众宣布宣布向Quantum Scape追加2亿美元的投资。目前，大众已成为该公司最大的汽车股东。2020年11月27日，Quantum Scape在纽约证券交易所上市。除大众之外，Quantum Scape还获得微软、丰田、大陆集团、上汽集团、比尔盖茨、索罗斯等企业和个人的投资。

早在2020年年底，Quantum Scape就宣布首个在商业上可行的固态锂金属电池解决方案，宣称可将电动汽车的续航里程增加多达80%，并支持在15分钟内将电量从0充到80%。2021年11月，Quantum Scape公司就全固态锂金属电池的性能，发布了一份独立第三方实验室Mobile Power Solutions的测试报告。结果显示，其单层电芯能够满足汽车相关条件，在25℃充放电速率、100%放电深度和3.4个大气压下，可以实现800次以上循环。Quantum Scape预测，2022年有望交付原型推进到数十层的固态电池，并在2024～2025年进入商业生产。

三星SDI联手研究机构破解行业难题

自2008年以来，三星SDI与三星先进技术研究所（SAIT）、三星日本研发研究所（SRJ）等合作开发全固态锂电池。三星SDI致力于设施和生产流程，并且这些机构一直负责设计研发活性材料。

2020年3月，三星先进技术研究所和三星日本研发研究所在《自然-能源》（Nature Energy）杂志上发表题为《通过银碳负极实现高能量密度长续航全固态金属锂电池》的论文，展示三星对于困扰全固态电池量产的锂枝晶与充放电效率问题的解决方案。三星通过引入银碳复合负极、不锈钢集电器、辉石型硫化物电解质以及特殊材料涂层，对固态电池的负极、电解质与正极进行处理，有效解决锂枝晶生长、低库伦效率与界面副反应三大核心问题，推动固态电池技术离产业化更进一步。

2022年3月，三星SDI宣布开始建设“业内第一条”全固态电池试验线，试验线将建成约6500平方米的规模。三星SDI将全固态电池试验线命名为“S产线（S-line）”，名称来自Solid、Sole和Samsung SDI的首字母组合。借助这条试验线，三星SDI有望在全固态电池的量产之路上甩开竞争对手。

参考文献

1. 李泓 许晓雄，固态锂电池研发愿景和策略，储能科学与技术，2016，5（5）：607-614.

2. 宋洁尘 夏青 徐宇兴，全固态锂离子电池的研究进展与挑战，化工进展，2021，40（9）：5045-5060.

3. 孔东波，全固态锂电池研究进展，当代化工研究，2021（14）：175-176.

4. 张鹏 赖兴强 沈俊荣，固态锂电池研究及产业化进展，2021，10（3）：896-904.

5. 杨杰 王凯 徐亚楠，全固态锂电池中金属锂负极及其界面设计的研究进展，材料工程，2021，49（8）：26-42.

6. 固态电池——后锂电时代必经之路，http://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP201809201199105164_1.pdf，2018-09-19.

7. 2020年中国固态电池行业研究报告，https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202009071408537874_1.pdf?1632934913000.pdf.

8. Joscha Schnella, Till Günthera, Thomas Knoche. All-solid-state lithium-ion and lithium metal batteries – paving the way to large-scale production. Journal of Power Sources, 2018, 382(1): 160-175.

9. Yong-Gun Lee, Satoshi Fujiki, Changhoon Jung. High-energy long-cycling all-solid-state lithium metal batteries enabled by silver–carbon composite anodes. Nature Energy, 2020, 5: 299-308.

10. Jong Heon Kim, Kwangmo Go, Kyung Jin Lee. Improved performance of all-solid-state lithium metal batteries via physical and chemical interfacial control. Advanced Science, 2022, 9(2): 2103433.

11. C R Stoldt, S H Lee. All-solid-state lithium metal batteries for next generation energy storage. 2013 Transducers & Eurosensors XXVII: The 17th International Conference on Solid-State Sensors.

12. Evvy Kartini1, Carla Theresa Genardy. The future of all solid state battery. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Volume 924, International Conference on Advanced Materials and Technology, 2019.