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固态电池兴起的原因是什么？
新能源汽车的液态锂离子电池存在安全隐患，矛头指向液态电解质。
固态电池不但是安全性问题的解决方案，也能通过提升能量密度带来续航便利性的提升。
正是由于固态电池的工艺路线尚不成熟，降本仍需过程，全面产业化预计需要5-10 年，各企业期望抢占未来发展的先机以赢得市场份额。
本期报告将为您解答:
基本概念
行业现状及发展趋势
不同企业固态电池的电解质技术路线
01
固态电池的基本概念
// 液态锂电池与固态电池对比
显而易见，固态电池的优点很多：
高能量密度：达5V以上，可匹配高电压电极材料；高安全性：不可燃、 耐高温、无腐蚀、不挥发；
柔性优势：可制备成薄膜电池和柔性电池，更简易安全；
循环寿命长：固体电解质有望避免界面膜和锂枝晶刺穿隔膜的问题，循环性有望提升；
工作范围宽：无机固体电解质最高温度能到300℃；体积小：缩短正负极间距，降低电池厚度。
但不可避免地，固态电池仍然会有快充难和成本高的缺点。
// 材料
固态电池的正极材料一般分为四类：三元锂、硫酸铁锂、钴酸锂和锰酸锂。正极材料一般采用复合电极，在电极中起到的作用是传输离子和电子的作用。根据高工产研的数据，三元材料出货量占比最高；其次是磷酸铁锂。具有能量密度优势的三元材料预计进一步取代磷酸铁锂市场。固态电池的负极材料主要分为三类：金属锂负极材料、碳族负极材料和氰化物负极材料。其中由于金属锂负极材料具有高容量和低电位的优点，所以成为全固体锂电池最主要的负极材料之一。采用金属锂做负极，有望提升40—50%的能量密度。目前，全球锂盐产能主要集中在我国，占比约 70%。产能利用率超60%。
固态电解质是固态电池的核心，电解质材料很大程度上决定了固态锂电池的各项性能参数。固态电池按照电解质来分，可将固态电池路径分为：聚合物、氧化物、硫化物。其中聚合电解质属于有机电解质，拥有界面相容性和机械加工性，易量产，灵活性好等优点，但是室温离子导电率低，难以适配高。氧化物和硫化物属于无机电解质，氧化物固态电解质拥有离子导电率较高、循环性优异且易生产、稳定性好等优点。硫化物相对于液态相媲美的电导率相比，具有电导率高的优点。目前氧化物固态电解质的发展最快，其次是硫化物电解质，氧化物的综合发展性较为均衡，其他两种的电解质均存在高成本或研发难度大等问题，不能达到大规模生产应用的要求。
// 产业链
固态电池正处于研发技术阶段，是液态锂电池的升级版，所以固态电池的产业链与锂电池的产业链大致相似，但是两者的主要区别在于中上游的负极材料及电解质不同。过渡阶段半固态电池还是会用隔膜和电解液；全固态电池会完全取代电解液和隔膜，但正负极活性材料不需要做大的更改，活性材料还是保持原有材料体系。在应用领域方面，固态电池有望率先发挥安全与柔性优势，应用于对成本敏感度较小的微电池领域，比如植入式医疗设备、无线传感器等；技术进步后，逐渐向高端消费电池渗透。固态电池在传统消费电子产品上，如手机、电脑及数码相机等产品在我国已处于较为成熟的市场，整体呈现放缓收缩的趋势。
02
固态电池的行业现状与发展趋势
// 政策及发展目标
为实现节能减排的需要，多个国家相继出台了很多支持新能源的发展政策，明确固态电池发展目标和产业技术规划。中国在2019 年12 月，工信部发布《新能源汽车产业发展规划（2021-2035 年）》（征求意见稿），在“实施电池技术突破行动”中，加快固态动力电池技术研发及产业化被列为“新能源汽车核心技术攻关工程”。主要围绕“推动锂电池行业的发展”以及“促进新能源汽车动力电池升级”两个方面。有望在2020-2025 年着力提升电池能量密度并向固态电池转变，2030 年研发出可商业化使用的全固态电池。美国能源部的部署着重于电池正负极材料的革新、电芯优化和降低成本或者解脱电池对重要材料如钴的依赖，以及回收利用动力电池材料；德国政府的策略是加大资金扶持，未来的发展目标是全固态的电池为主，支持锂电子技术和新概念电池；日本为应对多元化的市场需求，未来的发展目标向从三元体系向全固态电池、锂硫电池发展，同时紧抓氢燃料电池。
