本文系基于公開(kāi)資料撰寫(xiě)，僅作為信息交流之用，不構成任何投資建議。
過(guò)去幾年，動(dòng)力電池的技術(shù)突飛猛進(jìn)，但安全隱患和里程焦慮仍然是其難以擺脫的“魔咒”。與此同時(shí)，固態(tài)電池在爭論和質(zhì)疑聲中成為行業(yè)新寵，隨著(zhù)各路巨頭的入場(chǎng)，固態(tài)電池的未來(lái)也漸漸明朗。
今年1月9號，蔚來(lái)(NYSE:NIO)其N(xiāo)IO Day上高調發(fā)布能量密度達360Wh/kg的150kWh固態(tài)電池包，搭載該電池包的蔚來(lái)ET7轎車(chē)續航將超過(guò)1000km，讓人眼前一亮。
蔚來(lái)的熱度還沒(méi)消退，大眾集團在其3月15號的Power Day上，表示未來(lái)將著(zhù)力發(fā)展固態(tài)電池技術(shù)，而大眾直接更簡(jiǎn)單粗暴地扔出目標：預計2025年開(kāi)始使用固態(tài)電池。
在4月份，不甘落后的寶馬集團也給出了固態(tài)電池的規劃：計劃在2025年前推出搭載固態(tài)電池的原型車(chē)，并在2030年前實(shí)現量產(chǎn)。
不單單是車(chē)企，動(dòng)力電池巨頭們也在不約而同的布局固態(tài)電池：寧德時(shí)代投資33億建設21C創(chuàng )新實(shí)驗室，用于金屬鋰電池、全固態(tài)電池等下一代電池研發(fā)；LG化學(xué)表示將在2025年至2027年間實(shí)現全固態(tài)電池商業(yè)化；松下計劃在2025年推出一款使用固態(tài)電池的電動(dòng)車(chē)。
一時(shí)間，固態(tài)電池成了產(chǎn)業(yè)巨頭的隱形戰場(chǎng)。固態(tài)電池為何有這么大的吸引力，當前的發(fā)展進(jìn)度又是如何？
01 固態(tài)電池成為巨頭必爭之高地
【1】何謂固態(tài)電池？
固態(tài)電池聽(tīng)著(zhù)玄乎，用傳統的液態(tài)鋰電池來(lái)理解也就簡(jiǎn)單了，因為它們的工作原理是相同的。傳統的液態(tài)鋰電池也被科學(xué)家們形象地稱(chēng)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)和隔膜，而鋰離子就好比“運動(dòng)員”，運動(dòng)員在搖椅的兩端來(lái)回奔跑，電池的充放電過(guò)程便完成了。
到了固態(tài)電池上，“運動(dòng)員”還是在正負極兩端來(lái)回奔跑，區別在于運動(dòng)場(chǎng)所從液態(tài)電解質(zhì)換成了固態(tài)的電解質(zhì)。另外固態(tài)電解質(zhì)還擔當了分隔正負極的角色，也就是起到了隔膜的作用，所以說(shuō)固態(tài)電池不再需要隔膜。
單從組成結構上看，固態(tài)電池更簡(jiǎn)單。
圖1：固態(tài)電池與液態(tài)鋰離子電池的區別，資料來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
再講固態(tài)電池的分類(lèi)，固態(tài)電池按照其電解質(zhì)的不同分為聚合物、氧化物和硫化物三種路線(xiàn)，這部分將在下文詳細解析。
圖2：固態(tài)電解質(zhì)主要類(lèi)型，資料來(lái)源：天風(fēng)證券
【2】固態(tài)電池VS液態(tài)鋰電池
固態(tài)電池相比液態(tài)電池，優(yōu)勢主要體現在安全性和能量密度。
