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　　固態(tài)電池興起的原因是什么？

　　新能源汽車的液態(tài)鋰離子電池存在安全隱患，矛頭指向液態(tài)電解質(zhì)。

　　固態(tài)電池不但是安全性問題的解決方案，也能通過提升能量密度帶來續(xù)航便利性的提升。

　　正是由于固態(tài)電池的工藝路線尚不成熟，降本仍需過程，全面產(chǎn)業(yè)化預(yù)計(jì)需要5-10 年，各企業(yè)期望搶占未來發(fā)展的先機(jī)以贏得市場(chǎng)份額。

　　本期報(bào)告將為您解答:

　　基本概念

　　行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

　　不同企業(yè)固態(tài)電池的電解質(zhì)技術(shù)路線

　　01

　　固態(tài)電池的基本概念

　　// 液態(tài)鋰電池與固態(tài)電池對(duì)比

　　顯而易見，固態(tài)電池的優(yōu)點(diǎn)很多：

　　高能量密度：達(dá)5V以上，可匹配高電壓電極材料；高安全性：不可燃、 耐高溫、無腐蝕、不揮發(fā)；

　　柔性優(yōu)勢(shì)：可制備成薄膜電池和柔性電池，更簡(jiǎn)易安全；

　　循環(huán)壽命長(zhǎng)：固體電解質(zhì)有望避免界面膜和鋰枝晶刺穿隔膜的問題，循環(huán)性有望提升；

　　工作范圍寬：無機(jī)固體電解質(zhì)最高溫度能到300℃；體積小：縮短正負(fù)極間距，降低電池厚度。

　　但不可避免地，固態(tài)電池仍然會(huì)有快充難和成本高的缺點(diǎn)。

　　// 材料

　　固態(tài)電池的正極材料一般分為四類：三元鋰、硫酸鐵鋰、鈷酸鋰和錳酸鋰。正極材料一般采用復(fù)合電極，在電極中起到的作用是傳輸離子和電子的作用。根據(jù)高工產(chǎn)研的數(shù)據(jù)，三元材料出貨量占比最高；其次是磷酸鐵鋰。具有能量密度優(yōu)勢(shì)的三元材料預(yù)計(jì)進(jìn)一步取代磷酸鐵鋰市場(chǎng)。固態(tài)電池的負(fù)極材料主要分為三類：金屬鋰負(fù)極材料、碳族負(fù)極材料和氰化物負(fù)極材料。其中由于金屬鋰負(fù)極材料具有高容量和低電位的優(yōu)點(diǎn)，所以成為全固體鋰電池最主要的負(fù)極材料之一。采用金屬鋰做負(fù)極，有望提升40—50%的能量密度。目前，全球鋰鹽產(chǎn)能主要集中在我國(guó)，占比約 70%。產(chǎn)能利用率超60%。

　　固態(tài)電解質(zhì)是固態(tài)電池的核心，電解質(zhì)材料很大程度上決定了固態(tài)鋰電池的各項(xiàng)性能參數(shù)。固態(tài)電池按照電解質(zhì)來分，可將固態(tài)電池路徑分為：聚合物、氧化物、硫化物。其中聚合電解質(zhì)屬于有機(jī)電解質(zhì)，擁有界面相容性和機(jī)械加工性，易量產(chǎn)，靈活性好等優(yōu)點(diǎn)，但是室溫離子導(dǎo)電率低，難以適配高。氧化物和硫化物屬于無機(jī)電解質(zhì)，氧化物固態(tài)電解質(zhì)擁有離子導(dǎo)電率較高、循環(huán)性優(yōu)異且易生產(chǎn)、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。硫化物相對(duì)于液態(tài)相媲美的電導(dǎo)率相比，具有電導(dǎo)率高的優(yōu)點(diǎn)。目前氧化物固態(tài)電解質(zhì)的發(fā)展最快，其次是硫化物電解質(zhì)，氧化物的綜合發(fā)展性較為均衡，其他兩種的電解質(zhì)均存在高成本或研發(fā)難度大等問題，不能達(dá)到大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用的要求。

