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產業巨頭的隱形戰場？固態電池軍備競賽悄然開局

2021-07-02 08:18:45 創事記作者：錦緞

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　　原標題：固態電池軍備競賽悄然開局　　

　　文/知勇

　　來源：錦緞（ID：jinduan006）

　　過去幾年，動力電池的技術突飛猛進，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，固態電池在爭論和質疑聲中成為行業新寵，隨著各路巨頭的入場，固態電池的未來也漸漸明朗。

　　今年1月9號，蔚來（NYSE：NIO）其NIO Day上高調發布能量密度達360Wh/kg的150kWh固態電池包，搭載該電池包的蔚來ET7轎車續航將超過1000km，讓人眼前一亮。

　　蔚來的熱度還沒消退，大眾集團在其3月15號的Power Day上，表示未來將著力發展固態電池技術，而大眾直接更簡單粗暴地扔出目標：預計2025年開始使用固態電池。

　　在4月份，不甘落后的寶馬集團也給出了固態電池的規劃：計劃在2025年前推出搭載固態電池的原型車，并在2030年前實現量產。

　　不單單是車企，動力電池巨頭們也在不約而同的布局固態電池：寧德時代投資33億建設21C創新實驗室，用于金屬鋰電池、全固態電池等下一代電池研發；LG化學表示將在2025年至2027年間實現全固態電池商業化；松下計劃在2025年推出一款使用固態電池的電動車。

　　一時間，固態電池成了產業巨頭的隱形戰場。固態電池為何有這么大的吸引力，當前的發展進度又是如何？

　　固態電池成為巨頭必爭之高地

　　[1]何謂固態電池？

　　固態電池聽著玄乎，用傳統的液態鋰電池來理解也就簡單了，因為它們的工作原理是相同的。傳統的液態鋰電池也被科學家們形象地稱為“搖椅式電池”。搖椅的兩端為電池的正負兩極，中間為液態電解質和隔膜，而鋰離子就好比“運動員”，運動員在搖椅的兩端來回奔跑，電池的充放電過程便完成了。

　　到了固態電池上，“運動員”還是在正負極兩端來回奔跑，區別在于運動場所從液態電解質換成了固態的電解質。另外固態電解質還擔當了分隔正負極的角色，也就是起到了隔膜的作用，所以說固態電池不再需要隔膜。

　　單從組成結構上看，固態電池更簡單。

圖1：固態電池與液態鋰離子電池的區別，資料來源：網絡

　　再講固態電池的分類，固態電池按照其電解質的不同分為聚合物、氧化物和硫化物三種路線，這部分將在下文詳細解析。

圖2：固態電解質主要類型，資料來源：天風證券

　　[2]固態電池VS液態鋰電池

　　固態電池相比液態電池，優勢主要體現在安全性和能量密度。

　　先說關注度最高的的安全問題。如今電動汽車的發展勢頭強勁，電動車的銷量也屢創新高，但是電池的安全隱患一直是懸在電動汽車頭上的“達摩克利斯之劍”。比如去年威馬汽車在一個多月內發生四次自燃事故，一度引發了大家對電動車未來的擔憂。

　　實際上電動車的安全隱患，要算在液態鋰電池頭上。一旦電池受到擠壓、沖擊，就會導致隔膜破裂，造成正負極短路，同時鋰電池內部產生大量熱量，加上液態電解質里易燃的有機溶劑，結果就是電池起火甚至爆炸。

　　一直以來車企和動力電池企業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。

　　但固態電池是有望徹底解決安全問題的。首先，固態電池的正負極不容易發生短路現象。其次，固態電解質不僅不可燃、不揮發甚至還能耐高溫，電池在遇到同樣極端情況下不會發生起火、爆炸。

　　再來說說電池的能量密度，也就是里程焦慮問題。雖然主流電動車的續航里程都能達到500km以上，高端車型甚至超700km。但實際使用過程中，這個續航是要打個折扣的（即所謂的工況里程），并且，跟燃油車不同的是，大多數電動車車主不會把車開到電量剩余10%的時候去充電。

　　解決里程焦慮基本只能靠堆電池的能量密度。根據《節能與新能源汽車技術路線圖》，2025年動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，現有液態鋰電池技術路線恐難擔大任，光是350Wh/kg的能量密度天花板就很難打破，但是固態電池能量密度能輕松超越350Wh/kg。

圖3：當前液態鋰電池能夠達到的能量密度水平，資料來源：第一電動，申萬宏源

　　需要提前說明的是，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更換為固體電解質，如果不改變現有的正負極材料，結果僅能提高電池安全性，無法提升電池能量密度。所以固態電池還需配套正負極材料的革新。