先說(shuō)關(guān)注度最高的的安全問(wèn)題。如今電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展勢頭強勁，電動(dòng)車(chē)的銷(xiāo)量也屢創(chuàng )新高，但是電池的安全隱患一直是懸在電動(dòng)汽車(chē)頭上的“達摩克利斯之劍”。比如去年威馬汽車(chē)在一個(gè)多月內發(fā)生四次自燃事故，一度引發(fā)了大家對電動(dòng)車(chē)未來(lái)的擔憂(yōu)。
實(shí)際上電動(dòng)車(chē)的安全隱患，要算在液態(tài)鋰電池頭上。一旦電池受到擠壓、沖擊，就會(huì )導致隔膜破裂，造成正負極短路，同時(shí)鋰電池內部產(chǎn)生大量熱量，加上液態(tài)電解質(zhì)里易燃的有機溶劑，結果就是電池起火甚至爆炸。
一直以來(lái)車(chē)企和動(dòng)力電池企業(yè)都在竭盡全力的提升電池安全性能。比如在電解液中添加阻燃劑；優(yōu)化BMS熱管理系統；采用高強度、耐高溫的電池隔膜，可惜治標不治本。
但固態(tài)電池是有望徹底解決安全問(wèn)題的。首先，固態(tài)電池的正負極不容易發(fā)生短路現象。其次，固態(tài)電解質(zhì)不僅不可燃、不揮發(fā)甚至還能耐高溫，電池在遇到同樣極端情況下不會(huì )發(fā)生起火、爆炸。
再來(lái)說(shuō)說(shuō)電池的能量密度，也就是里程焦慮問(wèn)題。雖然主流電動(dòng)車(chē)的續航里程都能達到500km以上，高端車(chē)型甚至超700km。但實(shí)際使用過(guò)程中，這個(gè)續航是要打個(gè)折扣的（即所謂的工況里程），并且，跟燃油車(chē)不同的是，大多數電動(dòng)車(chē)車(chē)主不會(huì )把車(chē)開(kāi)到電量剩余10%的時(shí)候去充電。
解決里程焦慮基本只能靠堆電池的能量密度。根據《節能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線(xiàn)圖》，2025年動(dòng)力電池的能量密度目標為400Wh/kg，2030年目標為500Wh/kg。想達到2030年的目標，現有液態(tài)鋰電池技術(shù)路線(xiàn)恐難擔大任，光是350Wh/kg的能量密度天花板就很難打破，但是固態(tài)電池能量密度能輕松超越350Wh/kg。
圖3：當前液態(tài)鋰電池能夠達到的能量密度水平，資料來(lái)源：第一電動(dòng)，申萬(wàn)宏源
需要提前說(shuō)明的是，電池的能量密度取決于正負極材料。如果單純把液體電解質(zhì)更換為固體電解質(zhì)，如果不改變現有的正負極材料，結果僅能提高電池安全性，無(wú)法提升電池能量密度。所以固態(tài)電池還需配套正負極材料的革新。
講到正極材料，現在的動(dòng)力電池企業(yè)都在往高鎳化發(fā)展。從三元5系到三元8系，鎳含量變高，但是電池活性越強，電池內部自然會(huì )越不穩定，上文提到的安全問(wèn)題就更加突出。雖然目前三元8系的能量密度高，但沒(méi)有大范圍使用，主機廠(chǎng)裝機主流還是使用5系動(dòng)力電池。其中還有成本的因素，這里不展開(kāi)討論。
得益于固態(tài)電池的高安全性，固態(tài)電池的正極不用止步于8系材料，甚至可以干到9系（超高鎳），正極環(huán)節的能量密度可達到700Wh/kg，將會(huì )有質(zhì)的飛躍。
再看負極材料。實(shí)際上，負極材料的升級路線(xiàn)在業(yè)內已經(jīng)有了共識，就是從現在的石墨負極升級到鋰金屬負極。在現有已知的負極材料中，鋰金屬負極能達到的能量密度是最高的，其克容量是目前液態(tài)鋰電池中石墨負極的10倍以上。
問(wèn)題來(lái)了，鋰金屬負極既然這么好，為什么現有的動(dòng)力電池不用它？癥結還是在液態(tài)電解質(zhì)，鋰金屬負極在液態(tài)電解質(zhì)中基本是無(wú)法穩定存在的，兩者會(huì )發(fā)生劇烈反應，可謂“水火不容”。但是在固態(tài)電池中，它們是可以和諧共處的。
