固態(tài)電池：解決「里程焦慮」的未來答案？

　　固態(tài)電池的商業(yè)化一定比想象得要快很多。

　　如果我們將新能源汽車看作是一場(chǎng)動(dòng)力變革，那么固態(tài)電池的出現(xiàn)，在其中至少是里程碑級(jí)的事件。

　　無論資本市場(chǎng)如何理解、看待當(dāng)下的新能源汽車，回歸本質(zhì)，它仍舊是一種交通工具。作為工具，在當(dāng)下的新能源汽車產(chǎn)品之間，消費(fèi)者最關(guān)注的無疑是續(xù)航里程之間的比較，即動(dòng)力電池之間的比較。

　　從鋰電池技術(shù)的發(fā)展路徑來看，液態(tài)鋰電池能夠?qū)崿F(xiàn)的能量密度已經(jīng)逐漸接近了它的極限，而固態(tài)電池將把鋰電池發(fā)展帶進(jìn)新的時(shí)代。

　　從工作原理的角度，固態(tài)鋰電池與傳統(tǒng)鋰電池之間并無區(qū)別。

　　兩者之間的差異在于，隨著正極材料的持續(xù)升級(jí)，固態(tài)電解質(zhì)能夠做出較好的適配，整個(gè)電池系統(tǒng)的能量密度與安全性就會(huì)更高；在理論上，兩者的成本處在同一水平，意味著一旦商業(yè)化應(yīng)用落地，固態(tài)電池將完全取代液態(tài)電池現(xiàn)有的市場(chǎng)。

　　動(dòng)力電池的現(xiàn)存問題

　　2019年，國家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局總共召回了33281輛新能源汽車，其中因?yàn)閯?dòng)力電池問題而召回的新能源汽車數(shù)量有6217輛，占今年新能源汽車總召回量的18.68%。

　　在電池失控的主要觸發(fā)條件當(dāng)中，短路占絕大多數(shù) （>；90%）。短路可以由多種可能的情況造成，是電池?zé)崾Э剡^程中普遍的共性特征。隨著電池能量密度的提升，短路問題越發(fā)明顯。

　　目前關(guān)于電池安全性主要有兩種可選模式：第一種，雖然電池可能出現(xiàn)安全問題，但是通過增加安全性設(shè)計(jì)，降低出問題的概率，達(dá)到安全性標(biāo)準(zhǔn)。第二種，選用不會(huì)起火燃燒的電池。

　　第一種方案本質(zhì)上都是在通過降低風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到“安全考慮”，如今新能源汽車保有量已經(jīng)突破400萬輛，未來幾年突破千萬輛是大概率事件，迫切需要的是從本質(zhì)上解決安全問題的電池。電池出現(xiàn)問題的小概率事件，也可能在大基數(shù)下變得常態(tài)化。

　　在這種背景下，整車廠對(duì)于安全性的要求會(huì)越來越高，選擇不會(huì)起火燃燒電池可能成為車廠的一致選擇。

　　為什么會(huì)產(chǎn)生里程焦慮？

　　里程焦慮，含義有兩層：既是對(duì)電池續(xù)航能力的焦慮，也是對(duì)找不到充電樁的焦慮。

　　特斯拉曾經(jīng)做過這樣一段實(shí)驗(yàn)：從鹽湖城到丹佛的距離是525英里（845公里），傳統(tǒng)燃油車?yán)m(xù)航275英里（442.5公里）加一次油再行駛250英里（402公里）歷程8小時(shí)23分鐘可以到丹佛。如果新能源汽車的續(xù)航里程可以達(dá)到300英里（482.8公里），同時(shí)支持3C以上快充，那么從鹽湖城到丹佛的時(shí)間可以控制在8小時(shí)31分鐘，也就是說，便利性和燃油車幾乎一樣。高續(xù)航里程和快充是解決新能源汽車便利性的最重要方式。

