固態(tài)鋰電池具有兩方面潛在優(yōu)勢。一、安全性高。采用有機(jī)電解液的傳統(tǒng)鋰離子電池,在過度充電、內(nèi)部短路等異常情況下容易導(dǎo)致電解液發(fā)熱,有自燃甚至爆炸的危險。而全固態(tài)鋰電池基于固態(tài)材料不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液問題;二、能量密度高。固態(tài)電解質(zhì)無需隔膜與電解液,可以節(jié)約近40%的體積和25%的質(zhì)量。如果配套新的正負(fù)極材料(鋰金屬負(fù)極)可以使得電化學(xué)窗口達(dá)到5V以上,有望將能量密度提高至500Wh/Kg。

 

當(dāng)前新能源汽車行業(yè)主管部門對動力電池性能提出了非常高的要求。根據(jù)《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》和《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》的指引,動力電池系統(tǒng)能量密度需要在2025-2030年達(dá)到350Wh/Kg(對應(yīng)單體能量密度500Wh/Kg)以滿足普通電動汽車的續(xù)航里程要求。因此,固態(tài)電池也被廣泛認(rèn)為是下一代動力電池技術(shù)。

 

過去十年內(nèi)固態(tài)電池領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)量增長超過10倍,固態(tài)電池正逐漸受到業(yè)界重視。尤其是整車企業(yè),開始通過內(nèi)部研發(fā)、投資入股初創(chuàng)企業(yè)或合作研發(fā)等多種形式加快布局整合。其中處于固態(tài)電池研發(fā)前沿的主要有兩家代表企業(yè)——汽車巨頭豐田和初創(chuàng)企業(yè)Solid Energy。這兩家公司的固態(tài)電池產(chǎn)品能量密度已經(jīng)顯著優(yōu)于當(dāng)前的鋰離子電池,并已經(jīng)有相關(guān)產(chǎn)品或明確的量產(chǎn)計劃。豐田在固態(tài)電池領(lǐng)域擁有大量專利(252件,占比13%,全球第一),同時計劃在2030年前向電池領(lǐng)域投入研發(fā)資金130億美元。目前豐田基于硫化物電解質(zhì)、石墨類負(fù)極的鋰離子電池路線推進(jìn)固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化,實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品能量密度達(dá)到400Wh/Kg,預(yù)計2022年推出搭載全固態(tài)電池的電動車型,2025年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

 

SolidEnergy由麻省理工學(xué)院的技術(shù)人員創(chuàng)辦,目前獲得了通用汽車、上汽、淡馬錫等機(jī)構(gòu)的投資。與豐田不同,Solid Energy目前基于半固態(tài)電解質(zhì)和鋰金屬負(fù)極組合的路線,其產(chǎn)品為鋰金屬電池而非鋰離子電池。采用鋰金屬負(fù)極理論上可以實(shí)現(xiàn)更高的能量密度,但如果組合液態(tài)電解質(zhì)容易導(dǎo)致鋰枝晶刺穿隔膜導(dǎo)致短路引發(fā)安全問題,組合全固態(tài)電解質(zhì)則不易實(shí)現(xiàn)較高的離子導(dǎo)電率。Solid Energy采用折中的半固態(tài)電解質(zhì)路線,2017年從航空航天領(lǐng)域入手推出容量為3Ah的Hermes™電池,質(zhì)量和體積能量密度分別達(dá)到450Wh/Kg和1200Wh/L,目前以每月5000個電池的速度量產(chǎn),并且通過了第三方的檢測。其面向電動汽車領(lǐng)域的Apollo™電池預(yù)計將于2020年推出。

 

中國在固態(tài)電池領(lǐng)域的研發(fā)目前與韓國、美國同處于第二梯隊(日本為第一梯隊),而且主要以中科院和高校等科研機(jī)構(gòu)為主。國內(nèi)目前有三個團(tuán)隊在固態(tài)電池領(lǐng)域研發(fā)較為領(lǐng)先。中科院青島能源所儲能院崔光磊團(tuán)隊目前已研制出全海深高能量密度高安全固態(tài)鋰電池動力系統(tǒng),能量密度達(dá)300Wh/Kg,并且應(yīng)用于在馬里亞納海溝完成1萬米的深海高壓環(huán)境。中科院寧波材料所許曉雄團(tuán)隊已經(jīng)開發(fā)出能量密度達(dá)到260Wh/Kg的10Ah固態(tài)單體電池,目前與贛鋒鋰業(yè)合作推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化。中科院物理所李泓團(tuán)隊開發(fā)出能量密度達(dá)310-390Wh/Kg的10Ah軟包電芯,目前正與衛(wèi)藍(lán)新能源合作建設(shè)中試線。