一言以蔽之，正是固態(tài)電池讓新型正負極材料有了大展拳腳的空間。
另外值得補充說(shuō)明的是，液態(tài)鋰電池往往需要先將單體電芯封裝完成后先并聯(lián)再串聯(lián)，若想省流程直接串聯(lián)，則會(huì )導致正負極短路。而固態(tài)電池由于內部不含液體，不存在短路的問(wèn)題，可直接串聯(lián)組裝。還有，液態(tài)鋰離子電池是需要冷卻系統來(lái)防止其使用過(guò)程中溫度過(guò)高。對于固態(tài)電池，因為其高安全性，可簡(jiǎn)化甚至不需要冷卻系統。所以，固態(tài)電池的實(shí)際量產(chǎn)過(guò)程中，其成組成本會(huì )更低，整個(gè)生產(chǎn)流程更簡(jiǎn)單。
圖4：液態(tài)鋰離子電池與固態(tài)電池制備工藝對比，資料來(lái)源：光大證券
與其說(shuō)固態(tài)電池是“顛覆”液態(tài)鋰電池，倒不如說(shuō)固態(tài)電池是液態(tài)鋰電池的升級版究極體。
【3】瑕瑜互見(jiàn)，長(cháng)短并存
既然固態(tài)電池這么好，為什么車(chē)企不趕緊“升級”，還是用的傳統液態(tài)鋰電池？究其原因，用固態(tài)電解質(zhì)取代液態(tài)電解質(zhì)，解決了部分問(wèn)題的同時(shí)，也帶來(lái)新的煩惱。在固態(tài)電池正是量產(chǎn)之前，還有幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題亟待攻克。
第一，是固態(tài)電解質(zhì)的離子電導率偏低。所謂離子電導率指的是鋰離子在電解質(zhì)內移動(dòng)的順暢情況。
固態(tài)電池的電導率普遍低于液態(tài)離子電導率，比如聚合物電解質(zhì)，其離子電導率甚至比液態(tài)離子電導率差了多個(gè)數量級。相當于“運動(dòng)員”來(lái)奔跑的阻力變大，速度跟之前比起來(lái)，慢了不少，甚至阻力太大，有點(diǎn)跑不動(dòng)了。
圖5：固態(tài)電解質(zhì)與液態(tài)電解質(zhì)的電導率比較，資料來(lái)源：錦緞研究院整理
第二，固體電解質(zhì)與電極間的界面阻抗較大。
傳統液態(tài)電解質(zhì)與正負極之間是固液接觸，界面潤濕性良好，可以說(shuō)是“嚴絲合縫”，界面之間不會(huì )產(chǎn)生大的阻抗。但是固態(tài)電解質(zhì)和正負極是固固接觸，接觸效果差了一大截，所以鋰離子在界面之間的傳輸阻力更大。這就好比“運動(dòng)員”以前在平坦的跑道上面奔跑，現在換成坑坑洼洼的泥巴路跑，自然無(wú)法發(fā)揮真實(shí)水平。
因為固態(tài)電池的低電導率和高界面阻抗，讓鋰離子在電池內部傳輸效率過(guò)低，影響了電池的快充能力和循環(huán)壽命，同時(shí)也無(wú)法讓電池的容量正常釋放。
圖6：固態(tài)電池與液態(tài)電池的界面接觸效果圖，資料來(lái)源：錦緞研究院整理
很多公司考慮到現有的技術(shù)水平，想一步到位實(shí)現全固態(tài)電池還是比較困難，退而求其次采取從半固態(tài)、準固態(tài)、到全固態(tài)的“三步走”路線(xiàn)。文章開(kāi)篇提到的蔚來(lái)固態(tài)電池，實(shí)際上就是半固態(tài)電池。
圖7：固態(tài)電池“三步走”路線(xiàn)圖，資料來(lái)源：光大證券
第三點(diǎn)，成本高企。
氧化物和硫化物電解質(zhì)，屬于多孔隙的陶瓷材料，材料的特點(diǎn)就是脆，想要加工成很薄的電解質(zhì)就很困難，稍有不慎就斷了。即使能加工，現有的工藝水平和設備能力，成品的良率也好不到哪去。