　　電池續(xù)航，其實(shí)就是從電池能量密度的角度來看問題。在我們的調(diào)研中，贛鋒鋰業(yè)(行情002460,診股)表示第三代固態(tài)電池可以將電芯能量密度提升到400WH/KG。

　　來源：GGIB，元?dú)赓Y本

　　固態(tài)電解質(zhì)同樣支持快充。

　　鋰離子電池充電分三部分，電量最低時(shí)的涓流充電 （0.1C最慢），電量中等時(shí)的恒流充電（可以快充），和電量快滿時(shí)的恒壓充電 （較慢）。恒流充電階段實(shí)現(xiàn)快充相對(duì)簡單，固態(tài)電池在恒流充電中做到快充并不困難。根據(jù)輝能此前提供的數(shù)據(jù)來看，2019年已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了5C倍率12分鐘充電91.70%的表現(xiàn)。

　　也就是說關(guān)于“里程焦慮”的第一層（電池+快充），理論上已經(jīng)有了不錯(cuò)的解決方案，固態(tài)電池可以匹配消費(fèi)者對(duì)于續(xù)航里程的需求。

　　那么，在下游車企逐漸放量的同時(shí)，作為基建工程的充電樁有沒有跟上？這個(gè)問題對(duì)于不同地域不同城市的用戶來講，答案可能差異很大。但就綜合全球的公共充電樁建設(shè)數(shù)量來看，我國實(shí)際已經(jīng)站在了全球隊(duì)伍的首位。

　　來源：IEA，元?dú)赓Y本

　　截至6月底，全國已累計(jì)建設(shè)充電站3.8萬座、換電站449座，建成各類充電樁132.2萬個(gè)，其中公共樁55.8萬個(gè)、私人樁76.4萬個(gè)。同時(shí)，還建成“十縱十橫兩環(huán)”4.9萬公里高速公路快充網(wǎng)絡(luò)。

　　因此可以判斷，“里程焦慮”的問題隨著時(shí)間的推移能夠逐步得到解決，問題就是固態(tài)電池的商用化。

　　商用化成本是關(guān)鍵

　　根據(jù)巨量引擎的數(shù)據(jù)，2019年28.7%的消費(fèi)者希望新能源汽車的價(jià)格在12萬以下，23.1%的人希望價(jià)格在18-25萬。而目前的新能源汽車售價(jià)普遍已經(jīng)降至了25萬左右，如果要達(dá)到千萬輛級(jí)別的保有量，意味著同級(jí)別的新能源汽車價(jià)格還需要繼續(xù)下探。

　　對(duì)整車制造的要求就是選擇應(yīng)用固態(tài)電池不能大幅增加汽車成本。

　　這一點(diǎn)不是不可以實(shí)現(xiàn)的。氧化物電解質(zhì)（鋰鑭鋯氧）本身的原材料價(jià)格較低，再加上固態(tài)電池加工中沒有注液等工藝，如果加工成本低于4.4美元/千瓦時(shí)，那么電芯成本低于傳統(tǒng)電池的設(shè)想就可以實(shí)現(xiàn)。

　　所以固態(tài)電池產(chǎn)線投資也會(huì)低于傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池，按照10年折舊計(jì)算，固態(tài)電池每千瓦時(shí)折舊較傳統(tǒng)鋰電池少0.1美元。

　　根據(jù)輝能的測(cè)算，按照目前的技術(shù)，在固態(tài)電池產(chǎn)能超過20Gwh時(shí)，固態(tài)電池在PACK時(shí)的成本將低于傳統(tǒng)電池。同時(shí)，各大廠的專業(yè)團(tuán)隊(duì)還在進(jìn)一步尋找降低成本的技術(shù)和工藝。