// 技术趋势
固态电池的发展采取逐步颠覆策略，液态电解质含量逐步下降，全固态电池是最终形态。预计在 2025 年半固态电池可以实现量产，2030 年实现全固态电池的商业化应用。传统半固态电池锂电池采用的是凝胶电解质制备的锂电池，凝胶电解质材料的优点是封装简单、循环性能和倍率性能均较好、形状可以多样化且满足商业化的需求，缺点在于对能量密度的提升成都有限且无法从根本上解决电解液造成安全性能的问题。半固态锂电池的正极材料可延续现有的锂电池的正极材料体系，负极材料是用目前主流的石墨系钛酸锂等、以及未来的硅碳系均可适用。电解液仍需要少量的有机溶剂浸渍, 现有体系EC/DEC/DMC 等溶剂仍需要且仍需要隔膜隔绝正负极防止短路。
// 市场规模
中国固态电池专利数量过去十年显著提升。根据Grand View Research的报告2030年全球固态电池市场空间有望达到1500亿元，中国固态电池市场空间约200亿元。
// 行业现状
固态电池领域市场参与者众多，车企、电池企业、投资机构、科研机构等在 资本、技术、人才三方面进行博弈。在欧美大多数国家政府采取拨款助力固态电池研发，科研机构及固态电池初创企业是主力，初创企业有Solid Power、 SolidEnergy Systems、Ionic Materials 、Quantum Scape 等。韩国电池企业选择纵向联合，共同开发固态电池技术。日本车企在固态电池上的研发起点相对较早，企业依靠自身优势组建研发团队。最早入局的丰田在2008年就与固态电池创企伊利卡（Ilika）展开了合作。三菱、日产、松下等大部分企业纷纷加速布局固态电池行业，争取早日实现量产。
国内全固态锂电池仍处于基础性研究阶段，国内企业不及日本、德国、美国等起步早。主要参与者包括中科院化学所、中科院青岛能源所、中科院宁波材料所等研究机构，赣锋锂业、宁德时代等电池企业；同时一些汽车零部件厂商和新能源厂商也加快了进入固态电池的跨界投资的步伐，比如万向集团、比亚迪等企业。
车企参与多采用投资 startup 的形式：大众投资 Quantum Scape，雷诺-日产-三菱联盟投资 Ionic Material，福特、宝马、现代投资 Solid power，北汽、上汽投资清陶，蔚来、天际、爱驰合作辉能科技。车企曾集体错过了液态锂电的布局先机，故加大固态电池领域的投入，以摆脱在这一核心零部件上受制于人的局面。
// 与氢燃料电池的对比
固态锂电池和氢燃料电池相比，在技术领域方面，固态锂电池在能源效率、安全性、基础配套等方面更胜一筹，而氢燃料电池在续航、技术成熟度方面更胜一筹。在应用领域方面,固态锂电池属于液态锂电体系升级版本，未来在新能源汽车领域有大规模应用可能性；氢燃料电池已经在新能源汽车领域有一定应用，也是现在大多数厂商所推崇的电池。总结得出，从目前来看固态锂电池技术尚不成熟，能量密度优势尚未体现。氢燃料电池虽然应用领域不如液态锂电池广泛，但目前产品技术相对成熟，完全能够满足车用要求。从长期来看，二者在新能源汽车领域均有广泛的应用潜力，能为新能源汽车在不同应用场景多元化技术路线方案。
03
不同企业固态电池的电解质技术路线
从全球来看，约有50多家制造企业、初创公司和高校科研院所致力于固态电池技术，但均尚未实现大规模商业化。欧美主要是聚合物体系，美国侧重固液混合技术。在亚洲，中日韩主要是氧化物、硫化物体系。中国近年多家企业建立氧化物固态电池生产线。目前来看氧化物体系进展最快，硫化物体系紧随其后，高能聚合物体系仍处于实验室研究阶段，硫化物和聚合物体系都已取得长足进展。
// 聚合物电解质技术路线企业
法国Bollore：法国Bollore在2011年实现聚合物固态锂电池商业化，核心点采用高温加热。技术运用于市内租赁电动车中，是全球首个固态电池电动车商业化的公司。Bollore的金属锂原料来自于赣锋。该体系技术相对成熟，成本低廉，是当前量产能力最强的固态电池，公司利用自主开发的电动汽车“Bluecar”和电动巴士“Bluebus”在法国巴黎及其郊外提供汽车共享服务“Autolib”。产品主要应用于电动汽车和重型车辆和集成到较大的固定式存储单元。
