光大證券：固態(tài)電池有望成為下一代鋰電技術(shù)制高點，可關(guān)注龍頭企業(yè)研發(fā)進展

1991年索尼公司推出商業(yè)化液態(tài)鋰離子電池，隨后液態(tài)鋰離子電池進入快速發(fā)展階段。由于對更高能量密度和更高安全性電池的追求，各國加緊固態(tài)電池的研發(fā)，以期搶占技術(shù)的制高點。

雖然實現(xiàn)全固態(tài)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化尚需時間，但過程中的技術(shù)創(chuàng)新仍將會給鋰電產(chǎn)業(yè)持續(xù)注入新動力，我們通過本篇報告全面梳理固態(tài)電池的技術(shù)、研發(fā)進展情況，希望可以給投資者建立相對完整的分析問題的框架。

我們的創(chuàng)新之處

（1）全面分析了固態(tài)電池的性能優(yōu)勢及未來實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化待突破的技術(shù)困難；

（2）全面梳理中國、歐美、日韓對固態(tài)電池的支持政策以及研發(fā)進展；

（3）構(gòu)建了液態(tài)鋰離子電池LIB（石墨負極）、LIB（硅碳負極），固態(tài)電池基于石墨負極的硫化物ASSB（簡稱SLIB）、基于鋰負極的硫化物ASSB（簡稱SLMB）的成本分析，并分析了未來降本路線。

投資觀點

目前全球都加快固態(tài)電池的研究，但實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化尚需時間，我們認為，在向全固態(tài)電池過渡的的過程中，應持續(xù)關(guān)注科研創(chuàng)新技術(shù)的發(fā)布及龍頭公司的研發(fā)進展，以及可率先在對成本不十分敏感的消費鋰電領(lǐng)域的應用。

技術(shù)革新無休止，攻堅固態(tài)電池是關(guān)鍵

1.1、固態(tài)電池有望成為下一代高性能鋰離子電池

鋰離子在正負電極間可逆嵌入是鋰離子電池的電化學基礎，其發(fā)展實際上是基于上世紀70年后一系列的創(chuàng)新理念和關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)。

對于固態(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）召開的北約“固體中的快速離子輸運”會議上，Steele 討論了合適的固態(tài)電解質(zhì)的基本標準，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+擴散，這是關(guān)于固態(tài)電池的第一份報道。

在科研過程中，實際上對于正負材料、電解質(zhì)的材料選擇都是在探索中不斷推進的。1978年，“搖椅電池”模型清楚地闡述了鋰離子電池基本化學原理，為后續(xù)研究打下堅實的基礎。

1978年，Armand提出開創(chuàng)性的固態(tài)聚合物固態(tài)電池的概念；同時他的研究重心轉(zhuǎn)移至對石墨作為嵌入負極適用性的研究；在1979-1980年，Goodenough等發(fā)現(xiàn)了層狀氧化物-鈷酸鋰（LiCoO2），GoOrdulet等發(fā)現(xiàn)另一種錳酸鋰（LiMn2O4）正極材料。1983年，Yoshino等提出了以軟碳為負極、碳酸鹽溶液為電解液、LiCoO2為正極的電池，這是當今鋰離子電池的基本組成部分。

依靠現(xiàn)有動力電池體系，2025年后電池能量密度難以達到國家要求。目前，我國動力電池采用的正極材料已由磷酸鐵鋰轉(zhuǎn)向三元體系，逐漸向高鎳三元發(fā)展，負極材料當前產(chǎn)業(yè)化仍集中于石墨、硅基等材料領(lǐng)域。據(jù)一些電池供應商推測，未來五年鋰離子動力電池的單體能量密度有望提高至300Wh/kg以上，但依靠已有的三元體系難以實現(xiàn)電池單體能量密度高于350Wh/kg的目標。

固態(tài)電池或?qū)⒈簧仙羾覒?zhàn)略層面，核心技術(shù)研發(fā)進程將加速。2019年12月，工信部發(fā)布《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》（征求意見稿），在“實施電池技術(shù)突破行動”中，加快固態(tài)動力電池技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化被列為“新能源汽車核心技術(shù)攻關(guān)工程”。

鋰電池理論能量密度主要取決于正負極材料克容量和工作電壓（電勢差）。

（1）正負極之間電勢差越大，工作電壓越高，電池能量密度越高。目前基于液態(tài)鋰離子電池的材料和使用安全性的需要，實際使用的正負極之間的電勢差不能超過4.2V。

（2）電極材料克容量越大，電池能量密度越高。正極材料克容量提升有限，傳統(tǒng)的石墨負極材料也遠遠無法滿足新一代高能量密度電池的設計需求，硅材料雖然比容量高，但是嵌鋰過程中體積膨脹大，導致循環(huán)壽命較差；因此負極材料改進的空間較大，金屬鋰負極克容量約為石墨的10倍，理論能量密度可大幅提升。