　　來源：元?dú)赓Y本調(diào)研廠家，包括贛鋒鋰業(yè)、輝能科技、寧德時(shí)代(行情300750,診股)等，這里的固態(tài)電池特指氧化物

　　值得一提的是，固態(tài)電池不是一個(gè)“新”概念。固態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池的理論研究可以追溯到1972年在Belgirate（意大利）召開的“固體中的快速離子輸運(yùn)”會(huì)議上，Steele討論了合適的固態(tài)電解質(zhì)的基本標(biāo)準(zhǔn)，并指出了過渡金屬二硫化物作為電池正極材料的潛力。同年，Armand 將Li/TiS2 應(yīng)用于以固態(tài)β-氧化鋁為電解質(zhì)的三元石墨正極中的Na+擴(kuò)散，這是關(guān)于固態(tài)電池的第一份報(bào)道。

　　目前，全球范圍內(nèi)約有50多家制造企業(yè)、初創(chuàng)公司和高校科研院所致力于固態(tài)電池技術(shù)，固態(tài)電池尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化。全球預(yù)計(jì)2020年準(zhǔn)固態(tài)鋰電池會(huì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，到2025年全固態(tài)鋰電池將最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

　　有意思的是，關(guān)于固態(tài)電池技術(shù)的探索方向，各地區(qū)顯現(xiàn)出不同的偏好：歐美企業(yè)偏好聚合物體系，而日韓企業(yè)則更多致力于解決硫化物體系，中國企業(yè)則更多專注氧化物體系。

　　歐美車企對(duì)固態(tài)電池初創(chuàng)企業(yè)關(guān)注度較高。車企通過收購、投資在固態(tài)電池領(lǐng)域中美國高校衍生的初創(chuàng)企業(yè)如Solid Power、SolidEnergySystems、Ionic Materials 、Quantum Scape 等獲得技術(shù)儲(chǔ)備。

　　歐美固態(tài)電池布局現(xiàn)狀（來源：元?dú)赓Y本）

　　日本車企在固態(tài)電池上的研發(fā)起點(diǎn)相對(duì)較早，最早入局的豐田在2008年就與固態(tài)電池創(chuàng)企伊利卡（Ilika）展開了合作，2019年初，宣布與松下合作。三菱、日產(chǎn)、松下等大部分企業(yè)紛紛加速布局固態(tài)電池行業(yè)，爭取早日實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

　　其中，車廠與松下聯(lián)合的硫化物電池是最有看頭的。目前，這款固態(tài)電池正在豐田與松下合資的公司進(jìn)行研發(fā)，預(yù)計(jì)2025年量產(chǎn)。在充電速度方面，據(jù)豐田內(nèi)部人士透露，固態(tài)電池原型產(chǎn)品在充電速度上相較于現(xiàn)有鋰電池具有明顯優(yōu)勢(shì)，電量從0到100%僅需15分鐘。

　　在電池壽命方面，豐田汽車計(jì)劃其生產(chǎn)的固態(tài)電池在使用30年后仍保持90%以上的性能。如果該技術(shù)能盡快實(shí)現(xiàn)，那么循環(huán)性能將超越近期特斯拉、寧德時(shí)代、通用等宣傳的百萬公里電池。

　　在能量密度方面，根據(jù)豐田的規(guī)劃，計(jì)劃到2025年將固態(tài)電池能量密度提升到現(xiàn)有鋰電池能量密度的2倍以上，預(yù)計(jì)可達(dá)到450Wh/kg。屆時(shí)，搭載固態(tài)電池的電動(dòng)汽車，續(xù)航里程將大幅提升，可與目前燃油車相媲美。

　　不過，盡管已推出固態(tài)電池原型產(chǎn)品，但真正市場(chǎng)化應(yīng)用，豐田認(rèn)為也要到2025年前后。一方面是因?yàn)榧夹g(shù)還需要不斷完善，另一方面是成本還比較高。

　　在固態(tài)電池研究方面，國內(nèi)企業(yè)不及日本、德國、美國等起步早的國家，但越來越多的企業(yè)已經(jīng)參與其中。參與主體包括中科院化學(xué)所、中科院青島能源所、中科院寧波材料所等研究機(jī)構(gòu)，也包括贛鋒鋰業(yè)、寧德時(shí)代等鋰電產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)；更有其他領(lǐng)域企業(yè)看好固體電池跨界投資，如以汽車零部件為主的萬向集團(tuán)、新能源汽車比亞迪(行情002594,診股)等。