美国Solid Energy：Solid Energy是锂金属技术和产品的全球领先研究者，开发商和制造商。公司采用超薄锂金属负极和同时拥有固态和液态部分的电解质，实现了电池能量密度提升一倍，重量减少一半，预计固态电池上市2021年，装车时间2026年。目前已经小规模试制用于原型演示和专业航空航天市场。在商业模式上，建立了开放型生态系统，与知名公司开展战略合作，来加速锂金属电池技术这项突破性技术在电池行业的商业化。公司产品的应用领域主要面向航空、航天的用户以及民用无人机等。
// 氧化物电解质技术路线企业
中国赣锋锂业：赣锋锂业作为全球最大的金属锂生产商，与中科院宁波材料所许晓雄团队合作推进产业化。公司拥有建立的全球最完整的锂产业价值链涵盖了锂行业上下游的各重要板块。核心技术可使电解质孔隙率更低，加工工艺的可重复性和电导率也得到了提升。公司的主要产品为金属氧化物固态电解质产品，GARNET 型和 LISICON 型氧化物电解质粉体(LATP&LLZXO粉体)，赣锋第三代固态电池是基于金属锂负极的全固态锂电池，能量密度达>400Wh/kg。主要应用于于电动汽车、各种储能设备及各种消费型电子设备。合作伙伴有特斯拉、宝马、大众、LG化学等。
中国台湾辉能科技：中国台湾辉能科技是发布第一代固态氧化物的基础电解质技术平台，创造出柔性具基本导电性的电解质。全球首创“固态陶瓷电解质”的锂电池，改用抗压的固态陶瓷电解质取代隔离层和电解液，安全性有保障且固态锂电池不会起火或爆炸，PLCB 的能量密度已高于大部分现有电动车电池，成功提升优良率及产能且降低制造成本。目前产品应用的领域是微型电子、消费电子领域、3C产品等。
// 硫化物电解质技术路线企业
日本丰田:丰田在固态电池方面的研究围绕着无机全固态锂电池的开发研究、如何减少硫化氢的产生以及如何提高固体电解质的离子电导率等方面。核心技术解决了在固态电池能量密度方面问题，达到续航里程将大幅提升，充电速度上升；在电池寿命方面，固态电池在使用 30 年后仍保持90%以上的性能。丰田计划2022年推出固态电池的车型和全面掌握全固态电池相关技术，2025年实现规模量产。产品主要应用于电动汽车领域。
中国宁德时代:公司核心技术为动力和储能电池领域，材料、电芯、电池系统、电池回收二次利用等全产业链研发及制造能力，宁德时代2013年后加大硫化物固态电池布局，申请的刚性膜片及硫化物固态锂金属电池专利，一方面使用金属锂作负极，提高能量密度，另一方面解决了安全性和循环寿命等难题，有力提升了固态锂金属电池的循环性和降低短路发生几率。产品应用领域是电动客车、电动乘用车和电动物流车。公司全固态电池还在开发中，预计2030年后产品实现商品化。
04
总结
固态锂电技术路径的确定性并非绝对，最早实现动力领域产业化的时间节点，预期是在 2025 年左右将研制出高能量密度、高安全性且综合性能优异的固态锂电池，并推向产业化应用。固态电池应用领域的渗透路径预期为：特种设备 ➩ 消费锂电（柔性化以及薄体积对 3C 产品意义重大） ➩ 动力锂电 。
对锂电池企业：固态电池壁垒较液态电池更高，率先实现产业化者享有高溢价，初创公司进入的可能性也不大，主要是利好于锂行业和固态电池研究居前的公司；
对锂电池产业链：电池行业重新洗牌，固态电池推广后，已有的液态电池产业链将迎来巨大冲击，可能导致已有的电池竞争格局发生突变。产业链上游的金属锂需求势必增加，让锂元素扮演更加重要的角色是提升锂电能量密度的核心思路之一。
对电池材料：产业链中游的正极材料方面， 与当前发展方向较为相符；负极材料方面，原本石墨，碳硅负极向金属锂转变，可能冲击较大。不再需要隔膜和电解液，逼迫相应企业紧跟趋势实施转型。
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编辑：ymf
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