鉅大LARGE | 點擊量：775次 | 2021年05月13日
“領先的固態(tài)電池”？十年內空間較小、對現(xiàn)有電池影響有限
近日，蔚來公布智能電動旗艦轎車ET7，并宣布搭載”領先的固態(tài)電池”，印發(fā)行業(yè)熱議。固態(tài)電池到底是什么？與現(xiàn)有鋰離子電池差異有多大？對行業(yè)影響多大？本篇報告對以上問題進行了詳解。
報告認為，液態(tài)電池是長期主流，固態(tài)電池十年內空間較小，不是產業(yè)趨勢。液態(tài)電池還是長期主流，按照現(xiàn)有技術路徑，穩(wěn)態(tài)下固態(tài)電池有望用于消費、特種等成本不敏感的領域，車用動力領域預計重要裝載在高端車型上，占比預計約20%。（技術、成本都有很大難題），現(xiàn)有的四大材料體系將長期維系，且蔚來描述的新的正負極技術并非業(yè)內重大創(chuàng)新，龍頭電池廠商也是掌握的。
固態(tài)電池現(xiàn)在沒有想象空間，對現(xiàn)有液態(tài)電池體系影響有限；且固態(tài)電池不改變現(xiàn)有正負極材料體系。
1、固態(tài)電池技術介紹
1.1、鋰離子電池發(fā)展的核心難題：熱穩(wěn)定性、鋰枝晶引發(fā)的安全問題
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
鋰枝晶，在鋰離子電池充電過程中鋰離子還原形成的樹枝狀金屬鋰，刺穿隔膜導致電池短路、起火。
?鋰枝晶在負極表明附著，生長到一定程度會刺穿隔膜，導致內部短路，引發(fā)起火。
?假如發(fā)生折斷，會出現(xiàn)“死鋰”現(xiàn)象，影響電池容量。
隔膜：PP/PE，玻璃化轉變溫度大約是140~160度，耐熱性能待提升。
?用現(xiàn)有的涂覆技術，提升隔膜耐熱溫度至160~180度。
?超過玻璃化轉變溫度Tg之后，聚合物會變從玻璃態(tài)轉變成流動態(tài)。進而導致正負極直接接觸、短路等潛在的安全隱患。
鋰離子電池研發(fā)目標：通過對鋰枝晶生長的有效抑制，獲得高能量密度、長循環(huán)周期、大電流密度。
1.2、固態(tài)電池與傳統(tǒng)電池比較
1）固態(tài)電池VS傳統(tǒng)電池：安全性更好
鋰離子電池發(fā)展兩大方向：更高的安全性和更優(yōu)越的綜合性能
?更安全：鋰枝晶在固態(tài)電解質中生長緩慢且難刺透，可燃性更差，熱穩(wěn)定性更強。（氧化物固態(tài)電池極限溫度1800℃）
?高綜合性能：采用高鎳正極、硅碳負極、預鋰化等，能量密度突破300Wh/kg。（液態(tài)、固態(tài)電池均可以實現(xiàn)）
2）固態(tài)電池VS傳統(tǒng)電池：四大材料中正負極沒有變化，全固態(tài)電池不要隔膜、電解液
?正極：高鎳正極
?負極：硅碳負極、預鋰化、Li金屬負極等
?全固態(tài)電池中，隔膜、電解液替換為固態(tài)電解質
?半固態(tài)電池：電解液用量逐步減少，根據(jù)不同體系，有的用基膜，有的不用基膜
1.3、液-固電解質電池轉換：需克服技術&成本兩道難題
固態(tài)電池重要難題在于：
1）固-固界面接觸難題，內阻較大，循環(huán)性能、倍率性能差；
2）提升固態(tài)電解質導電率，改善固態(tài)電解質與正負極的界面，減小內阻；
?與液態(tài)電解液相比，固態(tài)電解質的電導率/鋰離子遷移率低1~2個數(shù)量級，電導率低，全電池阻抗大，導致循環(huán)性能、倍率性能差。
?電極材料在充電時膨脹，放電時受挫，液態(tài)電解液—電極（液體—固體）接觸相對較好，而固態(tài)電解質—電極（固體—固體）難以保持長期穩(wěn)定的接觸，并加大了固體電解質破裂或分離的可能，電池內阻較大。
?不使用電解液，只用固態(tài)電解質導電率會大幅度降低，而且沒有沒有好的解決辦法。因此公司先從半固態(tài)開始做起。
理想的全固態(tài)電池：高能量密度（≥280Wh/kg）、高安全性、高電導率（10-2S/cm）長壽命（≥1500次，15年）、≥4Ah電芯、能快速生產（>10ppm）；快充（3-5C）、低成本（<0.6元/Wh）、寬溫度范圍（-30℃-80℃）。但目前高電導率、長壽命、快沖、低成本、寬工作溫度范圍都還未能實現(xiàn)。