　　中國固態(tài)電池技術(shù)方面布局（來源：元?dú)赓Y本）

　　固態(tài)電池三種路線，孰優(yōu)孰劣？

　　在聚合物電解質(zhì)技術(shù)上，全球主要以法國Bolloré集團(tuán)和美國Solid Energy為代表。法國Bollore作為聚合物固態(tài)電解質(zhì)領(lǐng)域領(lǐng)軍企業(yè)，早在2011年10月，公司就開始利用自主開發(fā)的電動(dòng)汽車“Bluecar”和電動(dòng)巴士“Bluebus”在法國巴黎及其郊外提供汽車共享服務(wù)“Autolib”，幾年來已累計(jì)投入了3000輛搭載30kWh的由BatScap制造的固態(tài)電池，是全球首個(gè)固態(tài)電池電動(dòng)車商業(yè)化的公司。

　　憑借在電容器薄膜領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)者地位，法國Bolloré集團(tuán)將蓄電作為發(fā)展的重中之重。開發(fā)了一種獨(dú)特的創(chuàng)新技術(shù)，其形式為Lithuim金屬聚合物（LMP®）電池，該電池由其子公司Blue Solutions生產(chǎn)。Blue Solutions在法國和加拿大建有兩家工廠進(jìn)行Blue storage金屬鋰聚合物（LMP）電池的生產(chǎn)，公司的固態(tài)電池產(chǎn)品中不含鈷、鎳和溶劑，并且能被回收利用，有望實(shí)現(xiàn)比離子電池更環(huán)保、更具社會(huì)責(zé)任感的電池解決方案。

　　在氧化物電解質(zhì)技術(shù)上，代表企業(yè)有兩家，分別是贛鋒鋰業(yè)與輝能科技。我國臺(tái)灣輝能科技作為布局在氧化物電解質(zhì)技術(shù)上的領(lǐng)軍企業(yè)。公司自2006年起花費(fèi)十年開發(fā)三項(xiàng)技術(shù)：Ceramion® 、Microcell® 與Logithium®，并率先在2012年發(fā)布第一代固態(tài)氧化物的基礎(chǔ)電解質(zhì)技術(shù)平臺(tái)，創(chuàng)造出柔性具基本導(dǎo)電性的電解質(zhì)。

　　核心產(chǎn)品及技術(shù)為LCB固態(tài)鋰陶瓷電池，產(chǎn)品不論在外觀、或在技術(shù)上都打破以往鋰電池技術(shù)，大膽采用軟性電路板和固態(tài)電解質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了鋰電池超薄化（0.38mm）、撓曲化、及安全化的可能，不再有漏液、起火或爆炸的危險(xiǎn)，也增加了各領(lǐng)域新產(chǎn)品應(yīng)用的設(shè)計(jì)彈性。

　　值得注意的是，輝能科技的固態(tài)鋰陶瓷電池是全球首創(chuàng)“固態(tài)陶瓷電解質(zhì)”的鋰電池。其有別于一般傳統(tǒng)高分子鋰電池的液態(tài)電解液、和正負(fù)極中的PE/ PP 聚合物隔離層技術(shù)，輝能直接改用抗壓的固態(tài)陶瓷電解質(zhì)取代隔離層和電解液。產(chǎn)品沒有漏液的問題，沒有可燃物質(zhì)，正負(fù)極也因?yàn)楣虘B(tài)電解質(zhì)是不可被壓縮的，所以不會(huì)接觸而短路。因此，固態(tài)鋰陶瓷電池LCB極度安全，即使遭受到外力撞擊、死折、刺穿、或5小時(shí)250°C的烘烤，LCB都不會(huì)起火或爆炸。

