隨著全球電動車?yán)顺毕黻P(guān)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(jìn)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(shù)的代表，固態(tài)電池引發(fā)市場高度關(guān)注。

▌傳統(tǒng)液態(tài)鋰電不會是動力電池的術(shù)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(yīng)新能車產(chǎn)品的性價比，而能量密度是動力電池的關(guān)鍵指標(biāo)。

我國電動車市場正經(jīng)歷由“政策驅(qū)動”向“政策助跑”的轉(zhuǎn)換，政策對于鋰電產(chǎn)業(yè)能量密度提升的導(dǎo)向已經(jīng)明確，補貼直接與能量密度掛鉤并不斷提高門檻。

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(dá)到400Wh/kg、500Wh/kg。”指標(biāo)分別對應(yīng)當(dāng)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(shù)的迭代路徑進(jìn)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(zhuǎn)向三元，并逐漸向高鎳三元發(fā)展。負(fù)極材料當(dāng)前產(chǎn)業(yè)化仍集中于石墨材料，未來也在向硅碳負(fù)極進(jìn)行過渡。

據(jù)推算，當(dāng)前采用的高電壓層狀過渡金屬氧化物和石墨作為正負(fù)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(fù)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(guān)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(dǎo)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(dǎo)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(fēng)口在哪?回望電動車電池技術(shù)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(shù)的矛盾將越來越凸顯，在下一代鋰電技術(shù)中，固態(tài)電池獲得了最高的關(guān)注度，已引發(fā)全球范圍的企業(yè)進(jìn)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(fù)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(fù)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(dāng)于鋰離子遷移的場所轉(zhuǎn)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(fù)極阻隔，避免正負(fù)極接觸產(chǎn)生短路的同時能充當(dāng)隔膜的功能。

兼容高容量正負(fù)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(xué)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(xué)窗口更寬，可達(dá)到5V，更加適應(yīng)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(fù)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(fù)極之后的“最終負(fù)極”。為了實現(xiàn)更高的能量密度目標(biāo)，以金屬鋰為負(fù)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(xué)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(yīng)能量密度更高的鋰硫和鋰空電池，理論能量密度接近當(dāng)前電池的10倍。

鋰金屬負(fù)極在當(dāng)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(jì)60年代，并在20世紀(jì)70年代已成功開發(fā)應(yīng)用于一次電池。

而在可充放電池領(lǐng)域，金屬鋰負(fù)極在液態(tài)電池中存在一系列技術(shù)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(yīng)多、SEI膜分布不均勻且不穩(wěn)定導(dǎo)致循環(huán)壽命差，金屬鋰的不均勻沉積和溶解導(dǎo)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(fù)極應(yīng)用問題上被科學(xué)界寄予厚望。研究者把解決金屬鋰負(fù)極的應(yīng)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(yīng)，同時利用固體電解質(zhì)的力學(xué)與電學(xué)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(fù)極材料隔離開，不會產(chǎn)生鋰枝晶刺破隔膜的短路效應(yīng)。總而言之，固態(tài)電解質(zhì)對于鋰金屬負(fù)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(yīng)用。

減輕系統(tǒng)重量，能量密度進(jìn)一步提升

固態(tài)電池系統(tǒng)重量減少進(jìn)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(jìn)行串聯(lián)組裝。若先在單體內(nèi)部進(jìn)行串聯(lián)，則會導(dǎo)致正負(fù)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(shè)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(shè)計進(jìn)一步為電池系統(tǒng)“減負(fù)”。

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(shù)

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(jié)構(gòu)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(fù)極可繼續(xù)沿用當(dāng)前體系，實現(xiàn)難度相對小。

鋰金屬負(fù)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(fù)極，而鋰金屬負(fù)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(shù)已成為科學(xué)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(yuǎn)

高阻抗、低倍率的核心難題

當(dāng)前固態(tài)電解質(zhì)體相離子電導(dǎo)率遠(yuǎn)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(dǎo)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(fù)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(dǎo)通，決定鋰離子運輸順暢情況的指標(biāo)被稱為離子電導(dǎo)率，低的離子電導(dǎo)率意味著電解質(zhì)差的導(dǎo)鋰能力，使鋰離子不能順利在電池正負(fù)極之間運動。

聚合物體系的室溫電導(dǎo)率約10-7-10-5S/cm，氧化物體系室溫下電導(dǎo)率為10-6-10-3S/cm，硫化物體系電導(dǎo)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(dǎo)率為10-2S/cm左右，比任意固態(tài)電解質(zhì)類型的離子電導(dǎo)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(fù)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(fù)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(dǎo)率與高界面阻抗導(dǎo)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(shù)路線產(chǎn)業(yè)化進(jìn)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(shù)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(fù)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)模化生產(chǎn)，而非薄膜類型的綜合性能較好，是當(dāng)前研發(fā)的重點方向;硫化物體系是最具希望應(yīng)用于電動車領(lǐng)域的固態(tài)電池體系，但處于發(fā)展空間巨大與技術(shù)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(jìn)程仍處于早期。唯一實現(xiàn)動力電池領(lǐng)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(chǔ)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(dǎo)體列為重點課題，此外，北京大學(xué)、中國電子科技集團天津18所等院所也立項進(jìn)行了固態(tài)鋰電電解質(zhì)的研究，并在此領(lǐng)域取得了不錯的進(jìn)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(fù)合電極。結(jié)構(gòu)上，固態(tài)電池正負(fù)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(fù)極一般會與固態(tài)電解質(zhì)混合。

例如在正負(fù)極顆粒間熱壓或填充固態(tài)電解質(zhì)，或者在電極側(cè)引入液體，形成固-液復(fù)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(xué)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(fù)極材料上，多采用硅、金屬鋰等高容量負(fù)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。現(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(dǎo)率，因此隔膜仍然存在與電池中以用來阻隔正負(fù)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(shù)難度上也更加易于實現(xiàn)。而隨著技術(shù)推進(jìn)，未來電解液用量會越來越少，當(dāng)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(shè)計，體系已能滿足安全需求。

多采用軟包的封裝技術(shù)。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(shù)上步步為營，應(yīng)用上梯次滲透，固態(tài)電池階段發(fā)展之路已經(jīng)明晰。

結(jié)構(gòu)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(shù)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(zhǔn)固態(tài)電池，最終邁向無液體的全固態(tài)電池。

應(yīng)用領(lǐng)域上，有望率先發(fā)揮安全與柔性優(yōu)勢，應(yīng)用于對成本敏感度較小的微電池領(lǐng)域，如RFID、植入式醫(yī)療設(shè)備、無線傳感器等;技術(shù)進(jìn)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(jìn)軍新能源汽車的關(guān)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(jìn)行固態(tài)電池開發(fā)，目標(biāo)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(xué)、三菱化學(xué)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(jìn)入快車道。

此外，未來有望通過規(guī)模效應(yīng)快速降本。回溯傳統(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(shù)，技術(shù)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(fù)制。

參考SNEresearch的動力電池出貨量預(yù)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(dá)到60億元左右。

毋庸置疑，鋰電產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)且粋€可以看至少10年的行業(yè)，而新技術(shù)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(guān)鍵性技術(shù)保障，政策在逐漸褪去，市場正回歸理性，當(dāng)新能源汽車回歸商品屬性時，還有技術(shù)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。