　　// 產(chǎn)業(yè)鏈

　　固態(tài)電池正處于研發(fā)技術(shù)階段，是液態(tài)鋰電池的升級(jí)版，所以固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)鏈與鋰電池的產(chǎn)業(yè)鏈大致相似，但是兩者的主要區(qū)別在于中上游的負(fù)極材料及電解質(zhì)不同。過渡階段半固態(tài)電池還是會(huì)用隔膜和電解液；全固態(tài)電池會(huì)完全取代電解液和隔膜，但正負(fù)極活性材料不需要做大的更改，活性材料還是保持原有材料體系。在應(yīng)用領(lǐng)域方面，固態(tài)電池有望率先發(fā)揮安全與柔性優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用于對(duì)成本敏感度較小的微電池領(lǐng)域，比如植入式醫(yī)療設(shè)備、無線傳感器等；技術(shù)進(jìn)步后，逐漸向高端消費(fèi)電池滲透。固態(tài)電池在傳統(tǒng)消費(fèi)電子產(chǎn)品上，如手機(jī)、電腦及數(shù)碼相機(jī)等產(chǎn)品在我國(guó)已處于較為成熟的市場(chǎng)，整體呈現(xiàn)放緩收縮的趨勢(shì)。

　　02

　　固態(tài)電池的行業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

　　// 政策及發(fā)展目標(biāo)

　　為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的需要，多個(gè)國(guó)家相繼出臺(tái)了很多支持新能源的發(fā)展政策，明確固態(tài)電池發(fā)展目標(biāo)和產(chǎn)業(yè)技術(shù)規(guī)劃。中國(guó)在2019 年12 月，工信部發(fā)布《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035 年）》（征求意見稿），在“實(shí)施電池技術(shù)突破行動(dòng)”中，加快固態(tài)動(dòng)力電池技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化被列為“新能源汽車核心技術(shù)攻關(guān)工程”。主要圍繞“推動(dòng)鋰電池行業(yè)的發(fā)展”以及“促進(jìn)新能源汽車動(dòng)力電池升級(jí)”兩個(gè)方面。有望在2020-2025 年著力提升電池能量密度并向固態(tài)電池轉(zhuǎn)變，2030 年研發(fā)出可商業(yè)化使用的全固態(tài)電池。美國(guó)能源部的部署著重于電池正負(fù)極材料的革新、電芯優(yōu)化和降低成本或者解脫電池對(duì)重要材料如鈷的依賴，以及回收利用動(dòng)力電池材料；德國(guó)政府的策略是加大資金扶持，未來的發(fā)展目標(biāo)是全固態(tài)的電池為主，支持鋰電子技術(shù)和新概念電池；日本為應(yīng)對(duì)多元化的市場(chǎng)需求，未來的發(fā)展目標(biāo)向從三元體系向全固態(tài)電池、鋰硫電池發(fā)展，同時(shí)緊抓氫燃料電池。

　　// 技術(shù)趨勢(shì)

　　固態(tài)電池的發(fā)展采取逐步顛覆策略，液態(tài)電解質(zhì)含量逐步下降，全固態(tài)電池是最終形態(tài)。預(yù)計(jì)在 2025 年半固態(tài)電池可以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，2030 年實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池的商業(yè)化應(yīng)用。傳統(tǒng)半固態(tài)電池鋰電池采用的是凝膠電解質(zhì)制備的鋰電池，凝膠電解質(zhì)材料的優(yōu)點(diǎn)是封裝簡(jiǎn)單、循環(huán)性能和倍率性能均較好、形狀可以多樣化且滿足商業(yè)化的需求，缺點(diǎn)在于對(duì)能量密度的提升成都有限且無法從根本上解決電解液造成安全性能的問題。半固態(tài)鋰電池的正極材料可延續(xù)現(xiàn)有的鋰電池的正極材料體系，負(fù)極材料是用目前主流的石墨系鈦酸鋰等、以及未來的硅碳系均可適用。電解液仍需要少量的有機(jī)溶劑浸漬, 現(xiàn)有體系EC/DEC/DMC 等溶劑仍需要且仍需要隔膜隔絕正負(fù)極防止短路。

