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固态电池军备竞赛悄然开局

晰数塔互联网快讯
2021-07-02 11:52

本文来自微信公众号：锦缎（ID：jinduan006），作者：知勇，头图来自pixabay

过去几年，动力电池的技术突飞猛进，但安全隐患和里程焦虑仍然是其难以摆脱的“魔咒”。与此同时，固态电池在争论和质疑声中成为行业新宠，随着各路巨头的入场，固态电池的未来也渐渐明朗。

今年1月9号，蔚来(NYSE:NIO)在NIO Day上高调发布能量密度达360Wh/kg的150kWh固态电池包，搭载该电池包的蔚来ET7轿车续航将超过1000km，让人眼前一亮。

蔚来的热度还没消退，大众集团在其3月15号的Power Day上，表示未来将着力发展固态电池技术，而大众直接更简单粗暴地扔出目标：预计2025年开始使用固态电池。

在4月份，不甘落后的宝马集团也给出了固态电池的规划：计划在2025年前推出搭载固态电池的原型车，并在2030年前实现量产。

不单单是车企，动力电池巨头们也在不约而同的布局固态电池：宁德时代投资33亿建设21C创新实验室，用于金属锂电池、全固态电池等下一代电池研发；LG化学表示将在2025年至2027年间实现全固态电池商业化；松下计划在2025年推出一款使用固态电池的电动车。

一时间，固态电池成了产业巨头的隐形战场。固态电池为何有这么大的吸引力，当前的发展进度又是如何？

一、固态电池成为巨头必争之高地

01 何谓固态电池？

固态电池听着玄乎，用传统的液态锂电池来理解也就简单了，因为它们的工作原理是相同的。传统的液态锂电池也被科学家们形象地称为“摇椅式电池”。摇椅的两端为电池的正负两极，中间为液态电解质和隔膜，而锂离子就好比“运动员”，运动员在摇椅的两端来回奔跑，电池的充放电过程便完成了。

到了固态电池上，“运动员”还是在正负极两端来回奔跑，区别在于运动场所从液态电解质换成了固态的电解质。另外固态电解质还担当了分隔正负极的角色，也就是起到了隔膜的作用，所以说固态电池不再需要隔膜。

单从组成结构上看，固态电池更简单。

图1：固态电池与液态锂离子电池的区别，资料来源：网络

再讲固态电池的分类，固态电池按照其电解质的不同分为聚合物、氧化物和硫化物三种路线，这部分将在下文详细解析。

图2：固态电解质主要类型，资料来源：天风证券

02 固态电池VS液态锂电池

固态电池相比液态电池，优势主要体现在安全性和能量密度。

先说关注度最高的的安全问题。如今电动汽车的发展势头强劲，电动车的销量也屡创新高，但是电池的安全隐患一直是悬在电动汽车头上的“达摩克利斯之剑”。比如去年威马汽车在一个多月内发生四次自燃事故，一度引发了大家对电动车未来的担忧。

实际上电动车的安全隐患，要算在液态锂电池头上。一旦电池受到挤压、冲击，就会导致隔膜破裂，造成正负极短路，同时锂电池内部产生大量热量，加上液态电解质里易燃的有机溶剂，结果就是电池起火甚至爆炸。

一直以来车企和动力电池企业都在竭尽全力的提升电池安全性能。比如在电解液中添加阻燃剂；优化BMS热管理系统；采用高强度、耐高温的电池隔膜，可惜治标不治本。

但固态电池是有望彻底解决安全问题的。首先，固态电池的正负极不容易发生短路现象。其次，固态电解质不仅不可燃、不挥发甚至还能耐高温，电池在遇到同样极端情况下不会发生起火、爆炸。

再来说说电池的能量密度，也就是里程焦虑问题。虽然主流电动车的续航里程都能达到500km以上，高端车型甚至超700km。但实际使用过程中，这个续航是要打个折扣的（即所谓的工况里程），并且，跟燃油车不同的是，大多数电动车车主不会把车开到电量剩余10%的时候去充电。

解决里程焦虑基本只能靠堆电池的能量密度。根据《节能与新能源汽车技术路线图》，2025年动力电池的能量密度目标为400Wh/kg，2030年目标为500Wh/kg。想达到2030年的目标，现有液态锂电池技术路线恐难担大任，光是350Wh/kg的能量密度天花板就很难打破，但是固态电池能量密度能轻松超越350Wh/kg。

图3：当前液态锂电池能够达到的能量密度水平，资料来源：第一电动，申万宏源

需要提前说明的是，电池的能量密度取决于正负极材料。如果单纯把液体电解质更换为固体电解质，如果不改变现有的正负极材料，结果仅能提高电池安全性，无法提升电池能量密度。所以固态电池还需配套正负极材料的革新。