　　講到正極材料，現在的動力電池企業都在往高鎳化發展。從三元5系到三元8系，鎳含量變高，但是電池活性越強，電池內部自然會越不穩定，上文提到的安全問題就更加突出。雖然目前三元8系的能量密度高，但沒有大范圍使用，主機廠裝機主流還是使用5系動力電池。其中還有成本的因素，這里不展開討論。

　　得益于固態電池的高安全性，固態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），正極環節的能量密度可達到700Wh/kg，將會有質的飛躍。

　　再看負極材料。實際上，負極材料的升級路線在業內已經有了共識，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鋰電池中石墨負極的10倍以上。

　　問題來了，鋰金屬負極既然這么好，為什么現有的動力電池不用它？癥結還是在液態電解質，鋰金屬負極在液態電解質中基本是無法穩定存在的，兩者會發生劇烈反應，可謂“水火不容”。但是在固態電池中，它們是可以和諧共處的。

　　一言以蔽之，正是固態電池讓新型正負極材料有了大展拳腳的空間。

　　另外值得補充說明的是，液態鋰電池往往需要先將單體電芯封裝完成后先并聯再串聯，若想省流程直接串聯，則會導致正負極短路。而固態電池由于內部不含液體，不存在短路的問題，可直接串聯組裝。還有，液態鋰離子電池是需要冷卻系統來防止其使用過程中溫度過高。對于固態電池，因為其高安全性，可簡化甚至不需要冷卻系統。所以，固態電池的實際量產過程中，其成組成本會更低，整個生產流程更簡單。

圖4：液態鋰離子電池與固態電池制備工藝對比，資料來源：光大證券

　　與其說固態電池是“顛覆”液態鋰電池，倒不如說固態電池是液態鋰電池的升級版究極體。

　　[3]瑕瑜互見，長短并存

　　既然固態電池這么好，為什么車企不趕緊“升級”，還是用的傳統液態鋰電池？究其原因，用固態電解質取代液態電解質，解決了部分問題的同時，也帶來新的煩惱。在固態電池正是量產之前，還有幾個關鍵問題亟待攻克。

　　第一，是固態電解質的離子電導率偏低。所謂離子電導率指的是鋰離子在電解質內移動的順暢情況。

　　固態電池的電導率普遍低于液態離子電導率，比如聚合物電解質，其離子電導率甚至比液態離子電導率差了多個數量級。相當于“運動員”來奔跑的阻力變大，速度跟之前比起來，慢了不少，甚至阻力太大，有點跑不動了。

圖5：固態電解質與液態電解質的電導率比較，資料來源：錦緞研究院整理

　　第二，固體電解質與電極間的界面阻抗較大。

　　傳統液態電解質與正負極之間是固液接觸，界面潤濕性良好，可以說是“嚴絲合縫”，界面之間不會產生大的阻抗。但是固態電解質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，自然無法發揮真實水平。

　　因為固態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低，影響了電池的快充能力和循環壽命，同時也無法讓電池的容量正常釋放。

圖6：固態電池與液態電池的界面接觸效果圖，資料來源：錦緞研究院整理

　　很多公司考慮到現有的技術水平，想一步到位實現全固態電池還是比較困難，退而求其次采取從半固態、準固態、到全固態的“三步走”路線。文章開篇提到的蔚來固態電池，實際上就是半固態電池。

圖7：固態電池“三步走”路線圖，資料來源：光大證券

　　第三點，成本高企。

　　氧化物和硫化物電解質，屬于多孔隙的陶瓷材料，材料的特點就是脆，想要加工成很薄的電解質就很困難，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。

　　并且固態電池離量產還有距離，更不談配套的產業鏈。傳統液態鋰電池在過去的幾年為什么能持續降本，很大一部分原因是產業鏈的協同。當前，固態電池的成本還是居高不下。

　　各路玩家入局，量產尚在遠期

　　固態電池的技術瓶頸還沒突破，產業化還要面對諸多問題，但絲毫不影響各路玩家蜂擁而入的熱情。

　　對于車企而言，其出發點要復雜得多。首先，可以確定的是，電動車是汽車的未來，傳統車企都在迫不及待的轉型。電池是電動車的核心，車企自然希望掌握在自己手上，車企已經被動力電池企業“卡脖子”已久，怎么甘愿再次受制于人。固態電池就是奪回主動權的大好機會，這也是為什么大眾、豐田這些燃油車巨頭布局固態電池。

　　對于動力電池企業而言，一方面，固態電池可以解決其長期困擾的安全和能量密度問題，誘惑力巨大。毫不夸張的說，未來誰先掌握了固態電池技術，誰就可以指點江山。所以，不僅僅是寧德時代、LG，像比亞迪、國軒高科等二線電池企業，都不約而同的布局固態電池。另一方面，在現有的液態鋰電池路線下，國內的二線電池企業一直被寧德時代打壓。即使有“刀片電池”在手的比亞迪，也難以撼動寧德時代的地位。在固態電池上，大家有了站在同一起跑線的機會。

