固態(tài)電池最新產(chǎn)業(yè)進展
關注資本市場的朋友最近幾個月應該明顯察覺到固態(tài)電池受到了越來越多的追捧，相關的概念股也上漲了很多。不過，還有一些朋友對此有不少疑惑，有人說目前電動車的續(xù)航里程夠用了，價格也夠便宜，為啥還要再搞固態(tài)電池？固態(tài)電池搞出來，是不是現(xiàn)在的動力電池產(chǎn)業(yè)鏈會有天翻地覆的變化？
另外還有朋友經(jīng)常在小視頻里看到豐田、三星在固態(tài)電池的研發(fā)進展，非常擔心我們的動力電池產(chǎn)業(yè)會被日韓彎道超車，想知道固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)到底發(fā)展到什么階段了？那么本文就針對固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展狀況做一個梳理。
一、為什么要搞固態(tài)電池？
動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展了幾十年，一直圍繞著三個核心問題：“能量密度”、“安全”、“成本”。在不同發(fā)展階段，產(chǎn)業(yè)關注的側重點不同，也就催生出了不同的技術路線，推動著產(chǎn)業(yè)不斷向前發(fā)展。
在上世紀九十年代，鋰電池只是在消費電子領域廣泛應用，汽車上用的還是鉛酸電池和鎳氫電池。這兩種電池的最大優(yōu)點就是安全，最大缺點就是能量密度低。像鎳氫電池主要應用在日本的油電混動汽車上（HEV），能夠降低油耗，但是無法提供純電行駛。
我們國家在二十多年前確定新能源汽車的發(fā)展目標為純電動汽車（EV）和插電混動汽車（PHEV），就需要有更高能量密度的動力電池，因此能量密度更高，且安全性較好的磷酸鐵鋰電池得到了快速發(fā)展。這個階段電動汽車的純電續(xù)航里程大都在300公里以內(nèi)，隨著電池使用的衰減，到了冬天許多電動車的續(xù)航降到了100多公里，極大的影響了客戶的用車滿意度。因此國家又出臺相關政策，給更高能量密度的電池更多的資金補貼，從而加速了三元鋰電池的發(fā)展，正極材料也從523，發(fā)展到622，然后是811，整個產(chǎn)業(yè)都在朝著更高能量密度快速前進。
三元鋰電池能量密度更高，但是穩(wěn)定性不如磷酸鐵鋰，加上部分廠家品控把關不嚴格，出現(xiàn)了好多電動車自燃事件，又再次影響了消費者的滿意度。這個時候國家對高能量密度電池的資金補貼逐步減少，加上電池廠家推出了磷酸鐵鋰刀片電池，以及CTB、CTC等新的封裝模式，提升了磷酸鐵鋰電池包的能量密度，因此最近幾年磷酸鐵鋰電池的發(fā)展速度又超過了三元鋰電池。
是不是目前的動力電池已經(jīng)很完美，可以滿足消費者對于更好產(chǎn)品的追求？答案顯然是否定的。一方面電池的安全性還在不斷刺痛著社會神經(jīng)，電動車自燃事件頻出，甚至在地庫自燃導致旁邊幾十輛汽車被燒；另外一方面電池能量密度還是不夠高，導致像仰望U8這樣的大尺寸SUV，重量達到驚人的3.5噸。車重的增加也大大降低了續(xù)航里程、操控性和安全性。這些痛點就要求動力電池產(chǎn)業(yè)還要向前發(fā)展，這個時候固態(tài)電池就是一個非常好的方向。
二、新的產(chǎn)業(yè)應用也在加速固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)
動力電池不僅僅應用在乘用車領域，在機器人、可穿戴設備、無人機等領域也在廣泛應用。不同領域?qū)τ陔姵氐哪芰γ芏?、成本的要求也不同，從而加速電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
左上角這個象限的應用，比如無人機、機器人等，因為電池用量不大，因此更關注能量密度，對成本不是太敏感。右上角這個象限的應用，比如eVTOL、乘用車，對能量密度和成本都提出更高要求。右下角這個象限的應用，比如儲能，更關注成本，對能量密度要求不高。
