鉅大LARGE | 點擊量：903次 | 2019年04月14日
固態(tài)電池引發(fā)市場高度關注
隨著全球電動車浪潮席卷關于固態(tài)電池的新聞越來越多:從Fisker宣稱開發(fā)充電1分鐘行駛500公里的固態(tài)電池，到寶馬已與SolidPower進行合作開發(fā)下一代電動車用固態(tài)電池，再到豐田又宣稱將在2025年前實現(xiàn)全固態(tài)電池的實用化。作為下一代電池技術的代表，固態(tài)電池引發(fā)市場高度關注。
▌傳統(tǒng)液態(tài)鋰電不會是動力電池的術終點
傳統(tǒng)動力電池體系難以滿足10年后的能量密度需求
眾所周知，動力電池直接對應新能車產(chǎn)品的性價比，而能量密度是動力電池的關鍵指標。
我國電動車市場正經(jīng)歷由“政策驅(qū)動”向“政策助跑”的轉換，政策對于鋰電產(chǎn)業(yè)能量密度提升的導向已經(jīng)明確，補貼直接與能量密度掛鉤并不斷提高門檻。
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%
工信部頒布的《中國制造2025》指明:“到2025年、2030年，我國動力電池單體能量密度分別需達到400Wh/kg、500Wh/kg?！敝笜朔謩e對應當前乘用車動力電池單體平均水平170Wh/kg的2-3倍。
為了理清400-500Wh/kg對于動力電池能量密度的概念，我們對鋰離子電池技術的迭代路徑進行了梳理，我國正位于第二代向第三代鋰電發(fā)展的過程中。
正極材料的選擇上，我國已由磷酸鐵鋰轉向三元，并逐漸向高鎳三元發(fā)展。負極材料當前產(chǎn)業(yè)化仍集中于石墨材料，未來也在向硅碳負極進行過渡。
據(jù)推算，當前采用的高電壓層狀過渡金屬氧化物和石墨作為正負極活性材料所組成的液態(tài)鋰離子動力電池的重量能量密度極限約為280Wh/kg左右。
引入硅基合金替代純石墨作為負極材料后，鋰離子動力電池的能量密度有望做到300Wh/kg以上，其上限約為400Wh/kg。
安全問題關乎行業(yè)健康發(fā)展，難以徹底根除
可燃的液態(tài)有機電解液是電池自燃的幕后元兇。新能源汽車銷量逐年增長卻伴隨著安全事故的增加，其中，電池自燃占比事故原因的31%。自燃的原因是由于鋰電池發(fā)生內(nèi)部或者外部短路后，短時間內(nèi)電池釋放出大量熱量，溫度極劇升高，導致熱失控。而易燃性的液態(tài)電解液在高溫下會被點燃，最終導致電池起火或者爆炸。
面對能量與安全兩座大山，下一代鋰電的風口在哪?回望電動車電池技術發(fā)展史，從早期的鉛酸電池，到豐田等日企主打的鎳氫電池，再到08年特斯拉roaster使用的鋰離子電池，傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池已統(tǒng)治動力電池市場十年。
未來，能量與安全需求與傳統(tǒng)鋰電技術的矛盾將越來越凸顯，在下一代鋰電技術中，固態(tài)電池獲得了最高的關注度，已引發(fā)全球范圍的企業(yè)進行提前卡位。
▌為什么一定是固態(tài)電池
不燃燒，根除安全隱患
固態(tài)電池是采用固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池。工作原理上，固態(tài)鋰電池和傳統(tǒng)的鋰電池并無區(qū)別:傳統(tǒng)的液態(tài)鋰電池被稱為“搖椅式電池”，搖椅的兩端為電池的正負兩極，中間為液態(tài)電解質(zhì)，鋰離子在電解液中遷移來完成正負極間的穿梭實現(xiàn)充放電，而固態(tài)電池的電解質(zhì)為固態(tài)，相當于鋰離子遷移的場所轉到了固態(tài)的電解質(zhì)中。固態(tài)電解質(zhì)是固態(tài)電池的核心。
固態(tài)電解質(zhì)不可燃燒，極大提高電池安全性。與傳統(tǒng)鋰電池相比，全固態(tài)電池最突出的優(yōu)點是安全性。固態(tài)電池具有不可燃、耐高溫、無腐蝕、不揮發(fā)的特性，避免了傳統(tǒng)鋰離子電池中的電解液泄露、電極短路等現(xiàn)象，降低了電池組對于溫度的敏感性，根除安全隱患。
同時，固態(tài)電解質(zhì)的絕緣性使得其良好地將電池正極與負極阻隔，避免正負極接觸產(chǎn)生短路的同時能充當隔膜的功能。