（3）提升能量密度時，同時要考慮安全性。磷酸鐵鋰電池安全性好、成本低，但能量密度不高，耐低溫性能差，目前比亞迪采用刀片電池改進；三元電池能量密度高，耐低溫，但存在安全性差，成本高的缺點。由于對能量和續(xù)航的更高要求，在小型乘用車領(lǐng)域，目前三元電池已占據(jù)過半市場份額，但三元電池帶來的安全隱患不容忽視。

液態(tài)鋰離子電池存在安全隱患，矛頭指向液態(tài)電解質(zhì)。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2019年10月，我國一共發(fā)生了79起電動汽車的安全事故，涉及車輛達到了96輛。引發(fā)電動汽車安全事故的主要原因是熱失控導致電池爆炸或自燃。電池自燃的原因是在過充電、低溫或高溫環(huán)境下動力電池發(fā)生短路，短時間內(nèi)電池釋放大量熱量，點燃電池內(nèi)部的液態(tài)電解質(zhì)，最終導致電池起火。

與液態(tài)鋰離子電池不同，固態(tài)電池中的固態(tài)電解質(zhì)替代了液態(tài)鋰離子電池的液態(tài)電解質(zhì)、隔膜。固態(tài)電池潛力巨大，有希望獲得安全性更高、單體能量密度更高（＞350 Wh/kg）和壽命更長（＞5000次）的動力電池。

（1）安全性高，降低電池自燃、爆炸風險。固態(tài)電池將液態(tài)電解質(zhì)替換為固態(tài)電解質(zhì)，大大降低了電池熱失控的風險。半固態(tài)、準固態(tài)電池仍存在一定的可燃風險，但安全性優(yōu)于液態(tài)鋰電池。

（2）能量密度高，有望解決新能源汽車里程焦慮問題。固態(tài)電池電化學窗口可達5V以上，高于液態(tài)鋰離子電池（4.2V），允許匹配高能正極，提升理論能量密度。固態(tài)電池無需電解液和隔膜，縮減電池包重量和體積，提高續(xù)航能力。電池負極可以采用金屬鋰，正極材料選擇面更寬。

（3）固態(tài)電池可簡化封裝、冷卻系統(tǒng)，電芯內(nèi)部為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，在有限空間內(nèi)進一步縮減電池重量，體積能量密度較液態(tài)鋰離子電池（石墨負極）可提升70%以上。液態(tài)鋰離子電池以并聯(lián)結(jié)構(gòu)相接，封裝復雜且體積龐大；固態(tài)電池無漏液風險，可簡化冷卻系統(tǒng)，電池以多電芯串聯(lián)結(jié)構(gòu)相接，優(yōu)化電池封裝，電池的體積能量密度大幅提升。

固態(tài)電池的技術(shù)發(fā)展采用逐步顛覆策略，液態(tài)電解質(zhì)含量逐步下降，全固態(tài)電池是最終形態(tài)。依據(jù)電解質(zhì)分類，鋰電池可分為液態(tài)、半固態(tài)、準固態(tài)和全固態(tài)四大類，其中半固態(tài)、準固態(tài)和全固態(tài)三種統(tǒng)稱為固態(tài)電池。固態(tài)電池的迭代過程中，液態(tài)電解質(zhì)含量將從20wt%降至0wt%，電池負極逐步替換成金屬鋰片，電池能量密度有望提升至500Wh/kg，電池工作溫度范圍擴大三倍以上。預計在2025年前后，半固態(tài)電池可以實現(xiàn)量產(chǎn)，2030年前后實現(xiàn)全固態(tài)電池的商業(yè)化應用。

1.2、電解質(zhì)和界面雙管齊下，構(gòu)建高性能固態(tài)電池

（1）構(gòu)建高性能固態(tài)電解質(zhì)，固態(tài)電解質(zhì)和液態(tài)電解質(zhì)的核心要求一致：

1）電導率高，一般商業(yè)化電解質(zhì)電導率范圍在3×10-3~2×10-2 S/cm；

2）化學穩(wěn)定性好，不與電池內(nèi)部材料發(fā)生反應；

3）電化學窗口寬，在穩(wěn)定的前提下電化學窗口越寬越好，以適配高能電極；

4）高鋰離子遷移數(shù)，離子遷移數(shù)達到1是最理想的狀態(tài)。

氧化物固態(tài)電解質(zhì)各方面性能較為均衡，其他類型固態(tài)電解質(zhì)普遍存在性能短板，尚不能達到大規(guī)模應用的要求。固態(tài)電解質(zhì)是固態(tài)電池的核心部件，在很大程度上決定了固態(tài)電池的各項性能參數(shù)，如功率密度、循環(huán)穩(wěn)定性、安全性能、高低溫性能以及使用壽命。固態(tài)電池距離高性能鋰離子電池系統(tǒng)仍有差距，聚合物、氧化物、硫化物三類固態(tài)電解質(zhì)的性能參數(shù)各有優(yōu)劣。