今年以來，國家出臺了多項政策支持低空經(jīng)濟的發(fā)展，eVTOL（Electric Vertical Takeoff and Landing）也一夜之間火爆起來。使用eVTOL進行載客或載貨運輸，為大型城市、都市圈及城市群創(chuàng)造了新型交通方式。eVTOL對電池能量密度的要求遠高于乘用車，畢竟一個是飛在天上的，一個是在地上行走。今年國家四部門發(fā)布《通用航空裝備創(chuàng)新應用實施方案》指出，推動400Wh/kg級航空鋰電池投入量產(chǎn)，實現(xiàn)500Wh/kg級航空鋰電池產(chǎn)品應用驗證。
eVTOL作為低空經(jīng)濟的關鍵載體，為固態(tài)電池中期打開想象空間，提供固態(tài)電池應用的中期支撐邏輯。
三、固態(tài)電池給產(chǎn)業(yè)鏈帶來哪些變化？
在探討固態(tài)電池給動力電池產(chǎn)業(yè)鏈帶來哪些變化之前，我們先看一下固態(tài)電池和液態(tài)電池的區(qū)別有哪些？
上面兩張圖，其中左邊的是我們目前使用的液態(tài)電池，其基本結構是“正極+電解液+隔膜+負極”。右邊這張是固態(tài)電池，其基本結構是“正極+固態(tài)電解質(zhì)片+負極”。對比兩張圖不難發(fā)現(xiàn)，液態(tài)電池演進到全固態(tài)電池，核心是將“電解液+隔膜”替換為固態(tài)電解質(zhì)。
傳統(tǒng)液態(tài)電池中，電解液相當于汽油，汽油浸潤性好，對應循環(huán)次數(shù)高，快充性能好，但容易燃燒，對應的是安全性不足，能量密度有限。固態(tài)電池中，固態(tài)電解質(zhì)相當于沙子，大幅提升安全性，打破能量密度瓶頸，但是浸潤性差，有固-固界面問題，對應的是循環(huán)次數(shù)低，快充性能差。
固態(tài)電池雖然有非常美好的發(fā)展前景，但目前還存在一些亟待解決的問題，具體有以下幾個方面：
循環(huán)壽命差：液態(tài)電池可達1.5萬次，固態(tài)電池僅為幾百次；
快充性能差：液態(tài)電池已達4-6C，固態(tài)電池部分可達2-3C，但大部分基本在0.5C以下；
加工性能差：固體無流動性，類比沙子，加工難度大；
成本高昂：液態(tài)電池成本0.2-0.3元/Wh，固態(tài)電池成本4-5元/Wh，為液態(tài)電池的十倍以上。
要解決這些問題，關鍵還是提升固態(tài)電解質(zhì)的性能，因此固態(tài)電池對產(chǎn)業(yè)鏈影響最大的也是電解質(zhì)這個環(huán)節(jié)。
根據(jù)固態(tài)電解質(zhì)的種類，可分為聚合物、氧化物、硫化物、鹵化物四種技術路線，其各自的優(yōu)缺點如下：
聚合物：不夠安全，上限低，已基本被淘汰，主要與氧化物/硫化物/鹵化物混用。
氧化物：安全性最高，電導率一般，加工難度最大，成本低，但質(zhì)地較脆，目前主要用于半固態(tài)。
硫化物：潛力最大，電導率高，易加工，但難點最多，成本高，穩(wěn)定性差，長期潛力較大。
鹵化物：介于氧化物和硫化物之間，難點是耐還原度差，成本低，近一年進展相對較快。
硫化物固態(tài)電解質(zhì)未來最具潛力，具備極高的離子電導率， 部分硫化物電解質(zhì)的離子電導率甚至已經(jīng)超越電解液，此外具備相對較好的界面接觸性能、柔韌可加工性，成 為主流廠商重點布局的路線。目前來看，國內(nèi)寧德時代、比亞迪、華為，日本的豐田、松下，韓國的三星SDI、LG新能源等均重點布局硫化物體系。硫化物體系具備突出的性能優(yōu)勢，待材料、設備、工藝突破后，預計成為未來全固態(tài)電池的主流路線。