并且固態(tài)電池離量產(chǎn)還有距離，更不談配套的產(chǎn)業(yè)鏈。傳統液態(tài)鋰電池在過(guò)去的幾年為什么能持續降本，很大一部分原因是產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同。當前，固態(tài)電池的成本還是居高不下。
02 各路玩家入局，量產(chǎn)尚在遠期
固態(tài)電池的技術(shù)瓶頸還沒(méi)突破，產(chǎn)業(yè)化還要面對諸多問(wèn)題，但絲毫不影響各路玩家蜂擁而入的熱情。
對于車(chē)企而言，其出發(fā)點(diǎn)要復雜得多。首先，可以確定的是，電動(dòng)車(chē)是汽車(chē)的未來(lái)，傳統車(chē)企都在迫不及待的轉型。電池是電動(dòng)車(chē)的核心，車(chē)企自然希望掌握在自己手上，車(chē)企已經(jīng)被動(dòng)力電池企業(yè)“卡脖子”已久，怎么甘愿再次受制于人。固態(tài)電池就是奪回主動(dòng)權的大好機會(huì )，這也是為什么大眾、豐田這些燃油車(chē)巨頭布局固態(tài)電池。
對于動(dòng)力電池企業(yè)而言，一方面，固態(tài)電池可以解決其長(cháng)期困擾的安全和能量密度問(wèn)題，誘惑力巨大。毫不夸張的說(shuō)，未來(lái)誰(shuí)先掌握了固態(tài)電池技術(shù)，誰(shuí)就可以指點(diǎn)江山。所以，不僅僅是寧德時(shí)代、LG，像比亞迪、國軒高科等二線(xiàn)電池企業(yè)，都不約而同的布局固態(tài)電池。另一方面，在現有的液態(tài)鋰電池路線(xiàn)下，國內的二線(xiàn)電池企業(yè)一直被寧德時(shí)代打壓。即使有“刀片電池”在手的比亞迪，也難以撼動(dòng)寧德時(shí)代的地位。在固態(tài)電池上，大家有了站在同一起跑線(xiàn)的機會(huì )。
縱觀(guān)全球的參與者，不同企業(yè)“信仰”不同的固態(tài)電解質(zhì)路線(xiàn)：國內企業(yè)以氧化物路線(xiàn)為主，歐美企業(yè)偏好聚合物路線(xiàn)，而日韓企業(yè)則更熱衷于硫化物體系。
圖8：全球固態(tài)電池重點(diǎn)企業(yè)總覽，資料來(lái)源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院
【1】聚合物派系
聚合物電解質(zhì)路線(xiàn)是最早實(shí)現應用的固態(tài)電池路線(xiàn)。
早在2011年法國B(niǎo)ollore公司推出采用聚合物電解質(zhì)的固態(tài)電池，可惜該固態(tài)電池在室溫下離子電導率實(shí)在太低，需要額外給電池配備加熱器，并且能量密度只能做到100Wh/kg，基本上不具備商業(yè)價(jià)值。
由于聚合物電解質(zhì)的低電導率問(wèn)題一直難以解決，主流的固態(tài)電池企業(yè)仍然以氧化物電解質(zhì)和硫化物電解質(zhì)路線(xiàn)為主。
【2】氧化物派系
氧化物派系的綜合性能是三種固態(tài)電解質(zhì)路線(xiàn)中最好的，比較有代表性的是江蘇清陶、臺灣輝能和國外的QuantumScape公司。
江蘇清陶屬于典型的初創(chuàng )企業(yè)，成立于2016年。相比動(dòng)力電池企業(yè)，沒(méi)有技術(shù)包袱，進(jìn)展倒也順利。清陶已在2018年11月建成全國首條可量產(chǎn)固態(tài)鋰電池產(chǎn)線(xiàn)，并正式應用于特種電源、高端數碼等領(lǐng)域。去年，搭載清陶固態(tài)動(dòng)力鋰電池的新能源樣車(chē)在北汽成功下線(xiàn)試行，同時(shí)清陶的一期1GWh固態(tài)動(dòng)力電池項目已正式投產(chǎn)。