聚合物固態(tài)電解質(zhì)率先實現(xiàn)應用，但存在高成本和低電導率兩個致命問題。目前主流的聚合物固態(tài)電解質(zhì)是聚環(huán)氧乙烷（PEO）電解質(zhì)及其衍生材料。2011年法國Bollore公司推出固態(tài)電池為動力系統(tǒng)的電動車，聚合物固態(tài)電池率先實現(xiàn)商業(yè)化。聚合物電解質(zhì)在室溫下導電率低，能量上限不高，升溫后離子電導率大幅提高但既消耗能量又增加成本，增大了商業(yè)化的難度。

氧化物固態(tài)電解質(zhì)綜合性能好，LiPON薄膜型全固態(tài)電池已小批量生產(chǎn)，非薄膜型已嘗試打開消費電子市場。LLZO型富鋰電解質(zhì)室溫離子導電率為10-4 S/cm、電化學窗口寬、鋰負極兼容性好，被認為是最有吸引力的固態(tài)電解質(zhì)材料之一，制約其發(fā)展的重要因素是電解質(zhì)和電極之間界面阻抗較大，界面反應造成電池容量衰減。

硫化物固態(tài)電解質(zhì)電導率最高，研究難度最高，開發(fā)潛力最大，如何保持高穩(wěn)定性是一大難題。LGPS電解質(zhì)的離子電導率高達1.2x10-2 S/cm，可與液態(tài)電解質(zhì)相媲美。雖然硫化物電解質(zhì)與鋰電極的界面穩(wěn)定性較差，但由于離子電導率極高、電化學穩(wěn)定窗口較寬（5V以上），受到了眾多企業(yè)的青睞，尤其是日韓企業(yè)投入了大量資金進行研究。

我們認為，目前氧化物體系進展最快，硫化物體系緊隨其后，高能聚合物體系仍處于實驗室研究階段，硫化物和聚合物體系都已取得長足進展。

1）近年多家中國企業(yè)建立氧化物固態(tài)電池生產(chǎn)線。2018年11月蘇州清陶固態(tài)鋰電池生產(chǎn)線在江蘇昆山建成投產(chǎn)，單體能量密度達400Wh/kg以上，擬于2020年進入動力電池應用領(lǐng)域。江蘇衛(wèi)藍新能源電池有限公司也計劃于近期嘗試進一步探索。2019年4月輝能科技宣布與南都電源合作，計劃建立國內(nèi)首條1GWh規(guī)模的固態(tài)電池生產(chǎn)線，2019年底，輝能科技宣布將于2020年建成固體電池生產(chǎn)線，2020年4月輝能科技完成D輪融資，本輪融資將用于加速固態(tài)電池商業(yè)化落地和工廠建設。

2） 2020年日本豐田計劃推出搭載硫化物固態(tài)電池的新能源汽車，并于2022年實現(xiàn)量產(chǎn)。十幾年前豐田已開展固態(tài)電池研發(fā)工作，不僅獲得了固態(tài)電解質(zhì)材料、固態(tài)電池的制造技術(shù)等方面的專利，還研發(fā)了一整套的正極材料和硫化物固態(tài)電解質(zhì)材料回收的技術(shù)路線和回收工序。

3）美國Sakti3宣布研發(fā)出超高能量密度聚合物固態(tài)電池。2019年12月，Sakti3號稱開發(fā)出了能量密度超1000 Wh/kg的固態(tài)電池，但該電池至今還未在實驗室之外進行過測試，絕大多數(shù)技術(shù)細節(jié)并未公開。

（2）提高界面相容性和穩(wěn)定性

構(gòu)建良好的界面接觸是提高固態(tài)電池電化學性能的有效策略。固相界面間無潤濕性，難以充分接觸，形成更高的接觸電阻，在循環(huán)過程中發(fā)生元素互擴散及形成空間電荷層等現(xiàn)象，影響電池性能。晶態(tài)電解質(zhì)中存在大量晶界，高晶界電阻不利于鋰離子在正負極間的傳輸。

固態(tài)電解質(zhì)晶界

晶界電阻決定材料的總離子電導率。提高致密度、降低晶界數(shù)量是降低電解質(zhì)內(nèi)阻、提高電導率的有效途徑。復合型無機固態(tài)電解質(zhì)的絕緣部分可以通過影響空間電荷區(qū)的載流子濃度進而影響材料的電導率。非晶型無極固態(tài)電解質(zhì)結(jié)構(gòu)中無晶界存在，但制備工藝會影響離子電導率。

電極/固態(tài)電解質(zhì)界面

1） 電極/無機固態(tài)電解質(zhì)界面

有效抑制固態(tài)電解質(zhì)中空間電荷層的出現(xiàn)、元素互擴散及電極在充放電過程中的體積變化是降低界面電阻、提高固態(tài)鋰電池高倍率放電性能的核心。常見的界面問題包括空間電荷層、界面反應和界面接觸，正極/無機固態(tài)電解質(zhì)界面對電池容量和高倍率性能有重大影響，界面穩(wěn)定性是影響固態(tài)鋰電池電化學性能的關(guān)鍵因素之一。