　　縱觀全球的參與者，不同企業“信仰”不同的固態電解質路線：國內企業以氧化物路線為主，歐美企業偏好聚合物路線，而日韓企業則更熱衷于硫化物體系。

圖8：全球固態電池重點企業總覽，資料來源：前瞻產業研究院

　　[1]聚合物派系

　　聚合物電解質路線是最早實現應用的固態電池路線。

　　早在2011年法國Bollore公司推出采用聚合物電解質的固態電池，可惜該固態電池在室溫下離子電導率實在太低，需要額外給電池配備加熱器，并且能量密度只能做到100Wh/kg，基本上不具備商業價值。

　　由于聚合物電解質的低電導率問題一直難以解決，主流的固態電池企業仍然以氧化物電解質和硫化物電解質路線為主。

　　[2]氧化物派系

　　氧化物派系的綜合性能是三種固態電解質路線中最好的，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企業，成立于2016年。相比動力電池企業，沒有技術包袱，進展倒也順利。清陶已在2018年11月建成全國首條可量產固態鋰電池產線，并正式應用于特種電源、高端數碼等領域。去年，搭載清陶固態動力鋰電池的新能源樣車在北汽成功下線試行，同時清陶的一期1GWh固態動力電池項目已正式投產。

　　相比清陶，臺灣輝能對固態電池的未來規劃更加明確。2013年，輝能實現了固態鋰電池在消費鋰電的商業化量產。2019年，輝能與蔚來合作，為其定制生產“MAB”固態電池包（半固態）。根據其規劃，2021年半固態鋰離子電池達到1GWh的產能，2024年達到全固態電池量產。

　　外圍選手贛鋒鋰電，雖然是鋰材料企業，卻也在固態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鋰電池研發中試生產線，不過都還是屬于混合固液電解質階段，能量密度還無法超過300Wh/kg。贛鋒鋰電已在布局第三代基于金屬鋰負極的固態鋰電池，未來能量密度將超過400Wh/kg。

　　最后講到QuantumScape，這家被大眾集團重點投資的企業，去年11月通過SPAC方式上市，是業內唯一一家以固態電池為主業的上市公司。

　　根據其官網公布的信息，QuantumScape已經在技術上突破固態電池離子電導率過低的瓶頸，快充速度甚至超過傳統液態鋰電池，快充15分鐘實現充電80%，同時在能量密度、循環壽命、安全性方面，都顯著優于現有的液態鋰電池。

　　不過其展示的僅僅是單體疊片的測試結果，并非是裝到汽車上的效果。說到底，這還是實驗室的產物，離量產還是有差距的。根據QuantumScape在招股書中說明，公司將于2024年建立1GWh試生產線，并通過在大眾汽車上搭載測試，以此來實現其固態電池的商業化量產。

圖9：QuantumScape公司的固態電池快充性能，資料來源：QuantumScape官網

　　[3]硫化物派系

　　硫化物電解質其實是由氧化物電解質衍生出來的，考慮到氧化物電解質的電導率較低，科學家們就把氧化物電解質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的鋰離子。簡單說就是硫化物電解質有更高的離子電導率，可以達到接近液態鋰電池體系下的水準。

　　但是硫化物電解質解決了離子電導率問題，同時也帶了另外的難點，由于硫化物電解質對空氣敏感，極容易發生不良反應，所以硫化物電解質的生產對環境要求苛刻，對設備可是一大考驗，結果就是生產成本奇高。

　　硫化物路線中進度最快的要算日本的豐田。

　　目前，豐田在固態電池領域擁有超過1000項專利，位居全球第一。去年7月份，豐田汽車電池業務總經理曾透露，豐田已經按計劃成功制造了固態電池，并且已經安裝到了概念車上，預計2025年正式量產。

　　最后值得講下國內的寧德時代。早在2016年，寧德時代就宣布在硫化物固態電池上的研發路徑。但是關于其固態電池的信息一直處于保密狀態，公開信息相當少，直到今年1月份，方才主動公開“一種固態電解質的制備方法”和“一種硫化物固態電解質片及其制備方法”兩種固態電池相關專利，從專利摘要顯示，上述專利旨在提高固態電解質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電池短板問題。

　　寧德時代一直未透露固態電池的量產時間。過去的一年，寧德時代在動力電池產能上瘋狂加碼，已公布的長期規劃總產能接近500GWh，部分產能已經排到2025年之后。從這點推測，寧德的固態電池同樣在短期內不是量產的重點。