　　// 市場(chǎng)規(guī)模

　　中國(guó)固態(tài)電池專利數(shù)量過去十年顯著提升。根據(jù)Grand View Research的報(bào)告2030年全球固態(tài)電池市場(chǎng)空間有望達(dá)到1500億元，中國(guó)固態(tài)電池市場(chǎng)空間約200億元。

　　// 行業(yè)現(xiàn)狀

　　固態(tài)電池領(lǐng)域市場(chǎng)參與者眾多，車企、電池企業(yè)、投資機(jī)構(gòu)、科研機(jī)構(gòu)等在 資本、技術(shù)、人才三方面進(jìn)行博弈。在歐美大多數(shù)國(guó)家政府采取撥款助力固態(tài)電池研發(fā)，科研機(jī)構(gòu)及固態(tài)電池初創(chuàng)企業(yè)是主力，初創(chuàng)企業(yè)有Solid Power、 SolidEnergy Systems、Ionic Materials 、Quantum Scape 等。韓國(guó)電池企業(yè)選擇縱向聯(lián)合，共同開發(fā)固態(tài)電池技術(shù)。日本車企在固態(tài)電池上的研發(fā)起點(diǎn)相對(duì)較早，企業(yè)依靠自身優(yōu)勢(shì)組建研發(fā)團(tuán)隊(duì)。最早入局的豐田在2008年就與固態(tài)電池創(chuàng)企伊利卡（Ilika）展開了合作。三菱、日產(chǎn)、松下等大部分企業(yè)紛紛加速布局固態(tài)電池行業(yè)，爭(zhēng)取早日實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

　　國(guó)內(nèi)全固態(tài)鋰電池仍處于基礎(chǔ)性研究階段，國(guó)內(nèi)企業(yè)不及日本、德國(guó)、美國(guó)等起步早。主要參與者包括中科院化學(xué)所、中科院青島能源所、中科院寧波材料所等研究機(jī)構(gòu)，贛鋒鋰業(yè)、寧德時(shí)代等電池企業(yè)；同時(shí)一些汽車零部件廠商和新能源廠商也加快了進(jìn)入固態(tài)電池的跨界投資的步伐，比如萬向集團(tuán)、比亞迪等企業(yè)。

　　車企參與多采用投資 startup 的形式：大眾投資 Quantum Scape，雷諾-日產(chǎn)-三菱聯(lián)盟投資 Ionic Material，福特、寶馬、現(xiàn)代投資 Solid power，北汽、上汽投資清陶，蔚來、天際、愛馳合作輝能科技。車企曾集體錯(cuò)過了液態(tài)鋰電的布局先機(jī)，故加大固態(tài)電池領(lǐng)域的投入，以擺脫在這一核心零部件上受制于人的局面。

　　// 與氫燃料電池的對(duì)比

　　固態(tài)鋰電池和氫燃料電池相比，在技術(shù)領(lǐng)域方面，固態(tài)鋰電池在能源效率、安全性、基礎(chǔ)配套等方面更勝一籌，而氫燃料電池在續(xù)航、技術(shù)成熟度方面更勝一籌。在應(yīng)用領(lǐng)域方面,固態(tài)鋰電池屬于液態(tài)鋰電體系升級(jí)版本，未來在新能源汽車領(lǐng)域有大規(guī)模應(yīng)用可能性；氫燃料電池已經(jīng)在新能源汽車領(lǐng)域有一定應(yīng)用，也是現(xiàn)在大多數(shù)廠商所推崇的電池?？偨Y(jié)得出，從目前來看固態(tài)鋰電池技術(shù)尚不成熟，能量密度優(yōu)勢(shì)尚未體現(xiàn)。氫燃料電池雖然應(yīng)用領(lǐng)域不如液態(tài)鋰電池廣泛，但目前產(chǎn)品技術(shù)相對(duì)成熟，完全能夠滿足車用要求。從長(zhǎng)期來看，二者在新能源汽車領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用潛力，能為新能源汽車在不同應(yīng)用場(chǎng)景多元化技術(shù)路線方案。