相比清陶，臺灣輝能對固態(tài)電池的未來(lái)規劃更加明確。2013年，輝能實(shí)現了固態(tài)鋰電池在消費鋰電的商業(yè)化量產(chǎn)。2019年，輝能與蔚來(lái)合作，為其定制生產(chǎn)“MAB”固態(tài)電池包（半固態(tài)）。根據其規劃，2021年半固態(tài)鋰離子電池達到1GWh的產(chǎn)能，2024年達到全固態(tài)電池量產(chǎn)。
外圍選手贛鋒鋰電，雖然是鋰材料企業(yè)，卻也在固態(tài)電池上面做了不少布局。根據2020年報披露的信息，贛鋒鋰電已投資建成了第一代和第二代固態(tài)鋰電池研發(fā)中試生產(chǎn)線(xiàn)，不過(guò)都還是屬于混合固液電解質(zhì)階段，能量密度還無(wú)法超過(guò)300Wh/kg。贛鋒鋰電已在布局第三代基于金屬鋰負極的固態(tài)鋰電池，未來(lái)能量密度將超過(guò)400Wh/kg。
最后講到QuantumScape，這家被大眾集團重點(diǎn)投資的企業(yè)，去年11月通過(guò)SPAC方式上市，是業(yè)內唯一一家以固態(tài)電池為主業(yè)的上市公司。
根據其官網(wǎng)公布的信息，QuantumScape已經(jīng)在技術(shù)上突破固態(tài)電池離子電導率過(guò)低的瓶頸，快充速度甚至超過(guò)傳統液態(tài)鋰電池，快充15分鐘實(shí)現充電80%，同時(shí)在能量密度、循環(huán)壽命、安全性方面，都顯著(zhù)優(yōu)于現有的液態(tài)鋰電池。
不過(guò)其展示的僅僅是單體疊片的測試結果，并非是裝到汽車(chē)上的效果。說(shuō)到底，這還是實(shí)驗室的產(chǎn)物，離量產(chǎn)還是有差距的。根據QuantumScape在招股書(shū)中說(shuō)明，公司將于2024年建立1GWh試生產(chǎn)線(xiàn)，并通過(guò)在大眾汽車(chē)上搭載測試，以此來(lái)實(shí)現其固態(tài)電池的商業(yè)化量產(chǎn)。
圖9：QuantumScape公司的固態(tài)電池快充性能，資料來(lái)源：QuantumScape官網(wǎng)
【3】硫化物派系
硫化物電解質(zhì)其實(shí)是由氧化物電解質(zhì)衍生出來(lái)的，考慮到氧化物電解質(zhì)的電導率較低，科學(xué)家們就把氧化物電解質(zhì)中的氧元素用硫元素取代。因為硫元素的電負性比氧元素要小，對鋰離子的束縛要小，有利于得到更多自由移動(dòng)的鋰離子。簡(jiǎn)單說(shuō)就是硫化物電解質(zhì)有更高的離子電導率，可以達到接近液態(tài)鋰電池體系下的水準。
但是硫化物電解質(zhì)解決了離子電導率問(wèn)題，同時(shí)也帶了另外的難點(diǎn)，由于硫化物電解質(zhì)對空氣敏感，極容易發(fā)生不良反應，所以硫化物電解質(zhì)的生產(chǎn)對環(huán)境要求苛刻，對設備可是一大考驗，結果就是生產(chǎn)成本奇高。
硫化物路線(xiàn)中進(jìn)度最快的要算日本的豐田。
目前，豐田在固態(tài)電池領(lǐng)域擁有超過(guò)1000項專(zhuān)利，位居全球第一。去年7月份，豐田汽車(chē)電池業(yè)務(wù)總經(jīng)理曾透露，豐田已經(jīng)按計劃成功制造了固態(tài)電池，并且已經(jīng)安裝到了概念車(chē)上，預計2025年正式量產(chǎn)。
最后值得講下國內的寧德時(shí)代。早在2016年，寧德時(shí)代就宣布在硫化物固態(tài)電池上的研發(fā)路徑。但是關(guān)于其固態(tài)電池的信息一直處于保密狀態(tài)，公開(kāi)信息相當少，直到今年1月份，方才主動(dòng)公開(kāi)“一種固態(tài)電解質(zhì)的制備方法”和“一種硫化物固態(tài)電解質(zhì)片及其制備方法”兩種固態(tài)電池相關(guān)專(zhuān)利，從專(zhuān)利摘要顯示，上述專(zhuān)利旨在提高固態(tài)電解質(zhì)的電導率和降低固固界面的阻抗，也就是前文中提到的固態(tài)電池短板問(wèn)題。