有效阻止金屬鋰與電解質(zhì)間發(fā)生化學反應是解決固態(tài)電池負極穩(wěn)定性差的關(guān)鍵。金屬鋰具有低的氧化還原電位（-3.04V，vs.標準氫電極）和極高的理論比容量（3860mAh/g），是下一代高能鋰電池負極材料的最佳選擇，但金屬鋰過于活潑，易與電解質(zhì)發(fā)生化學反應后造成電池失效。

界面接觸差、鋰枝晶也是困擾鋰負極應用的難題。固態(tài)電解質(zhì)只能在一定程度上抑制鋰枝晶的生長并防止其穿透造成電池短路，對界面進行改性或制備一層固態(tài)電解質(zhì)界面膜（SEI）能有效削弱鋰枝晶的影響。引入緩沖層填補界面間的空隙，可以改善界面接觸，同時避免界面反應的發(fā)生。

2）電極/有機固態(tài)電解質(zhì)界面

提高有機固態(tài)電解質(zhì)化學穩(wěn)定性是改善固態(tài)電池循環(huán)性能的可行方法。傳統(tǒng)有機固態(tài)電解質(zhì)材料（如PEO、PPC等）高壓條件下在界面易氧化分解，使電導率降低、界面阻抗增大，通過電解質(zhì)改性能改善這一問題。

2.1、政府引導，推動固態(tài)電池領(lǐng)域快速發(fā)展

各國政府近年來陸續(xù)出臺政策措施，扶持新能源汽車行業(yè)發(fā)展。電動車的發(fā)展主要受政策和補貼驅(qū)動，各國出臺的電動車鼓勵措施涵蓋了生產(chǎn)、購置、使用、基礎設施、產(chǎn)業(yè)化支持等多個環(huán)節(jié)。

為實現(xiàn)節(jié)能減排目標，國家乘用車碳排放政策不斷收緊，促使車企電動化轉(zhuǎn)型。歐盟提出最嚴苛要求，2025年后歐盟新登記汽車碳排放量比2021年減少15%，2030年要求比2021年減少37.5%。嚴苛的碳排放標準驅(qū)動車企進一步轉(zhuǎn)型，電動車升級勢在必行。

多個國家明確固態(tài)電池發(fā)展目標和產(chǎn)業(yè)技術(shù)規(guī)劃，現(xiàn)階段發(fā)展之路明晰，2020-2025年著力提升電池能量密度并向固態(tài)電池轉(zhuǎn)變，2030年研發(fā)出可商業(yè)化使用的全固態(tài)電池。美國能源部的部署著重于電池正負極材料的革新、電芯優(yōu)化和降低成本或者解脫電池對重要材料如鈷的依賴，以及回收利用動力電池材料；德國政府的策略是加大資金扶持；日本為應對多元化的市場需求、保持在世界市場上的競爭力、降低技術(shù)發(fā)展的不確定性，汽車技術(shù)沒有集中在某一領(lǐng)域；中國著力于固態(tài)電解質(zhì)的研發(fā)，2020年或?qū)⒐虘B(tài)電池研發(fā)上升至國家戰(zhàn)略層面，加快固態(tài)電池發(fā)展。

2.2、企業(yè)積極布局，固態(tài)電池領(lǐng)域陷入“混戰(zhàn)”

中國提前布局，部分企業(yè)已進入固態(tài)鋰離子電池（半固態(tài)電池）中試階段，2025年前可能實現(xiàn)固態(tài)電池量產(chǎn)。中國早在十年前已著手布局固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)，多家電池廠商固態(tài)電池技術(shù)領(lǐng)先，越來越多的企業(yè)參與固態(tài)電池研究。

國內(nèi)車企聯(lián)合電池企業(yè)，新興電動車制造商步伐較快，2025年前電動汽車有望搭載固態(tài)電池。造車新勢力憑借自身強大的實力、多維度跨界與全方位創(chuàng)新嶄露頭角，大有領(lǐng)跑之態(tài)。天際、蔚來、愛馳都與輝能科技簽訂了戰(zhàn)略合作協(xié)議，側(cè)面說明輝能科技固態(tài)電池技術(shù)成熟度相對較高。

日韓企業(yè)抱團研發(fā)，豐田計劃2022年實現(xiàn)搭載固態(tài)電池的電動汽車量產(chǎn)。由于意識到固態(tài)電池潛力巨大，日本很早就開始進行研發(fā)，目前全球范圍內(nèi)日本企業(yè)的固態(tài)電池技術(shù)較為領(lǐng)先。韓國技術(shù)領(lǐng)先的三大電池企業(yè)也選擇聯(lián)合研發(fā)固態(tài)電池?？梢钥闯?，日韓無論是電池企業(yè)還是車企，在保有獨立研發(fā)團隊的基礎上，在固態(tài)電池的研發(fā)方面大多采用“抱團取暖”方式。

歐洲謀求固態(tài)電池領(lǐng)域翻盤，歐美各大車企投資固態(tài)電池初創(chuàng)企業(yè)。2019年初，歐洲最大的應用科學研究機構(gòu)德國弗勞恩霍夫硅酸鹽研究所和瑞士聯(lián)邦材料測試和研究實驗室合作固態(tài)電池戰(zhàn)略性項目“IE48”。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、Solid Energy Systems、Ionic Materials 、Quantum Scape等以獲得技術(shù)儲備?？紤]到投資風險過大，博世2018年出售SEEO，取消電池生產(chǎn)并剝離相應資產(chǎn)。