 

不過也并非所有車企都在發(fā)力固態(tài)電池。作為電動汽車先驅(qū),特斯拉目前還沒有在固態(tài)電池方面擁有一件專利,特斯拉在電池領(lǐng)域擁有的244件專利主要集中在電池系統(tǒng)、電池包和充電領(lǐng)域,而在材料方面專利較少。特斯拉選擇的技術(shù)路線是以NCA為正極材料、硅碳負(fù)極、電解液為組合,通過大規(guī)模量產(chǎn)來把成本降低至$100/KWh,未來通過改良正極材料(如富鋰錳基等)進(jìn)一步達(dá)到350-400Wh/Kg的能量密度。對于固態(tài)電池技術(shù),特斯拉CEO馬斯克認(rèn)為“有一定前景”,但是距離技術(shù)成熟還需要時間,目前也不足以“改變特斯拉的戰(zhàn)略”。

 

綜合來看,固態(tài)電池具備成為下一代動力電池技術(shù)的潛力,但是目前還沒有成熟的產(chǎn)品能夠在能量密度、安全性和循環(huán)壽命三方面同時顯著優(yōu)于當(dāng)前的鋰離子電池。根據(jù)豐田等前沿企業(yè)的研發(fā)情況和計劃,我們預(yù)計固態(tài)電池技術(shù)真正成熟可能需要等到2025年前后,真正具備量產(chǎn)能力可能需要等到2030年前后。

 

風(fēng)險提示:政策推動不及預(yù)期等

 

目錄

 

1 固態(tài)電池:下一代動力電池技術(shù)

 

1.1 固態(tài)電池的特點(diǎn)

 

1.2 固態(tài)電池能夠滿足2030年新能源汽車技術(shù)政策目標(biāo)

 

2 固態(tài)電池領(lǐng)域研發(fā)現(xiàn)狀

 

2.1 固態(tài)電池領(lǐng)域?qū)＠闆r

 

2.2 國外企業(yè)布局情況

 

2.2.1 整車與零部件企業(yè)

 

2.2.2 電池初創(chuàng)企業(yè)

 

2.3 國內(nèi)固態(tài)電池進(jìn)展

 

正文

 

1 固態(tài)電池:下一代動力電池技術(shù)

 

1.1 固態(tài)電池的特點(diǎn)

 

固態(tài)鋰電池指電池電解質(zhì)部分采用固態(tài)材料的鋰二次電池。固態(tài)電池與傳統(tǒng)鋰離子電池不同在于固態(tài)電池以固態(tài)電解質(zhì)替代了傳統(tǒng)鋰離子電池的電解液、電解質(zhì)鹽、隔膜。

 

安全性、能量密度和循環(huán)壽命是對動力電池的三大要求。由于固態(tài)電池在這三方面均具備優(yōu)于傳統(tǒng)鋰離子電池的潛力,因此也被視為下一代電池技術(shù)。

 

固態(tài)電池優(yōu)點(diǎn)一:安全性高,無自燃、爆炸風(fēng)險。采用有機(jī)電解液的傳統(tǒng)鋰離子電池,在過度充電、內(nèi)部短路等異常情況下容易導(dǎo)致電解液發(fā)熱,有自燃甚至爆炸的危險。全固態(tài)鋰電池基于固態(tài)材料不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液問題,且有望克服鋰枝晶現(xiàn)象。半固態(tài)、準(zhǔn)固態(tài)電池仍存在一定的可燃風(fēng)險,但安全性也較液態(tài)電解液電池提高。

 