　　03

　　不同企業(yè)固態(tài)電池的電解質(zhì)技術(shù)路線

　　從全球來看，約有50多家制造企業(yè)、初創(chuàng)公司和高校科研院所致力于固態(tài)電池技術(shù)，但均尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化。歐美主要是聚合物體系，美國(guó)側(cè)重固液混合技術(shù)。在亞洲，中日韓主要是氧化物、硫化物體系。中國(guó)近年多家企業(yè)建立氧化物固態(tài)電池生產(chǎn)線。目前來看氧化物體系進(jìn)展最快，硫化物體系緊隨其后，高能聚合物體系仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，硫化物和聚合物體系都已取得長(zhǎng)足進(jìn)展。

　　// 聚合物電解質(zhì)技術(shù)路線企業(yè)

　　法國(guó)Bollore：法國(guó)Bollore在2011年實(shí)現(xiàn)聚合物固態(tài)鋰電池商業(yè)化，核心點(diǎn)采用高溫加熱。技術(shù)運(yùn)用于市內(nèi)租賃電動(dòng)車中，是全球首個(gè)固態(tài)電池電動(dòng)車商業(yè)化的公司。Bollore的金屬鋰原料來自于贛鋒。該體系技術(shù)相對(duì)成熟，成本低廉，是當(dāng)前量產(chǎn)能力最強(qiáng)的固態(tài)電池，公司利用自主開發(fā)的電動(dòng)汽車“Bluecar”和電動(dòng)巴士“Bluebus”在法國(guó)巴黎及其郊外提供汽車共享服務(wù)“Autolib”。產(chǎn)品主要應(yīng)用于電動(dòng)汽車和重型車輛和集成到較大的固定式存儲(chǔ)單元。

　　美國(guó)Solid Energy：Solid Energy是鋰金屬技術(shù)和產(chǎn)品的全球領(lǐng)先研究者，開發(fā)商和制造商。公司采用超薄鋰金屬負(fù)極和同時(shí)擁有固態(tài)和液態(tài)部分的電解質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了電池能量密度提升一倍，重量減少一半，預(yù)計(jì)固態(tài)電池上市2021年，裝車時(shí)間2026年。目前已經(jīng)小規(guī)模試制用于原型演示和專業(yè)航空航天市場(chǎng)。在商業(yè)模式上，建立了開放型生態(tài)系統(tǒng)，與知名公司開展戰(zhàn)略合作，來加速鋰金屬電池技術(shù)這項(xiàng)突破性技術(shù)在電池行業(yè)的商業(yè)化。公司產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域主要面向航空、航天的用戶以及民用無人機(jī)等。

　　// 氧化物電解質(zhì)技術(shù)路線企業(yè)

　　中國(guó)贛鋒鋰業(yè)：贛鋒鋰業(yè)作為全球最大的金屬鋰生產(chǎn)商，與中科院寧波材料所許曉雄團(tuán)隊(duì)合作推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化。公司擁有建立的全球最完整的鋰產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈涵蓋了鋰行業(yè)上下游的各重要板塊。核心技術(shù)可使電解質(zhì)孔隙率更低，加工工藝的可重復(fù)性和電導(dǎo)率也得到了提升。公司的主要產(chǎn)品為金屬氧化物固態(tài)電解質(zhì)產(chǎn)品，GARNET 型和 LISICON 型氧化物電解質(zhì)粉體(LATP&LLZXO粉體)，贛鋒第三代固態(tài)電池是基于金屬鋰負(fù)極的全固態(tài)鋰電池，能量密度達(dá)>400Wh/kg。主要應(yīng)用于于電動(dòng)汽車、各種儲(chǔ)能設(shè)備及各種消費(fèi)型電子設(shè)備。合作伙伴有特斯拉、寶馬、大眾、LG化學(xué)等。