固態(tài)電池領(lǐng)域進入“軍備競賽”階段，各企業(yè)期望搶占先機以贏得市場份額。固態(tài)電池領(lǐng)域市場參與者眾多，車企、電池企業(yè)、投資機構(gòu)、科研機構(gòu)等在資本、技術(shù)、人才三方面進行博弈。隨著越來越多的企業(yè)加入，固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化進程不斷加速，按照目前的發(fā)展情況，2021-2025年固態(tài)電池將實現(xiàn)初步應用。

（1）中國企業(yè)縱向聯(lián)合，高校及研究機構(gòu)科技成果初嘗產(chǎn)業(yè)化。

（2）歐美多國政府撥款助力固態(tài)電池研發(fā)，科研機構(gòu)及固態(tài)電池初創(chuàng)企業(yè)是主力，各大車企紛紛投資。

（3）日本電池領(lǐng)域底蘊深厚，企業(yè)依靠自身優(yōu)勢組建研發(fā)團隊攻克技術(shù)難關(guān)，同時車企橫向聯(lián)合共同開發(fā)電池技術(shù)，科研機構(gòu)、車企、電池和材料企業(yè)等多行業(yè)抱團共同參與研究。

（4）韓國電池企業(yè)選擇縱向聯(lián)合，共同開發(fā)固態(tài)電池技術(shù)。

3.1、三星率先實現(xiàn)技術(shù)突破，全固態(tài)電池量產(chǎn)仍有難點

三星固態(tài)電池最新科研成果發(fā)布，全固態(tài)電池性能出現(xiàn)重大突破。2020年3月初，三星高等研究院（SAIT）與三星日本研究中心（SRJ）在《自然-能源》（Nature Energy）雜志上發(fā)表《High-energy long-cycling all-solid-state lithium metal batteries enabled by silver–carbon composite anodes》，介紹了其在固態(tài)電池領(lǐng)域的最新進展，銀碳基全固態(tài)電池能夠?qū)崿F(xiàn)900Wh/L高能量密度、1000圈以上長循環(huán)壽命及99.8%極高庫倫效率（充放電效率），電池一次充電后可驅(qū)動汽車行駛800公里。

電池結(jié)構(gòu)如下：

（1）正極：高鎳三元材料LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2 （NMC）

（2）正極涂層：5nm厚的Li2O-ZrO2（LZO）

（3）固態(tài)電解質(zhì)：argyrodite型（Li6PS5Cl）硫化物電解質(zhì)

（4）負極：5-10μm的超薄銀碳負極

（5）集流器：鋁箔、不銹鋼（SUS）箔集流器

（6）無隔膜和液態(tài)電解質(zhì)

三星袋式電池制備采用雙電芯（bi-cell）結(jié)構(gòu)。兩片負極在雙面涂布的NMC正極兩側(cè)放置，NMC正極、銀碳復合層、固態(tài)電解質(zhì)圍繞鋁集流器對稱放置，鋁塑膜軟包后，電池尺寸6.7x11.2cm2，電芯容量0.6Ah。

這項技術(shù)解決了困擾全固態(tài)電池性能的問題，即鋰枝晶與充放電效率。

（1）銀碳復合材料和SUS能夠減少鋰離子在負極的不均勻沉積，降低鋰枝晶生成的可能性；

（2）硫化物電解質(zhì)鋰離子遷移數(shù)接近1，是固態(tài)電解質(zhì)中最高的，在電池循環(huán)過程中鋰離子不易沉積因而抑制鋰枝晶的生成；

（3）LZO涂層有效降低界面阻抗從而提升電池系統(tǒng)的充放電效率，同時隔絕正極和電解質(zhì)，避免了副反應，最大限度保證電池的循環(huán)次數(shù)。

技術(shù)不成熟、生產(chǎn)條件受限，固態(tài)電池量產(chǎn)對于三星產(chǎn)業(yè)化而言仍有難點。硫化物固態(tài)電解質(zhì)對生產(chǎn)環(huán)境要求苛刻，需隔絕水和氧氣；銀碳層大規(guī)模生產(chǎn)所需的貴金屬納米銀成本較高。

發(fā)表論文的SAIT和SRJ均為科研機構(gòu)而非主攻工藝的三星SDI，文章僅闡明了新電池的原理、結(jié)構(gòu)和性能，初步判斷該電池仍處于實驗室階段，短時間內(nèi)難以量產(chǎn)。

3.2、固態(tài)電池的工藝路線尚不成熟，產(chǎn)業(yè)化仍需時間

各類型固態(tài)電池的電芯封裝技術(shù)大同小異，差別主要體現(xiàn)在電極和電解質(zhì)的制備工藝。全固態(tài)鋰電池根據(jù)電池形態(tài)可以分成薄膜型和大容量型兩大類。