固態(tài)電池優(yōu)點(diǎn)二:能量密度高,有望徹底解決電動汽車?yán)锍探箲]。目前技術(shù)體系下鋰離子電池已經(jīng)接近性能極限,特斯拉NCA 18650電芯能量密度達(dá)到250Wh/Kg,應(yīng)用于Model 3的21700電芯能量密度約300Wh/Kg,支持的續(xù)航里程約400至500公里,仍無法徹底解決里程焦慮。而對于固態(tài)電池而言,一方面固態(tài)電解質(zhì)無需隔膜與電解液,這兩部分在傳統(tǒng)鋰離子電池中加起來占據(jù)近40%的體積和25%的質(zhì)量,另一方面由于沒有漏液、腐蝕等問題,可以簡化電池外殼及冷卻系統(tǒng)模塊,進(jìn)一步減輕電池系統(tǒng)重量。此外,配套新的正負(fù)極材料可以使得電化學(xué)窗口達(dá)到5V以上,可以從根本上提高能量密度,有望達(dá)到500Wh/Kg,同等電池容量的情況下有望將續(xù)航里程提高到600至700公里。

 

此外,固態(tài)電池還具有循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬、可快速充電等優(yōu)點(diǎn)。

 

按照電解質(zhì)材料的不同,固態(tài)電池可以分為聚合物、氧化物和硫化物三大體系。其中聚合物電解質(zhì)屬于有機(jī)電解質(zhì),氧化物和硫化物屬于無機(jī)陶瓷電解質(zhì)?？傮w來說,聚合物電解質(zhì)技術(shù)最成熟,已經(jīng)率先實(shí)現(xiàn)小規(guī)模量產(chǎn),但是理論能量密度不及其他兩類電解質(zhì);氧化物電解質(zhì)性能優(yōu)于聚合物電解質(zhì),但薄膜型氧化物電池容量較小、只能應(yīng)用于消費(fèi)類電子領(lǐng)域,非薄膜型氧化物電池技術(shù)相對還不夠成熟;硫化物電解質(zhì)理論上最適合于電動汽車領(lǐng)域,但是開發(fā)難度最大。

 

按照正負(fù)極材料的不同,固態(tài)電池還可以進(jìn)一步分為固態(tài)鋰離子電池(沿用當(dāng)前鋰離子電池材料體系,如石墨+硅碳負(fù)極、三元正極等)和固態(tài)鋰金屬電池(以金屬鋰為負(fù)極)。由于固態(tài)鋰離子電池與當(dāng)前的電池體系最為接近,日韓本身又擁有成熟的鋰電產(chǎn)業(yè)鏈,因此目前日韓企業(yè)大多采用硫化物+固態(tài)鋰離子電池的路線。而歐美初創(chuàng)企業(yè)則立足于顛覆性的技術(shù),大多采用聚合物/氧化物+固態(tài)鋰金屬電池的路線。

 

1.2 固態(tài)電池能夠滿足2030年新能源汽車技術(shù)政策目標(biāo)

 

近年來,新能源汽車補(bǔ)貼政策經(jīng)歷多次調(diào)整,且將于2020年后完全退出。從政策歷次調(diào)整的導(dǎo)向來看,對高續(xù)航里程、高能量密度技術(shù)路線的支持力度沒有減弱甚至有所加大。補(bǔ)貼政策完全退出后,雙積分制度仍可能通過對不同能量密度、不同續(xù)航里程設(shè)置差別化的積分來實(shí)現(xiàn)對行業(yè)技術(shù)升級的導(dǎo)向作用。

 

此外,當(dāng)前行業(yè)主管部門對動力電池技術(shù)提出了非常高的目標(biāo)。2017年工信部、發(fā)改委、科技部聯(lián)合發(fā)布《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》,其中“新能源汽車研發(fā)與推廣應(yīng)用工程”專欄要求:到2020年,動力電池單體比能量達(dá)到300瓦時/公斤以上、力爭實(shí)現(xiàn)350瓦時/公斤,系統(tǒng)比能量力爭達(dá)到260瓦時/公斤;到2025年,動力電池系統(tǒng)比能量達(dá)到350瓦時/公斤。

 