除了電解質(zhì)之外，另一個受影響巨大的就是電池隔膜。在液態(tài)電池時代，隔膜有很強的技術壁壘，也早就了隔膜廠家非常高的毛利率。但是到了固態(tài)電池階段，隔膜就被完全取代了。不過隔膜廠家也不必過度悲觀，因為在固態(tài)電池真正大規(guī)模商用之前，半固體電池會有一個很長的過度時期。在半固體階段，隔膜廠家的價值量是在提升的。所謂半固體電池，通常是在隔膜上涂覆固態(tài)電解質(zhì)，從而提升電池性能。尤其值得一提的是，相比于豐田、三星等海外廠家直接一步到位開發(fā)固態(tài)電池，中國的電池廠家更傾向于先開發(fā)半固體電池，然后再逐步向固態(tài)電池進行演進。今年開始已經(jīng)有很多公司的半固體電池已經(jīng)投入商用，這對隔膜廠家來說也是一個利好消息。
對于正極材料廠家來說，固態(tài)電池對其影響不大，短期沿用高鎳體系，長期向超高鎳、富鋰錳基、高壓尖晶石等材料迭代。固態(tài)電池電化學窗口更寬，因此可以使用的正極材料更為廣泛。半固態(tài)/固態(tài)電池短期預計仍會沿用三元高鎳體系，但或通過單晶化、氧化物包覆、金屬摻雜等手段進一步提升電壓，從而提升電池能量密度。在固態(tài)電解質(zhì)、金屬鋰負極等技術逐漸成熟后，正極材料預計向超高鎳、富鋰錳基、高壓尖晶石等新型體系進一步迭代。
對于負極材料，目前以石墨負極為主，短中期向硅基負極發(fā)展，長期有望切換至金屬鋰。鋰金屬的能量密度最高，未來應用潛力最大，但存在鋰枝晶等問題，無法使用在半固態(tài)電池中，預計在全固態(tài)電池中實現(xiàn)突破。鋰金屬是固態(tài)電池最理想的負極材料，理論比容量高，還原電位最低，因此具有巨大潛力，但需解決鋰枝晶生長、循環(huán)時體積膨脹等問題，以優(yōu)化金屬鋰安全性。半固態(tài)電池含有電解液，無法使用金屬鋰負極，但可以使用負極預鋰化的方式提升能量密度；全固態(tài)電池可以使用金屬鋰作為負極，能量密度可提升至400-500Wh/kg以上，但仍有諸多工藝制造難題，導致產(chǎn)品價格較為昂貴，這塊是未來需要重點突破的技術點。
四、固態(tài)電池最新產(chǎn)業(yè)進展
因為中國在液態(tài)動力電池的全產(chǎn)業(yè)鏈都處于全球領先地位，歐美日韓加大了在固態(tài)電池領域的研發(fā)投入，希望能藉此機會實現(xiàn)對中國的彎道超車。
日本押注硫化物路線，研發(fā)布局最早，技術和專利全球領先，打造車企和電池廠共同研發(fā)體系，政府資金扶持力度超2千億日元（94億元RMB），力爭2030年實現(xiàn)全固態(tài)電池商業(yè)化，能量密度目標500Wh/kg。
韓國選擇氧化物和硫化物路線并行，政府提供稅收抵免支持固態(tài)電池研發(fā)，疊加動力電池巨頭聯(lián)合推進，目標于2025-2028年開發(fā)出能量密度400Wh/kg的商用技術，2030年完成裝車。
歐洲以聚合物路線為主，同時布局硫化物路線，其中德國研發(fā)布局投入最大。美國全路線布局，由能源部出資，初創(chuàng)公司主導研發(fā)，并與眾多車企達成合作，目標在2030年達到能量密度500Wh/kg。
中國在前幾年并未出臺針對固態(tài)電池的針對性支持政策，但是看到日韓在固態(tài)電池領域的賣力宣傳，也開始有了危機意識。2024年5月宣布將投入60億，加快全固態(tài)電池研發(fā)力度，包括寧德時代、比亞迪、一汽、上汽、衛(wèi)藍和吉利共六家企業(yè)或獲得政府基礎研發(fā)支持，項目支持力度空前，固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化加速，目標2027年小批量量產(chǎn)全固態(tài)電池，實現(xiàn)千輛級別的示范運營。
（1）寧德時代
長期發(fā)展看，固態(tài)電池為寧德時代的重點布局方向，短期由半固態(tài)過渡。寧德時代2023年4月推出了半固態(tài)的凝聚態(tài)電池，能量密度可高達500Wh/kg，并具備優(yōu)秀的充放電性能，2024年已具備車規(guī)級量產(chǎn)能力，同時進行航空級合作開發(fā)，已成功試飛4噸級民用電動飛機。