大容量全固態(tài)電池適合規(guī)模化生產(chǎn)的技術(shù)路線仍在研究中，涂布法最為常見，預計2025年固態(tài)電池可規(guī)?；a(chǎn)，2030年全固態(tài)電池實現(xiàn)商業(yè)化應用。

（1）制備氧化物電解質(zhì)時，涂布后需燒結(jié)以提高致密度，但高溫燒結(jié)消耗大量能源并需補充大量鋰鹽以補償鋰損失，成本高昂。目前多采用摻雜方法降低燒結(jié)溫度；

（2）硫化物電解質(zhì)制備不需燒結(jié)步驟，適合采用涂布法生產(chǎn)。但電池界面接觸差，通過涂布+多次熱壓、添加緩沖層可適當改善界面性能；

（3）聚合物固態(tài)電池可采用卷對卷生產(chǎn)方式，技術(shù)相對成熟，成本低廉，法國Bolloré公司已在2011年實現(xiàn)小規(guī)模量產(chǎn)；

（4）鋰箔（鋰負極）要求厚度在50μm以下，壓延次數(shù)越多，厚度越小，難度越大，成本越高；

（5）固態(tài)電池電芯裝配無需注液步驟，簡化了生產(chǎn)過程。

薄膜型全固態(tài)電池制備成本高、工藝難度大，但性能較好，已在微型電子、消費電子領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)較初級、小范圍應用。薄膜化的電池片倍率性能和循環(huán)性能優(yōu)異，但薄膜結(jié)構(gòu)使其容量上限較低（達不到mAh級別），只能用于微型電子、消費電子領(lǐng)域。薄膜型固態(tài)電池多采用真空鍍膜法生產(chǎn)，工藝要求苛刻、生產(chǎn)成本高昂，難以大規(guī)模制備，而微型電子、消費電子對價格要求不敏感，Cymbet Corporation、Infinite Power Solution、ULVAC等國外企業(yè)已率先實現(xiàn)了薄膜型全固態(tài)鋰電池在無線傳感器、射頻識別標簽等低容量需求電子設備上的應用。

固態(tài)電池的生產(chǎn)可組合傳統(tǒng)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈。與傳統(tǒng)鋰離子電池相比，固態(tài)電池電芯制備不存在革命性創(chuàng)新，只是電極和電解質(zhì)制造環(huán)境要求更高，需要在惰性氣體保護下或在干燥間內(nèi)進行，這與制造超級電容器、鋰離子電容器等空氣敏感儲能器件的生產(chǎn)環(huán)境相似。

固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的實現(xiàn)取決于電池技術(shù)和工藝的突破。一旦電池體系、電極與電解質(zhì)相匹配的工藝確定，可以較快實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

3.3、固態(tài)電池的成本拆分以及未來的降本路徑

固態(tài)電池要想與傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池一較高下，電池降本至關(guān)重要。近兩年內(nèi)固態(tài)電池生產(chǎn)線迎來一輪不小的投產(chǎn)潮，清陶、衛(wèi)藍新能源、輝能科技等企業(yè)將建固態(tài)電池生產(chǎn)線，雖然目前各企業(yè)均未公布固態(tài)電池成本，但此前已有預測固態(tài)電池成本遠高于鋰離子電池，未來固態(tài)電池若想實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，降本則成必然。為定量研究固態(tài)電池成本，參考Joscha Schnell的文獻，依據(jù)研究成果、專家訪談和供應商報價，結(jié)合電池性能和成本，設定具體的參數(shù)，建立自下而上的計算模型。

測算只考慮電芯組裝的成本，不涉及電池包pack環(huán)節(jié)。電芯成本包括材料成本和加工成本（人工、折舊、利息、能源、維護和工廠面積成本等）。

依據(jù)鋰電池技術(shù)發(fā)展路線進行四類電池對比。

兩種液態(tài)鋰離子電池：LIB（石墨負極）、LIB（硅碳負極）。

兩種固態(tài)電池：基于石墨負極的硫化物ASSB（簡稱SLIB）、基于鋰負極的硫化物ASSB（簡稱SLMB）。

電池設計

（1）材料層面

常見的電池體系包括NCA、NCM(811/622/523/333)、LFP等，四類電池均采用NCM811體系。正極材料的參數(shù)和假設：

1）正極比容量5.64mAhcm2；

2）活性材料/粘結(jié)劑/導電劑質(zhì)量比例94：3：3，剩余30%為液態(tài)或固態(tài)電解質(zhì)，液態(tài)鋰離子電池LIB的孔隙率30%。

負極材料的參數(shù)和假設：

1） 負極容量和正極容量比值N/P為1.1，對于液態(tài)鋰離子電池LIB和固態(tài)電池SLIB來說從正極脫嵌的鋰可以完全儲存于負極，由于循環(huán)中不可逆損失，對于固態(tài)電池SLMB來說儲鋰容量有50%剩余；

2）液態(tài)鋰離子電池LIB石墨負極/粘結(jié)劑質(zhì)量比例19：1，孔隙率30%；液態(tài)鋰離子電池LIB硅碳負極/粘結(jié)劑容積比例19：1，孔隙率50%。