讲到正极材料，现在的动力电池企业都在往高镍化发展。从三元5系到三元8系，镍含量变高，但是电池活性越强，电池内部自然会越不稳定，上文提到的安全问题就更加突出。虽然目前三元8系的能量密度高，但没有大范围使用，主机厂装机主流还是使用5系动力电池。其中还有成本的因素，这里不展开讨论。

得益于固态电池的高安全性，固态电池的正极不用止步于8系材料，甚至可以干到9系（超高镍），正极环节的能量密度可达到700Wh/kg，将会有质的飞跃。

再看负极材料。实际上，负极材料的升级路线在业内已经有了共识，就是从现在的石墨负极升级到锂金属负极。在现有已知的负极材料中，锂金属负极能达到的能量密度是最高的，其克容量是目前液态锂电池中石墨负极的10倍以上。

问题来了，锂金属负极既然这么好，为什么现有的动力电池不用它？症结还是在液态电解质，锂金属负极在液态电解质中基本是无法稳定存在的，两者会发生剧烈反应，可谓“水火不容”。但是在固态电池中，它们是可以和谐共处的。

一言以蔽之，正是固态电池让新型正负极材料有了大展拳脚的空间。

另外值得补充说明的是，液态锂电池往往需要先将单体电芯封装完成后先并联再串联，若想省流程直接串联，则会导致正负极短路。而固态电池由于内部不含液体，不存在短路的问题，可直接串联组装。还有，液态锂离子电池是需要冷却系统来防止其使用过程中温度过高。对于固态电池，因为其高安全性，可简化甚至不需要冷却系统。所以，固态电池的实际量产过程中，其成组成本会更低，整个生产流程更简单。

图4：液态锂离子电池与固态电池制备工艺对比，资料来源：光大证券

与其说固态电池是“颠覆”液态锂电池，倒不如说固态电池是液态锂电池的升级版究极体。

03 瑕瑜互见，长短并存

既然固态电池这么好，为什么车企不赶紧“升级”，还是用的传统液态锂电池？究其原因，用固态电解质取代液态电解质，解决了部分问题的同时，也带来新的烦恼。在固态电池正式量产之前，还有几个关键问题亟待攻克。

第一，是固态电解质的离子电导率偏低。所谓离子电导率指的是锂离子在电解质内移动的顺畅情况。

固态电池的电导率普遍低于液态离子电导率，比如聚合物电解质，其离子电导率甚至比液态离子电导率差了多个数量级。相当于“运动员”来奔跑的阻力变大，速度跟之前比起来，慢了不少，甚至阻力太大，有点跑不动了。

图5：固态电解质与液态电解质的电导率比较，资料来源：锦缎研究院整理

第二，固体电解质与电极间的界面阻抗较大。

传统液态电解质与正负极之间是固液接触，界面润湿性良好，可以说是“严丝合缝”，界面之间不会产生大的阻抗。但是固态电解质和正负极是固固接触，接触效果差了一大截，所以锂离子在界面之间的传输阻力更大。这就好比“运动员”以前在平坦的跑道上面奔跑，现在换成坑坑洼洼的泥巴路跑，自然无法发挥真实水平。

因为固态电池的低电导率和高界面阻抗，让锂离子在电池内部传输效率过低，影响了电池的快充能力和循环寿命，同时也无法让电池的容量正常释放。

图6：固态电池与液态电池的界面接触效果图，资料来源：锦缎研究院整理

很多公司考虑到现有的技术水平，想一步到位实现全固态电池还是比较困难，退而求其次采取从半固态、准固态、到全固态的“三步走”路线。文章开篇提到的蔚来固态电池，实际上就是半固态电池。

图7：固态电池“三步走”路线图，资料来源：光大证券

第三点，成本高企。

氧化物和硫化物电解质，属于多孔隙的陶瓷材料，材料的特点就是脆，想要加工成很薄的电解质就很困难，稍有不慎就断了。即使能加工，现有的工艺水平和设备能力，成品的良率也好不到哪去。

并且固态电池离量产还有距离，更不谈配套的产业链。传统液态锂电池在过去的几年为什么能持续降本，很大一部分原因是产业链的协同。当前，固态电池的成本还是居高不下。

二、各路玩家入局，量产尚在远期

固态电池的技术瓶颈还没突破，产业化还要面对诸多问题，但丝毫不影响各路玩家蜂拥而入的热情。

对于车企而言，其出发点要复杂得多。首先，可以确定的是，电动车是汽车的未来，传统车企都在迫不及待的转型。电池是电动车的核心，车企自然希望掌握在自己手上，车企已经被动力电池企业“卡脖子”已久，怎么甘愿再次受制于人。固态电池就是夺回主动权的大好机会，这也是为什么大众、丰田这些燃油车巨头布局固态电池。

对于动力电池企业而言，一方面，固态电池可以解决其长期困扰的安全和能量密度问题，诱惑力巨大。毫不夸张的说，未来谁先掌握了固态电池技术，谁就可以指点江山。所以，不仅仅是宁德时代、LG，像比亚迪、国轩高科等二线电池企业，都不约而同的布局固态电池。另一方面，在现有的液态锂电池路线下，国内的二线电池企业一直被宁德时代打压。即使有“刀片电池”在手的比亚迪，也难以撼动宁德时代的地位。在固态电池上，大家有了站在同一起跑线的机会。