寧德時(shí)代一直未透露固態(tài)電池的量產(chǎn)時(shí)間。過(guò)去的一年，寧德時(shí)代在動(dòng)力電池產(chǎn)能上瘋狂加碼，已公布的長(cháng)期規劃總產(chǎn)能接近500GWh，部分產(chǎn)能已經(jīng)排到2025年之后。從這點(diǎn)推測，寧德的固態(tài)電池同樣在短期內不是量產(chǎn)的重點(diǎn)。
圖10：寧德時(shí)代關(guān)于固態(tài)電池的公開(kāi)專(zhuān)利，資料來(lái)源：企查查
03 未完待續的結尾
不可否認，動(dòng)力電池的技術(shù)日新月異，對電動(dòng)車(chē)的發(fā)展可謂功不可沒(méi)。伴隨著(zhù)新能源汽車(chē)的滲透率不斷提升，市場(chǎng)對于動(dòng)力電池的要求越來(lái)越高，有著(zhù)明顯短板的傳統液態(tài)鋰電池已經(jīng)很難適應未來(lái)的節奏。
作為業(yè)內公認的下一代電池路線(xiàn)，固態(tài)電池可以完美解決傳統液態(tài)鋰電池的缺點(diǎn)，國內外的企業(yè)都對其寄予厚望，紛紛加快固態(tài)電池的研發(fā)速度，希望搶占市場(chǎng)先機。
如今固態(tài)電池已經(jīng)有了不少實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，但是技術(shù)和成本仍舊是擋住固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化道路的兩座大山，這不是短期內能跨越的，參照主流固態(tài)電池企業(yè)的規劃，量產(chǎn)時(shí)間普遍在2025年之后，固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化估計是10年之后的事情。
回顧歷史，10年其實(shí)其實(shí)也是一個(gè)并不長(cháng)的維度。10年前中國的純電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量還不足1萬(wàn)輛，到了2020年，中國純電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量已超過(guò)100萬(wàn)輛。如今在行業(yè)看好與各路企業(yè)布局之下，固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程有望獲得超預期發(fā)展，在靜待固態(tài)電池的同時(shí)，我們也懷揣著(zhù)信心。
對于下場(chǎng)的玩家來(lái)說(shuō)，不得不直面的問(wèn)題是：固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化將會(huì )重塑現有的鋰電池供應鏈，像隔膜和液態(tài)電解質(zhì)企業(yè)，如果不能及時(shí)轉型升級，將面臨被“顛覆”的結局。
寫(xiě)在最后，技術(shù)的發(fā)展從來(lái)都是百花齊放。未來(lái)的電動(dòng)化之路，除了固態(tài)電池，同時(shí)還有氫燃料電池這條路線(xiàn)。雖然現階段同樣存在不少產(chǎn)業(yè)化的難點(diǎn)，仍然可見(jiàn)其未來(lái)在重卡和航空等領(lǐng)域的廣闊發(fā)展空間。關(guān)于氫燃料電池的研究，錦緞研究院會(huì )在后續的文章中再做探討。