隔膜/集電器/電解質(zhì)的參數(shù)和假設：

1）負極為15μm鋁集電器，負極為10μm銅集電器，隔膜厚度20μm；

2） LIB采用LiPF6+EC+DMC液態(tài)電解質(zhì)，SLIB和SLMB采用LPS固態(tài)電解質(zhì)。

（2）電芯設計

電池外型為方形鋁殼電池，電芯采用平行堆疊方式。電芯能量密度和比能量按照插電式混合動力汽車（PHEV）計算，容積利用率85%。

物料成本

電芯主要由正極材料、負極材料、隔膜、電解質(zhì)、集電器、殼體等組成。

生產(chǎn)成本

（1）工廠設計

為研究生產(chǎn)成本，假設工廠年產(chǎn)能6GWh，由于各類電池能量不同，電芯年產(chǎn)量也有所差異，液態(tài)鋰離子電池LIB（石墨負極）、液態(tài)鋰離子電池LIB（硅碳負極）、固態(tài)電池SLIB和固態(tài)電池SLMB分別為3170萬只、2490萬只、3170萬只、1970萬只。

（2）廠房、能源及人員

各組件化學性質(zhì)存在差異， 應特別注意處理不同組件的環(huán)境條件，下表總結(jié)了干燥室和惰性氣體外殼（手套箱）的建模參數(shù)?？紤]到內(nèi)部物流和中間存儲的額外空間等，干燥室面積假定為機器基礎面積的4.4倍，手套箱的體積按照機器的基礎面積乘以平均機柜高度1.50m計算。

（3）生產(chǎn)工序

對于帶有液態(tài)電解質(zhì)的LIB，可以在正常環(huán)境中進行石墨和硅碳負極的生產(chǎn)，而NMC 811陰極對濕度敏感，正極生產(chǎn)和電池組裝需要在干燥室內(nèi)進行。鋰負極的制造需要干燥的氣氛以避免鋰降解或自燃。由于涉及形成有毒的H2S的風險，涉及硫化物電解質(zhì)的所有工藝步驟都將需要使用惰性氣體外殼（手套箱）。

成本匯總

將物料成本和生產(chǎn)成本匯總即為電池生產(chǎn)的總成本。

（1）簡單將液態(tài)電解質(zhì)替換為固態(tài)電解質(zhì)并不能大幅提升電池能量密度，只有匹配高能電極材料才能實現(xiàn)能量密度的跨越。

（2）固態(tài)電池SLIB（石墨負極）總成本最高，達158.8＄/kWh。這是由于固態(tài)電池材料成本高昂，比LIB（石墨負極液態(tài)鋰離子電池）高約34%，同時加工工藝復雜共同造成的。

（3）固態(tài)電池SLMB（鋰負極）理論總成本最低，僅需102＄/kWh。雖然正極材料成本較高，但鋰負極材料成本低廉，同時簡化的電芯裝配過程降低了加工成本，因此電池總成本低于液態(tài)鋰離子電池，但依然存在技術(shù)問題。

（4）我們認為，雖然固態(tài)電池SLMB（鋰負極）理論總成本最低，但仍存在技術(shù)難題，阻礙產(chǎn)業(yè)化進程。首先，采用鋰負極的固態(tài)電池如何保持界面的良好接觸、循環(huán)過程中保持穩(wěn)定的問題還未解決。其次，商業(yè)化使用的鋰負極厚度應在50μm以下，需多次壓延才能達到這一要求，但鋰化學性質(zhì)活潑，壓延次數(shù)越多對技術(shù)的要求也越高，要想穩(wěn)定供應符合要求的鋰箔并不容易。

拆分電池組件和生產(chǎn)階段， 固態(tài)電池總成本受材料成本影響最大。

（1）固態(tài)電池SLIB的正、負極漿料混有部分電解質(zhì)，材料成本是四種電池中最高的。固態(tài)電池SLIB的正極生產(chǎn)要求惰性氛圍，加工成本（4.6＄/kWh）略高于LIB（4.1-4.3＄/kWh）；

（2）固態(tài)電池SLMB正極漿料混有部分電解質(zhì)，材料成本僅次于SLIB；鋰負極材料成本低于硅碳負極；電芯產(chǎn)量低，設備需求少，加工成本不高（3.8＄/kWh）；

（3）液態(tài)鋰離子電池LIB電池的隔膜制造成本在9.6-10.3＄/kWh，固態(tài)電池SLIB和SLMB隔膜成本略高于LIB，分別在14.1＄/kWh和13.6＄/kWh；

（4）固態(tài)電池不需電解質(zhì)填充步驟，液態(tài)鋰離子電池SLIB和固態(tài)電池SLMB電芯組裝成本明顯低于LIB。

降本路徑

根據(jù)建立的成本模型，固態(tài)電池成本下降主要依賴：

（1）更低的物料價格；

（2）穩(wěn)定完善的供應體系（高質(zhì)量鋰箔供應）；

（3）工藝改進（bipolar stack工藝）。

目前市場還沒有固態(tài)電解質(zhì)產(chǎn)品，如果技術(shù)問題得到解決，硫化物固態(tài)電解質(zhì)降本至約50＄/kg后價格將優(yōu)于鋰離子電池。采用雙極堆疊法封裝電池，當生產(chǎn)成本從100＄/kg降至10＄/kg，硫化物固態(tài)電池SLMB制造成本從132＄/kg到86＄/kg，降低35%，與LIB相比價格具有競爭力。