受工信部、國家制造強(qiáng)國建設(shè)戰(zhàn)略咨詢委員會委托,由中國汽車工程學(xué)會研究編制的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》則要求:2020/2025/2030年單體比能量分別達(dá)到350/400/500瓦時/公斤,系統(tǒng)比能量分別達(dá)到250/280/350瓦時/公斤。

 

中科院院士、國家“863”計劃節(jié)能與新能源汽車重大項(xiàng)目總體專家組組長歐陽明高教授指出,2020年的目標(biāo)可以依靠高鎳三元正極材料與硅碳負(fù)極材料的組合實(shí)現(xiàn),2025年的目標(biāo)可以依靠正極材料由高鎳三元向高容量富鋰錳基材料轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn),但基本到達(dá)極限。而要實(shí)現(xiàn)2030年目標(biāo),固體電解質(zhì)層面的突破是一條必由之路。

 

2 固態(tài)電池領(lǐng)域研發(fā)現(xiàn)狀

 

2.1 固態(tài)電池領(lǐng)域?qū)＠闆r

 

根據(jù)德溫特數(shù)據(jù)庫,1990年至今固態(tài)電池領(lǐng)域已經(jīng)公開的專利數(shù)目達(dá)到1926件,其中全固態(tài)電池領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)目達(dá)到871件,占比約45%。

 

從數(shù)量上來看,固態(tài)電池領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)目由2007年26件增長至2017年273件,增長超過10倍,同時全固態(tài)電池專利數(shù)目占比由零提升至近一半,說明固態(tài)電池尤其是全固態(tài)電池的研發(fā)越來越受到各方面的重視。

 

從地域上看,日本目前擁有固態(tài)電池專利916件,占比接近一半,領(lǐng)先優(yōu)勢較大。其次美國和中國分別擁有398件、362件,身位接近。韓國擁有100件位居第四。全固態(tài)電池方面,日本擁有專利657件,占比75%,領(lǐng)先優(yōu)勢更加明顯。中國、韓國分別擁有專利128件、37件;美國在全固態(tài)電池領(lǐng)域稍弱,僅擁有29件專利。

 

從專利主體來看,作為全球第一大車企的豐田擁有固態(tài)電池專利252件,數(shù)量遠(yuǎn)超其他車企與電池企業(yè),同時日本其他消費(fèi)電子及汽車零部件企業(yè)如富士、村田制造所、松下也在固態(tài)電池領(lǐng)域有廣泛布局?？傮w來看,日本固態(tài)電池的研發(fā)以產(chǎn)業(yè)界為主導(dǎo)。美國固態(tài)電池專利分布比較分散,而且其持有主體多為Quantumscape(21件)、Sakti3(17件)等初創(chuàng)企業(yè)。中國固態(tài)電池專利分布也很分散,但與美國不同的是中國專利持有主體以科研機(jī)構(gòu)與大學(xué)為主,如中科院青島能源所(13件)、哈工大(13件)等。韓國雖然總量不及中國,但是專利分布相對集中,如三星電子(35件)、LG化學(xué)(29件)、現(xiàn)代汽車(25件)。與日本相似,韓國在固態(tài)電池領(lǐng)域的研發(fā)也是以產(chǎn)業(yè)界為主導(dǎo),且電池企業(yè)與整車企業(yè)均有布局。

 

全固態(tài)電池專利的持有主體情況與固態(tài)電池基本類似,日本、韓國均以產(chǎn)業(yè)界為主導(dǎo)。中國全固態(tài)電池研發(fā)仍然以科研機(jī)構(gòu)與高校為主導(dǎo),專利持有數(shù)量排名前五的主體分別為中科院寧波材料所(6件)、青島能源所(6件),及三所高校哈工大、中南大學(xué)、寧波大學(xué)。

 

2.2 國外企業(yè)布局情況

 

2.2.1 整車與零部件企業(yè)

 

整車企業(yè)在固態(tài)電池領(lǐng)域的布局可以分為內(nèi)部研發(fā)和對外投資兩類。前者以豐田為代表,后者以寶馬、大眾為代表?？梢钥吹?017年以來不論是哪種路線,整車企業(yè)的動作都有所加快,而造成兩者策略差異的主要原因在于整車企業(yè)前期積累的多少。

 