纵观全球的参与者，不同企业“信仰”不同的固态电解质路线：国内企业以氧化物路线为主，欧美企业偏好聚合物路线，而日韩企业则更热衷于硫化物体系。

图8：全球固态电池重点企业总览，资料来源：前瞻产业研究院

01 聚合物派系

聚合物电解质路线是最早实现应用的固态电池路线。

早在2011年法国Bollore公司推出采用聚合物电解质的固态电池，可惜该固态电池在室温下离子电导率实在太低，需要额外给电池配备加热器，并且能量密度只能做到100Wh/kg，基本上不具备商业价值。

由于聚合物电解质的低电导率问题一直难以解决，主流的固态电池企业仍然以氧化物电解质和硫化物电解质路线为主。

02 氧化物派系

氧化物派系的综合性能是三种固态电解质路线中最好的，比较有代表性的是江苏清陶、台湾辉能和国外的QuantumScape公司。

江苏清陶属于典型的初创企业，成立于2016年。相比动力电池企业，没有技术包袱，进展倒也顺利。清陶已在2018年11月建成全国首条可量产固态锂电池产线，并正式应用于特种电源、高端数码等领域。去年，搭载清陶固态动力锂电池的新能源样车在北汽成功下线试行，同时清陶的一期1GWh固态动力电池项目已正式投产。

相比清陶，台湾辉能对固态电池的未来规划更加明确。2013年，辉能实现了固态锂电池在消费锂电的商业化量产。2019年，辉能与蔚来合作，为其定制生产“MAB”固态电池包（半固态）。根据其规划，2021年半固态锂离子电池达到1GWh的产能，2024年达到全固态电池量产。

外围选手赣锋锂电，虽然是锂材料企业，却也在固态电池上面做了不少布局。根据2020年报披露的信息，赣锋锂电已投资建成了第一代和第二代固态锂电池研发中试生产线，不过都还是属于混合固液电解质阶段，能量密度还无法超过300Wh/kg。赣锋锂电已在布局第三代基于金属锂负极的固态锂电池，未来能量密度将超过400Wh/kg。

最后讲到QuantumScape，这家被大众集团重点投资的企业，去年11月通过SPAC方式上市，是业内唯一一家以固态电池为主业的上市公司。

根据其官网公布的信息，QuantumScape已经在技术上突破固态电池离子电导率过低的瓶颈，快充速度甚至超过传统液态锂电池，快充15分钟实现充电80%，同时在能量密度、循环寿命、安全性方面，都显著优于现有的液态锂电池。

不过其展示的仅仅是单体叠片的测试结果，并非是装到汽车上的效果。说到底，这还是实验室的产物，离量产还是有差距的。根据QuantumScape在招股书中说明，公司将于2024年建立1GWh试生产线，并通过在大众汽车上搭载测试，以此来实现其固态电池的商业化量产。

图9：QuantumScape公司的固态电池快充性能，资料来源：QuantumScape官网

03 硫化物派系

硫化物电解质其实是由氧化物电解质衍生出来的，考虑到氧化物电解质的电导率较低，科学家们就把氧化物电解质中的氧元素用硫元素取代。因为硫元素的电负性比氧元素要小，对锂离子的束缚要小，有利于得到更多自由移动的锂离子。简单说就是硫化物电解质有更高的离子电导率，可以达到接近液态锂电池体系下的水准。

但是硫化物电解质解决了离子电导率问题，同时也带了另外的难点，由于硫化物电解质对空气敏感，极容易发生不良反应，所以硫化物电解质的生产对环境要求苛刻，对设备可是一大考验，结果就是生产成本奇高。

硫化物路线中进度最快的要算日本的丰田。

目前，丰田在固态电池领域拥有超过1000项专利，位居全球第一。去年7月份，丰田汽车电池业务总经理曾透露，丰田已经按计划成功制造了固态电池，并且已经安装到了概念车上，预计2025年正式量产。

最后值得讲下国内的宁德时代。早在2016年，宁德时代就宣布在硫化物固态电池上的研发路径。但是关于其固态电池的信息一直处于保密状态，公开信息相当少，直到今年1月份，方才主动公开“一种固态电解质的制备方法”和“一种硫化物固态电解质片及其制备方法”两种固态电池相关专利，从专利摘要显示，上述专利旨在提高固态电解质的电导率和降低固固界面的阻抗，也就是前文中提到的固态电池短板问题。

宁德时代一直未透露固态电池的量产时间。过去的一年，宁德时代在动力电池产能上疯狂加码，已公布的长期规划总产能接近500GWh，部分产能已经排到2025年之后。从这点推测，宁德的固态电池同样在短期内不是量产的重点。