鉅大LARGE | 點擊量：774次 | 2021年05月13日
“領先的固態電池”？十年內空間較小、對現有電池影響有限
近日，蔚來公布智能電動旗艦轎車ET7，并宣布搭載”領先的固態電池”，印發行業熱議。固態電池到底是什么？與現有鋰離子電池差異有多大？對行業影響多大？本篇報告對以上問題進行了詳解。
報告認為，液態電池是長期主流，固態電池十年內空間較小，不是產業趨勢。液態電池還是長期主流，按照現有技術路徑，穩態下固態電池有望用于消費、特種等成本不敏感的領域，車用動力領域預計重要裝載在高端車型上，占比預計約20%。（技術、成本都有很大難題），現有的四大材料體系將長期維系，且蔚來描述的新的正負極技術并非業內重大創新，龍頭電池廠商也是掌握的。
固態電池現在沒有想象空間，對現有液態電池體系影響有限；且固態電池不改變現有正負極材料體系。
1、固態電池技術介紹
1.1、鋰離子電池發展的核心難題：熱穩定性、鋰枝晶引發的安全問題
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
鋰枝晶，在鋰離子電池充電過程中鋰離子還原形成的樹枝狀金屬鋰，刺穿隔膜導致電池短路、起火。
?鋰枝晶在負極表明附著，生長到一定程度會刺穿隔膜，導致內部短路，引發起火。
?假如發生折斷，會出現“死鋰”現象，影響電池容量。
隔膜：PP/PE，玻璃化轉變溫度大約是140~160度，耐熱性能待提升。
?用現有的涂覆技術，提升隔膜耐熱溫度至160~180度。
?超過玻璃化轉變溫度Tg之后，聚合物會變從玻璃態轉變成流動態。進而導致正負極直接接觸、短路等潛在的安全隱患。
鋰離子電池研發目標：通過對鋰枝晶生長的有效抑制，獲得高能量密度、長循環周期、大電流密度。
1.2、固態電池與傳統電池比較
1）固態電池VS傳統電池：安全性更好
鋰離子電池發展兩大方向：更高的安全性和更優越的綜合性能
?更安全：鋰枝晶在固態電解質中生長緩慢且難刺透，可燃性更差，熱穩定性更強。（氧化物固態電池極限溫度1800℃）
?高綜合性能：采用高鎳正極、硅碳負極、預鋰化等，能量密度突破300Wh/kg。（液態、固態電池均可以實現）
2）固態電池VS傳統電池：四大材料中正負極沒有變化，全固態電池不要隔膜、電解液
?正極：高鎳正極
?負極：硅碳負極、預鋰化、Li金屬負極等
?全固態電池中，隔膜、電解液替換為固態電解質
?半固態電池：電解液用量逐步減少，根據不同體系，有的用基膜，有的不用基膜
1.3、液-固電解質電池轉換：需克服技術&成本兩道難題
固態電池重要難題在于：
1）固-固界面接觸難題，內阻較大，循環性能、倍率性能差；
2）提升固態電解質導電率，改善固態電解質與正負極的界面，減小內阻；
?與液態電解液相比，固態電解質的電導率/鋰離子遷移率低1~2個數量級，電導率低，全電池阻抗大，導致循環性能、倍率性能差。
?電極材料在充電時膨脹，放電時受挫，液態電解液—電極（液體—固體）接觸相對較好，而固態電解質—電極（固體—固體）難以保持長期穩定的接觸，并加大了固體電解質破裂或分離的可能，電池內阻較大。
?不使用電解液，只用固態電解質導電率會大幅度降低，而且沒有沒有好的解決辦法。因此公司先從半固態開始做起。
理想的全固態電池：高能量密度（≥280Wh/kg）、高安全性、高電導率（10-2S/cm）長壽命（≥1500次，15年）、≥4Ah電芯、能快速生產（>10ppm）；快充（3-5C）、低成本（<0.6元/Wh）、寬溫度范圍（-30℃-80℃）。但目前高電導率、長壽命、快沖、低成本、寬工作溫度范圍都還未能實現。
?氧化物路線（清陶、衛藍、輝能、贛鋒、寧德等國內公司）：導電率高于聚合物，可在低溫下實現導鋰，而耐受高電壓。但界面電阻高，大容量電芯制造困難。（扣式電池性能較差）