　　贛鋒鋰業(yè)作為全球最大的金屬鋰生產(chǎn)商，2017年引入中科院團(tuán)隊(duì)開始布局固態(tài)電池。目前，贛鋒鋰業(yè)集團(tuán)在固態(tài)電池氧化物電解質(zhì)技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了LISCON 氧化物粉體和Garnet 氧化物粉體研制，具備年產(chǎn)100噸的量產(chǎn)能力，并實(shí)現(xiàn)了電解質(zhì)膜的量產(chǎn)。目前公司已涵蓋從混合固液電解質(zhì)動(dòng)力鋰電池到全固態(tài)鋰電池的研究開發(fā)、中試及規(guī)模制造能力。

　　贛鋒鋰業(yè)的鋰電池生產(chǎn)基地主要集中在江西新余地區(qū)，其中位于江西新余地區(qū)的浙江峰鋰第一代固態(tài)鋰電池正在籌建當(dāng)中。東莞贛鋒擁有3000萬只╱年全自動(dòng)聚合物鋰電池生產(chǎn)線，贛鋒電池6億瓦時(shí)高容量鋰離子動(dòng)力電池項(xiàng)目也順利生產(chǎn)。

　　在硫化物電解質(zhì)技術(shù)上，全球主要以日本豐田集團(tuán)為代表。2010年，豐田就推出了硫化物固態(tài)電池，公司集中在對(duì)硫化物體系固態(tài)電解質(zhì)進(jìn)行研究，以提高電池的能量密度、電導(dǎo)率、循環(huán)壽命、安全性能等性能。目前，我國電池巨頭寧德時(shí)代也以硫化物電解質(zhì)為主要研發(fā)方向。

　　豐田進(jìn)入固態(tài)電池領(lǐng)域極早。從2004年開始，豐田就已經(jīng)進(jìn)行了全固態(tài)電池的研發(fā)，并積累了第一手固態(tài)電池技術(shù)。2019年5月，豐田展出其正處于試制階段的全固態(tài)電池樣品。2020 年日本豐田計(jì)劃推出搭載硫化物固態(tài)電池的新能源汽車，并于2022年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

　　在我們的調(diào)研對(duì)象當(dāng)中，從目前技術(shù)進(jìn)展來看，寧德時(shí)代距離商業(yè)化的距離較遠(yuǎn)，由于選擇了硫化物固態(tài)電池的研發(fā)路徑，其性能參數(shù)尤其是循環(huán)性能明顯落后于贛鋒和輝能兩家的氧化物固態(tài)電池。

　　來源：專利說明書，元?dú)赓Y本

　　固態(tài)電池的潛在需求

　　固態(tài)電池的需求主要來自于動(dòng)力電池、消費(fèi)電池以及儲(chǔ)能電池三個(gè)領(lǐng)域，我國固態(tài)電池的出貨量與這三個(gè)領(lǐng)域的鋰電池需求量及固態(tài)電池在這三個(gè)領(lǐng)域的滲透率息息相關(guān)。

　　我們認(rèn)為，基于固態(tài)電池的安全與柔性優(yōu)勢(shì)，率先可能應(yīng)用的會(huì)是成本敏感度較小的微電池領(lǐng)域，例如植入式醫(yī)療設(shè)備、無線傳感器等。技術(shù)成熟以后，才逐漸向高端消費(fèi)電池滲透。

　　從市場(chǎng)來看，雖然傳統(tǒng)的電子消費(fèi)品，如手機(jī)、電腦以及數(shù)碼相機(jī)整體呈現(xiàn)放緩的趨勢(shì)，但是智能可穿戴設(shè)備的高速增長將驅(qū)動(dòng)固態(tài)電池的需求規(guī)模。

　　來源：中國信通院、國家統(tǒng)計(jì)局、元?dú)赓Y本

　　技術(shù)無法一蹴而就，在向固態(tài)電池過渡的過程中不僅僅是下游終端的產(chǎn)品得以發(fā)展，一些舊材料被替代，一些新材料也將被應(yīng)用，行業(yè)格局或發(fā)生改變。伴隨政策的鼓勵(lì)推動(dòng)下，可以預(yù)見的是，固態(tài)電池商用化的腳步一定比我們想象的快上很多。