豐田歷來在電池技術(shù)上有著深厚的積累。從普銳斯鎳氫電池到Mirai燃料電池,豐田都是業(yè)界最早將新能源技術(shù)應(yīng)用于整車層面的車企。在固態(tài)電池領(lǐng)域,豐田目前憑借三方面戰(zhàn)術(shù)進(jìn)一步鞏固先發(fā)優(yōu)勢:1)內(nèi)部研發(fā)積累大量專利,在新技術(shù)上有絕對的自主權(quán),同時豐田表示將在2030年之前投資在相關(guān)電池研發(fā)的資金可能超過130億美元;2)由日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)牽頭投資100億日元,豐田、本田、日產(chǎn)、松下等23家日本汽車、電池和材料企業(yè),以及京都大學(xué)、日本理化學(xué)研究所等15家學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)將共同參與研究,計劃到2022年全面掌握全固態(tài)電池相關(guān)技術(shù);3)與松下合作固態(tài)電池研究,從不同層面去研究和解決問題,為第四代電芯小規(guī)模量產(chǎn)打基礎(chǔ)。

 

從技術(shù)路線上來看,豐田主要是基于固態(tài)鋰離子電池,采用石墨類負(fù)極、硫化物電解質(zhì)與高電壓正極的組合,并計劃于2022年實(shí)現(xiàn)商品化。但是豐田固態(tài)電池目前的主要問題在于循環(huán)壽命還較短(小于3年),這也是豐田下一階段的研發(fā)重點(diǎn)。

 

以大眾、寶馬為代表的車企在固態(tài)領(lǐng)域的積累不及豐田,但是近年來明顯加快了布局的步伐。2017年底寶馬與Solid Power建立合作伙伴關(guān)系共同研發(fā)固態(tài)電池,2018年中大眾向QuantumScape投資1億美元,并計劃在2025年實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池量產(chǎn)。與此同時,寶馬還投資2億歐元在慕尼黑建立電芯研發(fā)中心,開始涉及電芯級別的技術(shù)驗(yàn)證和開發(fā)。與豐田主要依靠內(nèi)部研發(fā)不同,對于大眾、寶馬等德系車企來說,投資初創(chuàng)企業(yè)快速獲取固態(tài)電池的相關(guān)專利、同時通過內(nèi)部研究加深對下一代電池技術(shù)的理解,是一條效率更高的道路。

 

不過也并非所有企業(yè)都在進(jìn)軍固態(tài)電池領(lǐng)域。特斯拉作為電動汽車同時也是動力電池的領(lǐng)軍者,目前還沒有在固態(tài)電池方面擁有一件專利。我們檢索了與特斯拉相關(guān)的專利數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)特斯拉在電池領(lǐng)域總共擁有244件專利,但主要集中在電池系統(tǒng)、電池包和充電領(lǐng)域,而在材料方面專利較少。盡管馬斯克曾表示固態(tài)電池“有一定前景”,但是距離技術(shù)成熟還需要時間,目前也不足以“改變特斯拉的戰(zhàn)略”。特斯拉的Model 3車型采取了以NCA為正極材料的松下21700圓柱型電池,電芯能量密度可以達(dá)到300Wh/Kg,甚至超過了部分半固態(tài)鋰離子電池。特斯拉目前的如意算盤仍然是在2020年堅持目前的材料體系并通過Gigafactory的擴(kuò)產(chǎn)來快速降低電池成本,進(jìn)一步擴(kuò)大在這一代電池技術(shù)上的優(yōu)勢。

 

此外,作為全球最大的汽車零部件供應(yīng)商,博世在今年年初宣布放棄對電池生產(chǎn)環(huán)節(jié)的投資,并出售了之前收購的從事固態(tài)電池研發(fā)的子公司SEEO。博世仍然看好固態(tài)電池的技術(shù)方向,但是對于重資產(chǎn)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行投資非常謹(jǐn)慎。博世預(yù)計投資建設(shè)200GWH的動力電池產(chǎn)能(20%市場份額)需要200億歐元左右的投資,而制造成本中接近3/4都是材料成本,不利于發(fā)揮競爭優(yōu)勢。因此博世的態(tài)度是“需要了解電池技術(shù),但不必親自制造電池”。