?硫化物路線（松下、三星；寧德、清陶等國內公司都有技術布局）：導電率最高，接觸性好。但硫化物與水接觸出現有毒氣體H2S，制造成本高。（扣式電池性能較差）
?聚合物路線（殘留溶劑含量<20%）：易加工，產品性能與當前液體電解液體系下類似。（扣電，一致性待提升，1~2C）
全固體電池遇技術難題：固-固界面接觸難題尚未解決；鋰枝晶可能會折斷，導致“死鋰”情況發生，降低電池容量；金屬鋰循環過程中出現多孔，體積無限膨脹。
全固態電解質成本較高：
?以陶瓷基電解質LLZTO為例，含有La、Zr兩種稀有金屬，成本較高。
?隔膜基膜厚度為7um，涂覆厚度2um。若直接用陶瓷基電解質替代隔膜（基膜+涂覆），陶瓷基電解質大約是40um以上
?據測算，NCM811固態電池成本相比傳統電池要高出約75%，成本中心在固態電解質成分。
?遠期來看，若采用相同的正負極材料體系，即能量密度基本相同：1）假設現有的高成本固態電解質技術路徑不變；2）半固態（固液混合態）電池較現有的液態電池新增了固體電解質的成分；全固態電池的成本很難做到比現有的液態電池要低。
?預計固態/半固態電池在消費、特種等對成本不敏感的領域先行應用。預計固態電池會部分用在高端車型上，但總占比不會超過20%。
2、NIO150KWh電池包解析
2.1、差異化核心創新點：固液電解質技術（原位固化）
NIO的150KWh的電池包（360Wh/kg電芯）采用了原位固化技術，在正極—電解液側形成CEI層，負極—電解液側形成SEI層，改善循環性能，減少界面阻抗。
?類似于在基膜上通過原位聚合的技術引入涂覆層，涂覆層的材料含有固態電解質的成分，可以部分提高安全性，改善正負極界面性能。
?原位聚合包括：光引發聚合、熱引發聚合、多層非對稱固體電解質膜等技術。（仍然要電解液、隔膜）
?初級半固態產品，提升了安全性能，仍然要電解液、基膜。
?能量密度提升由于采用了高鎳正極、硅碳負極、預鋰化技術等（液態鋰離子電池也可適用）。
2.2、其他創新點：均質包覆、預鋰化負極，納米包覆超高鎳正極
3、公司技術進展
3.1、公司核心技術團隊來自優秀科研院所，體現高技術壁壘
產-研融合屬性突出。清陶能源、衛藍新能源、浙江鋒鋰、新宙邦、QuantumScape等公司的核心技術人員均來自清華大學、中科院、南科大、斯坦福等優秀科研院所。
3.2、國內廠商傾向于走氧化物、聚合物等路線
頭部汽車廠商均已在固態電池領域有所布局
?國內輝能科技、清陶科技、衛藍新能源等在固態電池研究較為深入的公司均選擇的是氧化物體系，國際上在該技術領先的SolidPower走硫化物路線，日本豐田、松下、日立也采用抱團合作的模式，深耕硫化物路線。QuantumScape同時兼顧三個方向的研究。
?國內多數電池廠商及海外的豐田、QuantumScape均從固液電解質混合的半固態產品開始做起。
3.3、規劃與進展：半固態電池已有落地
根據重要車企的規劃，搭載固態電池的產品預計最早于2022年以后量產。
目前有至少三款樣車分別搭載了來自衛藍新能源和清陶科技的半固態電池。
3.4、頭部車企與鋰鹽龍頭紛紛注資入局
?近兩年，北汽、上汽、廣汽均先后參與了清陶能源D/E/E+/E++輪融資。一汽在2020年參與了輝能科技的D輪融資。
?衛藍新能源：背靠中科院技術，同時獲得中科院物理所和中科院科技成果轉化基金的投資（兩者共持股11.8%）。鋰鹽龍頭——天齊鋰業以投資的方式進入。
?贛鋒鋰業：直接入場，與中科院寧波材料所合作成立子公司——浙江鋒鋰新能源；主動與車企尋求合作。
?國外公司方面：2014年，大眾已持有QuantumScape5%的股份。2018年和2020年兩次增資共約3億美元，現持股31.1%。
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