兼容高容量正負極+輕量化電池系統(tǒng)，推動能量密度大飛躍
（1)更寬的電化學窗口，更易搭載高電壓正極材料
提高正極材料容量需要充電至高電壓以便脫出更多的鋰，目前針對鈷酸鋰的電解質(zhì)溶液可以充電到4.45V，三元材料可以充電到4.35V，繼續(xù)充到更高電壓，液態(tài)電解液會被氧化，正極表面也會發(fā)生不可逆相變，三元811電池的推廣目前便受到了耐高壓電解液的制約。
而固態(tài)電解質(zhì)的電化學窗口更寬，可達到5V，更加適應于高電壓型電極材料。隨著正極材料的持續(xù)升級，固態(tài)電解質(zhì)能夠做出較好的適配，有利于提升電池系統(tǒng)的能量密度。
(2)兼容金屬鋰負極，提升能量密度上限
高容量與高電壓的特性，讓金屬鋰成為繼石墨與硅負極之后的“最終負極”。為了實現(xiàn)更高的能量密度目標，以金屬鋰為負極的電池體系已成為必然選擇。因為:
鋰金屬的克容量為3860mAh/g，約為石墨(372mAh/g)的10倍
金屬鋰是自然界電化學勢最低的材料，為-3.04V。同時其本身就是鋰源，正極材料選擇面更寬，可以是含鋰或不含鋰的嵌入化合物，也可以是硫或硫化物甚至空氣，分別對應能量密度更高的鋰硫和鋰空電池，理論能量密度接近當前電池的10倍。
鋰金屬負極在當前傳統(tǒng)液態(tài)電池體系難以實現(xiàn)。鋰金屬電池的研究最早可追溯到上世紀60年代，并在20世紀70年代已成功開發(fā)應用于一次電池。
而在可充放電池領域，金屬鋰負極在液態(tài)電池中存在一系列技術問題至今仍缺乏有效的解決方法，比如金屬鋰與液態(tài)電解質(zhì)界面副反應多、SEI膜分布不均勻且不穩(wěn)定導致循環(huán)壽命差，金屬鋰的不均勻沉積和溶解導致鋰枝晶和孔洞的不均勻形成。
固態(tài)電解質(zhì)在解決鋰金屬負極應用問題上被科學界寄予厚望。研究者把解決金屬鋰負極的應用問題寄希望于固態(tài)電解質(zhì)的使用，主要思路是避免液體電解質(zhì)中持續(xù)發(fā)生的副反應，同時利用固體電解質(zhì)的力學與電學特性抑制鋰枝晶的形成。
此外，由于固態(tài)電解質(zhì)將正極與負極材料隔離開，不會產(chǎn)生鋰枝晶刺破隔膜的短路效應?？偠灾虘B(tài)電解質(zhì)對于鋰金屬負極擁有更好的兼容性，鋰金屬材料將在固態(tài)電池平臺上率先應用。
減輕系統(tǒng)重量，能量密度進一步提升
固態(tài)電池系統(tǒng)重量減少進一步提升能量密度。動力電池系統(tǒng)需要先生產(chǎn)單體，單體封裝完成后將單體之間進行串聯(lián)組裝。若先在單體內(nèi)部進行串聯(lián)，則會導致正負極短路與自放電。固態(tài)電池電芯內(nèi)部不含液體，可實現(xiàn)先串并聯(lián)后組裝，減少了組裝殼體用料，PACK設計大幅簡化。
此外，由于徹底的安全特性，BMS等溫控組件將得以省去，并可通過無隔膜設計進一步為電池系統(tǒng)“減負”。
固態(tài)電池是最有希望率先產(chǎn)業(yè)化的下一代電池技術
固態(tài)電池體系革命更小。鋰硫電池、鋰空氣等體系需更換整個電池結構框架，難題更多也更大，而固態(tài)電池主要在于電解液的革新，正極與負極可繼續(xù)沿用當前體系，實現(xiàn)難度相對小。
鋰金屬負極兼容，通過固態(tài)電解質(zhì)實現(xiàn)。鋰硫、鋰空氣均需采用鋰金屬負極，而鋰金屬負極更易在固態(tài)電解質(zhì)平臺實現(xiàn)。
固態(tài)電池作為距離我們最近的下一代電池技術已成為科學界與產(chǎn)業(yè)界的共識，是后鋰電時代的必經(jīng)之路。
▌固態(tài)電池距離我們還有多遠
高阻抗、低倍率的核心難題
當前固態(tài)電解質(zhì)體相離子電導率遠低于液態(tài)電解質(zhì)的水平，往往相差多個數(shù)量級。按照材料的選擇，固態(tài)電解質(zhì)可以分為聚合物、氧化物、硫化物三種體系，而無論哪一種類別，均無法回避離子傳導的問題。
電解質(zhì)的功能在于電池充放電過程中為鋰離子在正負極之間搭建鋰離子傳輸通道來實現(xiàn)電池內(nèi)部電流的導通，決定鋰離子運輸順暢情況的指標被稱為離子電導率，低的離子電導率意味著電解質(zhì)差的導鋰能力，使鋰離子不能順利在電池正負極之間運動。