?氧化物路線（清陶、衛(wèi)藍、輝能、贛鋒、寧德等國內公司）：導電率高于聚合物，可在低溫下實現(xiàn)導鋰，而耐受高電壓。但界面電阻高，大容量電芯制造困難。（扣式電池性能較差）
?硫化物路線（松下、三星；寧德、清陶等國內公司都有技術布局）：導電率最高，接觸性好。但硫化物與水接觸出現(xiàn)有毒氣體H2S，制造成本高。（扣式電池性能較差）
?聚合物路線（殘留溶劑含量<20%）：易加工，產品性能與當前液體電解液體系下類似。（扣電，一致性待提升，1~2C）
全固體電池遇技術難題：固-固界面接觸難題尚未解決；鋰枝晶可能會折斷，導致“死鋰”情況發(fā)生，降低電池容量；金屬鋰循環(huán)過程中出現(xiàn)多孔，體積無限膨脹。
全固態(tài)電解質成本較高：
?以陶瓷基電解質LLZTO為例，含有La、Zr兩種稀有金屬，成本較高。
?隔膜基膜厚度為7um，涂覆厚度2um。若直接用陶瓷基電解質替代隔膜（基膜+涂覆），陶瓷基電解質大約是40um以上
?據(jù)測算，NCM811固態(tài)電池成本相比傳統(tǒng)電池要高出約75%，成本中心在固態(tài)電解質成分。
?遠期來看，若采用相同的正負極材料體系，即能量密度基本相同：1）假設現(xiàn)有的高成本固態(tài)電解質技術路徑不變；2）半固態(tài)（固液混合態(tài)）電池較現(xiàn)有的液態(tài)電池新增了固體電解質的成分；全固態(tài)電池的成本很難做到比現(xiàn)有的液態(tài)電池要低。
?預計固態(tài)/半固態(tài)電池在消費、特種等對成本不敏感的領域先行應用。預計固態(tài)電池會部分用在高端車型上，但總占比不會超過20%。
2、NIO150KWh電池包解析
2.1、差異化核心創(chuàng)新點：固液電解質技術（原位固化）
NIO的150KWh的電池包（360Wh/kg電芯）采用了原位固化技術，在正極—電解液側形成CEI層，負極—電解液側形成SEI層，改善循環(huán)性能，減少界面阻抗。
?類似于在基膜上通過原位聚合的技術引入涂覆層，涂覆層的材料含有固態(tài)電解質的成分，可以部分提高安全性，改善正負極界面性能。
?原位聚合包括：光引發(fā)聚合、熱引發(fā)聚合、多層非對稱固體電解質膜等技術。（仍然要電解液、隔膜）
?初級半固態(tài)產品，提升了安全性能，仍然要電解液、基膜。
?能量密度提升由于采用了高鎳正極、硅碳負極、預鋰化技術等（液態(tài)鋰離子電池也可適用）。
2.2、其他創(chuàng)新點：均質包覆、預鋰化負極，納米包覆超高鎳正極
3、公司技術進展
3.1、公司核心技術團隊來自優(yōu)秀科研院所，體現(xiàn)高技術壁壘
產-研融合屬性突出。清陶能源、衛(wèi)藍新能源、浙江鋒鋰、新宙邦、QuantumScape等公司的核心技術人員均來自清華大學、中科院、南科大、斯坦福等優(yōu)秀科研院所。
3.2、國內廠商傾向于走氧化物、聚合物等路線
頭部汽車廠商均已在固態(tài)電池領域有所布局
?國內輝能科技、清陶科技、衛(wèi)藍新能源等在固態(tài)電池研究較為深入的公司均選擇的是氧化物體系，國際上在該技術領先的SolidPower走硫化物路線，日本豐田、松下、日立也采用抱團合作的模式，深耕硫化物路線。QuantumScape同時兼顧三個方向的研究。
?國內多數(shù)電池廠商及海外的豐田、QuantumScape均從固液電解質混合的半固態(tài)產品開始做起。
3.3、規(guī)劃與進展：半固態(tài)電池已有落地
根據(jù)重要車企的規(guī)劃，搭載固態(tài)電池的產品預計最早于2022年以后量產。
目前有至少三款樣車分別搭載了來自衛(wèi)藍新能源和清陶科技的半固態(tài)電池。
3.4、頭部車企與鋰鹽龍頭紛紛注資入局
?近兩年，北汽、上汽、廣汽均先后參與了清陶能源D/E/E+/E++輪融資。一汽在2020年參與了輝能科技的D輪融資。
?衛(wèi)藍新能源：背靠中科院技術，同時獲得中科院物理所和中科院科技成果轉化基金的投資（兩者共持股11.8%）。鋰鹽龍頭——天齊鋰業(yè)以投資的方式進入。
?贛鋒鋰業(yè)：直接入場，與中科院寧波材料所合作成立子公司——浙江鋒鋰新能源；主動與車企尋求合作。
?國外公司方面：2014年，大眾已持有QuantumScape5%的股份。2018年和2020年兩次增資共約3億美元，現(xiàn)持股31.1%。