在全固態(tài)電池領域，寧德時代重點布局硫化物路線，目標2027年小批量量產(chǎn)。寧德時代在全固態(tài)電池已投入7-8年的時間進行研究，布局最具潛力的硫化物全固態(tài)電解質(zhì)。曾毓群在2024年世界動力電池大會表示，如果用技術和制造成熟度作為評價體系（1-9 打分），寧德時代的全固態(tài)電池目前處于4的水平，對比全世界的情況，研究算是“領先一大步”，目標是2027年達到7-8的水平，實現(xiàn)小批量生產(chǎn)。寧德時代在今年增加了對全固態(tài)電池的研發(fā)投入，已將全固態(tài)電池研發(fā)團隊擴充至超1000人，目前主攻硫化物路線，近期已進入20Ah樣品試制階段。
（2）日本豐田
日本豐田于上世紀90年開始布局固態(tài)電池研究，專利數(shù)目近1500項，在全球一騎絕塵，聯(lián)手日本能源巨頭出光興產(chǎn)和電池巨頭松下，共同打造固態(tài)電池供應鏈，主攻硫化物體系。
2024年9月，據(jù)豐田官方透露，公司宣布其固態(tài)電池生產(chǎn)計劃已獲得日本政府正式批準，計劃于2026年正式啟動固態(tài)電池的生產(chǎn)，初期雖產(chǎn)能有限，但預計在未來幾年內(nèi)將迅速擴大規(guī)模，至2030年后實現(xiàn)年產(chǎn)量9GWh的目標。此外，公司介紹該電池僅需10分鐘即可充滿電，在WLTP工況下，車輛的續(xù)航里程可達到1000公里，甚至有望超越1200公里。
（3）韓國三星SDI
三星SDI具備多項關鍵技術，全固態(tài)電競爭實力較強，主攻硫化物路線，計劃2027年量產(chǎn)全固態(tài)電池。三星SDI已于2023年建立了一條試驗線，去年年底首批產(chǎn)品已經(jīng)交付給電動汽車制造商進行測試，與車企共同進行了六個多月的測試，并收到了積極的反饋。
三星SDI的固態(tài)電池，目標的能量密度為500Wh/kg，可使電動汽車實現(xiàn)續(xù)航里程600英里，充電9分鐘可以將容量從20%充到80%。目標客戶方面，主打高端細分市場，首先應用在豐田雷克薩斯上。
（4）固態(tài)電池領域的創(chuàng)業(yè)公司
中國目前在固態(tài)電池領域的創(chuàng)業(yè)公司有上百家之多，其中清陶能源和衛(wèi)藍新能源的產(chǎn)業(yè)化進程更快，這里重點介紹這兩家。
清陶能源脫胎于清華大學材料學院，主要和上汽集團綁定，重點布局鹵化物全固態(tài)路線。清陶能源的半固態(tài)產(chǎn)品已經(jīng)于2024年10月正式量產(chǎn)，能量密度320Wh/kg，并搭載在上汽智己光年版車型上。其全固態(tài)產(chǎn)品采用“富鋰錳+鹵化物體系”，能量密度400Wh/kg，全固態(tài)，計劃2026年裝車驗證，2027年正式量產(chǎn)發(fā)布。
衛(wèi)藍新能源脫胎于中科院物理所，主打原位固態(tài)化工藝。衛(wèi)藍新能源為大家所知，主要是因為其與蔚來汽車合作的半固態(tài)產(chǎn)品。目前該電池已經(jīng)量產(chǎn)并交付蔚來汽車，能量密度360Wh/kg，單次續(xù)航里程超過1000km。除了給乘用車做動力電池之外，衛(wèi)藍新能源還將固態(tài)電池技術用在了儲能領域。在2023年下半年發(fā)布了用于儲能專用電芯，165Wh/kg，280Ah，具備超高安全性，并為三峽、海博思創(chuàng)、國電投等多個儲能項目供貨。
目前固態(tài)電池技術正處于快速發(fā)展階段，到底是日韓企業(yè)通過固態(tài)電池實現(xiàn)對中國的彎道超車，還是中國企業(yè)選擇的先商用半固態(tài)，再發(fā)展全固態(tài)的技術路線正確？讓我們耐心觀察，時間會給出答案。