聚合物體系的室溫電導率約10-7-10-5S/cm，氧化物體系室溫下電導率為10-6-10-3S/cm，硫化物體系電導率最高，室溫約10-3-10-2S/cm，而傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)的室溫離子電導率為10-2S/cm左右，比任意固態(tài)電解質(zhì)類型的離子電導率都要高。
此外，固態(tài)電解質(zhì)擁有高界面阻抗。在電極與電解質(zhì)界面上，傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)與正、負極的接觸方式為液/固接觸，界面潤濕性良好，界面之間不會產(chǎn)生大的阻抗，相比較之下，固態(tài)電解質(zhì)與正負極之間以固/固界面的方式接觸，接觸面積小，與極片的接觸緊密性較差，界面阻抗較高，鋰離子在界面之間的傳輸受阻。
低離子電導率與高界面阻抗導致了固態(tài)電池的高內(nèi)阻，鋰離子在電池內(nèi)部傳輸效率低，在高倍率大電流下的運動能力更差，直接影響電池的能量密度與功率密度。
三大技術路線產(chǎn)業(yè)化進展
固態(tài)電池的三大體系各有優(yōu)勢，其中聚合物電解質(zhì)屬于有機電解質(zhì)，氧化物與硫化物屬于無機陶瓷電解質(zhì)。
縱覽全球固態(tài)電池企業(yè)，有初創(chuàng)公司，也不乏國際廠商，企業(yè)之間獨踞山頭信仰不同的電解質(zhì)體系，未出現(xiàn)技術流動或融合的態(tài)勢。歐美企業(yè)偏好氧化物與聚合物體系，而日韓企業(yè)則更多致力于解決硫化物體系的產(chǎn)業(yè)化難題，其中以豐田、三星等巨頭為代表。
聚合物體系工藝最成熟，率先誕生EV級別產(chǎn)品，其概念性與前瞻性引發(fā)后來者加速投資研發(fā)，但性能上限制約發(fā)展，與無機固態(tài)電解質(zhì)復合將是未來可能的解決路徑;
氧化物體系中，薄膜類型開發(fā)重點在于容量的擴充與規(guī)?；a(chǎn)，而非薄膜類型的綜合性能較好，是當前研發(fā)的重點方向;硫化物體系是最具希望應用于電動車領域的固態(tài)電池體系，但處于發(fā)展空間巨大與技術水平不成熟的兩極化局面，解決安全問題與界面問題是未來的重點。
產(chǎn)業(yè)化尚處早期，前景已有保障
市場化產(chǎn)品能量密度較低。現(xiàn)階段固態(tài)電池量產(chǎn)產(chǎn)品很少，產(chǎn)業(yè)化進程仍處于早期。唯一實現(xiàn)動力電池領域量產(chǎn)的博洛雷公司產(chǎn)品能量密度僅為100Wh/kg，對比傳統(tǒng)鋰電尚未具備競爭優(yōu)勢。
高性能的實驗室產(chǎn)品將為產(chǎn)業(yè)化奠基。從海外各家企業(yè)實驗與中試產(chǎn)品來看，固態(tài)電池能量密度優(yōu)勢已開始凸顯，明顯超過現(xiàn)有鋰電水平。
在我國，固態(tài)鋰電的基礎研究起步較早，在“六五”和“七五”期間，中科院就將固態(tài)鋰電和快離子導體列為重點課題，此外，北京大學、中國電子科技集團天津18所等院所也立項進行了固態(tài)鋰電電解質(zhì)的研究，并在此領域取得了不錯的進展。
未來，隨著產(chǎn)業(yè)投入逐漸加大，產(chǎn)品性能提升的步伐也望加速。
固態(tài)電池對鋰電產(chǎn)業(yè)鏈的影響
除了電解質(zhì)，固態(tài)電池在其他電池部件上的選擇與傳統(tǒng)鋰電也有一定差異。
電極材料采用與固態(tài)電解質(zhì)混合的復合電極。結構上，固態(tài)電池正負極與傳統(tǒng)電極的最大區(qū)別在于:為了增加極片與電解質(zhì)的接觸面積，固態(tài)電池的正負極一般會與固態(tài)電解質(zhì)混合。
例如在正負極顆粒間熱壓或填充固態(tài)電解質(zhì)，或者在電極側引入液體，形成固-液復合體系，這都與傳統(tǒng)鋰電單獨混合極片漿料并在鋁/銅箔上涂布不同。
而在材料選擇上，由于固態(tài)電解質(zhì)普遍更高的電化學窗口，高鎳高壓正極材料更容易搭載，未來也將持續(xù)沿用新的正極材料體系，負極材料上，多采用硅、金屬鋰等高容量負極，充分發(fā)揮固態(tài)電池的優(yōu)勢。