即使材料成本降低，氧化物固態(tài)電池仍不具價格競爭力，但氧化物固態(tài)電池在保證高能量密度的同時安全性優(yōu)于硫化物固態(tài)電池，可以犧牲一部分成本。氧化物固態(tài)電池SLMB制造成本從267＄/kg到123＄/kg，成本降幅超過50%，但即使材料成本降低10倍，氧化物固態(tài)電池SLMB成本仍不及液態(tài)鋰離子電池LIB，其優(yōu)勢在于保證高能量密度的同時，安全性優(yōu)于硫化物固態(tài)電池SLMB。

鋰箔（鋰負極）要求厚度在50μm以下，壓延次數(shù)越多，厚度越小，生產(chǎn)難度越大，成本越高，提高加工水平、保證高質(zhì)量鋰箔穩(wěn)定供應是降本良方。鋰價格波動較大，原料鑄錠價格在50-130＄/kg，添加加工助劑和多步輥壓可以得到厚度小于20μm的鋰箔，預估成本250-1000＄/kg。假定材料成本130＄/kg，擠壓成本11.1＄/kg，每壓延一次成本增加16.9＄/kg，相當于總成本僅增加0.5%，但直接購買鋰箔將使成本增加3.3-30%。

電芯stack工藝改進，雙極堆疊法生產(chǎn)的硫化物固態(tài)電池，成本比平行堆疊法高4.1%，而體積能量密度提升了17.6%，雙極堆疊法性價比更高。雙極堆疊法能節(jié)省電池空間，同一電池內(nèi)填放電芯數(shù)更多，基本的固態(tài)電池SLMB電池包含141個串聯(lián)的電芯，平均放電電壓536V，雙極堆疊法制造電池的成本比平行堆疊法高4.1%，而體積能量密度提升了17.6%。

雙極堆疊法生產(chǎn)氧化物固態(tài)電池價格高昂，降低電解質(zhì)成本、改進燒結(jié)工藝是解決之道。氧化物固態(tài)電池成本高昂是由于各成分體積分數(shù)一定的情況下，氧化物電解質(zhì)密度大，正極和隔膜中質(zhì)量占比大，材料成本高，同時氧化物電解質(zhì)需高溫燒結(jié)，加工成本較高，導致總成本明顯高于硫化物固態(tài)電池。

平行堆疊（parallel stack）：常見于液態(tài)鋰離子電池。電池總?cè)萘康脑黾右揽克姓龢O和負極集電器箔片的堆疊。具體結(jié)構(gòu)為每個負極集電器（通常為銅箔）三明治式夾在兩片負極中間，正極集電器（通常為鋁箔）三明治式夾在兩片正極（雙面涂層）中間。

雙極堆疊（bipolar stack）：常見于固態(tài)電池。一個電芯的正極和相鄰電芯的負極共享相同的雙極集電器，電池堆內(nèi)部串聯(lián)連接，層數(shù)越多電壓越高，電流從最外層流入，集電器和接線片焊接所需空間縮小，電池空間利用率更高。

我們認為，向全固態(tài)鋰電池過渡是鋰電技術(shù)進步的重要趨勢；目前，全球都在加快固態(tài)電池的研發(fā)，雖然距離產(chǎn)業(yè)化尚需時間，但如電解質(zhì)或負極材料選擇與改性、電池工藝革新都應是一步一步探索的過程；我們建議持續(xù)關(guān)注企業(yè)與科研單位的創(chuàng)新技術(shù)成果的發(fā)布、并持續(xù)關(guān)注龍頭公司的鋰電產(chǎn)品的研發(fā)進展。

（1）政策變化影響行業(yè)發(fā)展的風險：新能源汽車行業(yè)的發(fā)展仍屬于早期階段，政策會對行業(yè)產(chǎn)生較大影響，若監(jiān)管部門發(fā)布相關(guān)政策，可能會沖擊行業(yè)發(fā)展。

（2）技術(shù)路線變更的風險：技術(shù)進步是新能源汽車行業(yè)發(fā)展的驅(qū)動力之一，新產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化可能會對上一代產(chǎn)品產(chǎn)生沖擊，進而替代原有的技術(shù)路線。

（3）市場競爭加劇的風險：新能源汽車行業(yè)擁有很大發(fā)展空間，有大量企業(yè)參與競爭，行業(yè)產(chǎn)能可能在短期內(nèi)超過需求，從而出現(xiàn)產(chǎn)能過剩的風險。

（4）原材料價格大幅波動的風險：鈷、鋰是動力電池的重要原材料，如果價格大幅波動，會影響電池材料的價格，進而導致動力電池成本發(fā)生預期之外的變動。