　　中國(guó)臺(tái)灣輝能科技：中國(guó)臺(tái)灣輝能科技是發(fā)布第一代固態(tài)氧化物的基礎(chǔ)電解質(zhì)技術(shù)平臺(tái)，創(chuàng)造出柔性具基本導(dǎo)電性的電解質(zhì)。全球首創(chuàng)“固態(tài)陶瓷電解質(zhì)”的鋰電池，改用抗壓的固態(tài)陶瓷電解質(zhì)取代隔離層和電解液，安全性有保障且固態(tài)鋰電池不會(huì)起火或爆炸，PLCB 的能量密度已高于大部分現(xiàn)有電動(dòng)車電池，成功提升優(yōu)良率及產(chǎn)能且降低制造成本。目前產(chǎn)品應(yīng)用的領(lǐng)域是微型電子、消費(fèi)電子領(lǐng)域、3C產(chǎn)品等。

　　// 硫化物電解質(zhì)技術(shù)路線企業(yè)

　　日本豐田:豐田在固態(tài)電池方面的研究圍繞著無機(jī)全固態(tài)鋰電池的開發(fā)研究、如何減少硫化氫的產(chǎn)生以及如何提高固體電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率等方面。核心技術(shù)解決了在固態(tài)電池能量密度方面問題，達(dá)到續(xù)航里程將大幅提升，充電速度上升；在電池壽命方面，固態(tài)電池在使用 30 年后仍保持90%以上的性能。豐田計(jì)劃2022年推出固態(tài)電池的車型和全面掌握全固態(tài)電池相關(guān)技術(shù)，2025年實(shí)現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)。產(chǎn)品主要應(yīng)用于電動(dòng)汽車領(lǐng)域。

　　中國(guó)寧德時(shí)代:公司核心技術(shù)為動(dòng)力和儲(chǔ)能電池領(lǐng)域，材料、電芯、電池系統(tǒng)、電池回收二次利用等全產(chǎn)業(yè)鏈研發(fā)及制造能力，寧德時(shí)代2013年后加大硫化物固態(tài)電池布局，申請(qǐng)的剛性膜片及硫化物固態(tài)鋰金屬電池專利，一方面使用金屬鋰作負(fù)極，提高能量密度，另一方面解決了安全性和循環(huán)壽命等難題，有力提升了固態(tài)鋰金屬電池的循環(huán)性和降低短路發(fā)生幾率。產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域是電動(dòng)客車、電動(dòng)乘用車和電動(dòng)物流車。公司全固態(tài)電池還在開發(fā)中，預(yù)計(jì)2030年后產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)商品化。

　　04

　　總結(jié)

　　固態(tài)鋰電技術(shù)路徑的確定性并非絕對(duì)，最早實(shí)現(xiàn)動(dòng)力領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，預(yù)期是在 2025 年左右將研制出高能量密度、高安全性且綜合性能優(yōu)異的固態(tài)鋰電池，并推向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。固態(tài)電池應(yīng)用領(lǐng)域的滲透路徑預(yù)期為：特種設(shè)備 ? 消費(fèi)鋰電（柔性化以及薄體積對(duì) 3C 產(chǎn)品意義重大） ? 動(dòng)力鋰電 。

　　對(duì)鋰電池企業(yè)：固態(tài)電池壁壘較液態(tài)電池更高，率先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化者享有高溢價(jià)，初創(chuàng)公司進(jìn)入的可能性也不大，主要是利好于鋰行業(yè)和固態(tài)電池研究居前的公司；

　　對(duì)鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈：電池行業(yè)重新洗牌，固態(tài)電池推廣后，已有的液態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈將迎來巨大沖擊，可能導(dǎo)致已有的電池競(jìng)爭(zhēng)格局發(fā)生突變。產(chǎn)業(yè)鏈上游的金屬鋰需求勢(shì)必增加，讓鋰元素扮演更加重要的角色是提升鋰電能量密度的核心思路之一。

　　對(duì)電池材料：產(chǎn)業(yè)鏈中游的正極材料方面， 與當(dāng)前發(fā)展方向較為相符；負(fù)極材料方面，原本石墨，碳硅負(fù)極向金屬鋰轉(zhuǎn)變，可能沖擊較大。不再需要隔膜和電解液，逼迫相應(yīng)企業(yè)緊跟趨勢(shì)實(shí)施轉(zhuǎn)型。

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