電極與電解質(zhì)之間存在緩沖層。緩沖層的加入能起到改善電極與電解質(zhì)界面性能的作用。其成分可以為凝膠化合物、Al2O3等。
隔膜仍然存在，電池實現(xiàn)全固態(tài)后消失?，F(xiàn)階段的大部分固態(tài)電池企業(yè)的產(chǎn)品仍需添加少量液態(tài)電解液以緩解電極界面問題、增加電導率，因此隔膜仍然存在與電池中以用來阻隔正負極，避免電池短路。
這種折中的解決方法同時擁有固態(tài)電池的性能優(yōu)勢，在技術難度上也更加易于實現(xiàn)。而隨著技術推進，未來電解液用量會越來越少，當過渡到完全不含液體或液體含量足夠小時，電池將取消隔膜設計，體系已能滿足安全需求。
多采用軟包的封裝技術。除去液態(tài)電解液后，固態(tài)電池的封裝與PACK上比傳統(tǒng)鋰電更靈活、更輕便，因此將采用軟包封裝。
▌階段發(fā)展之路:步步為營，梯次滲透
展望未來發(fā)展趨勢，技術上步步為營，應用上梯次滲透，固態(tài)電池階段發(fā)展之路已經(jīng)明晰。
結構上，現(xiàn)階段電池體系包含部分液態(tài)電解質(zhì)以取長補短。而技術發(fā)展過程中將逐漸減少液體的使用，從半固態(tài)電池到準固態(tài)電池，最終邁向無液體的全固態(tài)電池。
應用領域上，有望率先發(fā)揮安全與柔性優(yōu)勢，應用于對成本敏感度較小的微電池領域，如RFID、植入式醫(yī)療設備、無線傳感器等;技術進步后，再逐漸向高端消費電池滲透;隨著產(chǎn)品的成熟，最終大規(guī)模踏入電動車與儲能市場，從高端品牌往下滲透，實現(xiàn)下游需求的全面爆發(fā)。
固態(tài)電池：后鋰電時代必經(jīng)之路
固態(tài)電池：后鋰電時代必經(jīng)之路
▌固態(tài)電池為新能源車的未來保駕護航
海外龍頭加碼研發(fā)，市場有望超速發(fā)展
大環(huán)境下，未來幾年是國際車企全面進軍新能源汽車的關鍵時期，海外龍頭紛紛把發(fā)展新能源列入既定戰(zhàn)略，其中不乏看好固態(tài)電池前景的龍頭車企。
豐田已投入200多人進行固態(tài)電池開發(fā)，目標在2025年前推出產(chǎn)品，寶馬正與固態(tài)電池公司SolidEnergy合作共同開發(fā)固態(tài)電池，大眾表示看好固態(tài)電池前景，并入股研發(fā)固態(tài)電池的創(chuàng)業(yè)公司QuantumScape。
此外，從今年5月起，日本政府將出資16億日元，聯(lián)合國內(nèi)豐田、本田、日產(chǎn)、松下、GS湯淺、東麗、旭化成、三井化學、三菱化學等大型汽車廠商、電池和材料廠商，共同研發(fā)固態(tài)電池。巨頭們的加碼布局與資本的加速注入，行業(yè)發(fā)展進入快車道。
此外，未來有望通過規(guī)模效應快速降本?；厮輦鹘y(tǒng)鋰電成本曲線，14年時單位成本接近3元/Wh，而隨著產(chǎn)能迅速擴張，目前成本已降至1.2元Wh/kg左右。
固態(tài)電池作為一項顛覆性技術，技術一旦突圍成功，行業(yè)成長曲線料將獲指數(shù)級增長，工業(yè)化大批量生產(chǎn)將使成本問題迎刃而解，傳統(tǒng)鋰電的降本邏輯有望得到復制。
參考SNEresearch的動力電池出貨量預測，若固態(tài)電池能在2022年實現(xiàn)市場化并逐步提升滲透，到2025年固態(tài)電池在動力電池中的市場空間大約能達到60億元左右。
毋庸置疑，鋰電產(chǎn)業(yè)鏈是一個可以看至少10年的行業(yè)，而新技術的開發(fā)與崛起也將不斷強化行業(yè)的估值與前景。在行業(yè)看好與多方布局之下，固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)有望獲得超速發(fā)展。
固態(tài)電池承載著電池安全與能量全面提升的光榮使命，未來有望成為行業(yè)的新爆發(fā)點與關鍵性技術保障，政策在逐漸褪去，市場正回歸理性，當新能源汽車回歸商品屬性時，還有技術在前方保駕護航。報告來源：華創(chuàng)證券（胡毅）百度搜索“樂晴智庫”獲得更多行業(yè)報告。
