導(dǎo)語(yǔ)：

固態(tài)電池是指采用固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池，因其高能量密度和高安全性的顯著優(yōu)勢(shì)，有望解決傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池安全事故頻現(xiàn)、能量密度臨近上限等諸多問(wèn)題，在電池需求高速增長(zhǎng)及技術(shù)代際升級(jí)的雙重驅(qū)動(dòng)下乘勢(shì)而起。固態(tài)電池被認(rèn)為將顛覆現(xiàn)有的電池體系，成為最具前景的新一代電池材料技術(shù)。

向固態(tài)鋰電池過(guò)渡是鋰電技術(shù)進(jìn)步的重要趨勢(shì)，全球范圍內(nèi)，各大車企、電池企業(yè)、投資機(jī)構(gòu)、科研機(jī)構(gòu)等在資本、技術(shù)、人才方面積極布局，以加速固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。去年11月，由光源資本擔(dān)任獨(dú)家財(cái)務(wù)顧問(wèn)的衛(wèi)藍(lán)新能源宣布完成15億元 D 輪融資，我們看好衛(wèi)藍(lán)新能源作為國(guó)內(nèi)固態(tài)鋰電“國(guó)家隊(duì)”在助推固態(tài)鋰電池產(chǎn)業(yè)化、引領(lǐng)行業(yè)變革方面的深厚實(shí)力。本篇研究將分享光源資本對(duì)于固態(tài)鋰電產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展的觀察與思考。

研究團(tuán)隊(duì) | 光源碳中和小組 李昊、欒聲遠(yuǎn)、王慶雯、刁晨卓、紀(jì)鴻思

01 從液態(tài)走向固態(tài)，鋰電池技術(shù)迎來(lái)代際升級(jí)

對(duì)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，英國(guó)科學(xué)家 Stanley Whittingham 首次提出固態(tài)電解質(zhì)的基本標(biāo)準(zhǔn)。1991年 Sony 公司成功開(kāi)發(fā)首款商業(yè)化液態(tài)鋰離子電池，其面世率先革新了消費(fèi)電子的產(chǎn)品形態(tài)，大大降低了移動(dòng)電話、筆記本電腦等消費(fèi)電子的重量和體積，并大幅延長(zhǎng)了電池的使用時(shí)間。隨后液態(tài)鋰離子電池進(jìn)入快速發(fā)展階段。

走過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展歷程，鋰電池技術(shù)不斷迭代，使用場(chǎng)景也愈發(fā)豐富。以電動(dòng)汽車為代表的新能源需求旺盛，帶動(dòng)動(dòng)力電池出貨量大幅提升。此外，隨著光伏、風(fēng)電等清潔能源在能源結(jié)構(gòu)中的占比不斷提升，對(duì)儲(chǔ)能電池的需求也與日俱增。預(yù)計(jì)至2025年，全球鋰電出貨量將達(dá)到1926GWh。當(dāng)前，受重量、體積、安全性等因素限制，液態(tài)鋰電池已接近能量密度天花板，技術(shù)迭代成為動(dòng)力電池行業(yè)焦點(diǎn)議題。而儲(chǔ)能系統(tǒng)的復(fù)雜性則對(duì)電池循環(huán)壽命、安全性、系統(tǒng)兼容性，及電池供應(yīng)商技術(shù)和項(xiàng)目能力提出更高要求。固態(tài)電池技術(shù)因其高安全性、高能量密度等優(yōu)勢(shì)引起了人們的關(guān)注，并將成為未來(lái)重要的電池發(fā)展方向。

1）固態(tài)電池可突破液態(tài)電池安全性與能量密度的局限

目前主流的鋰電池產(chǎn)品采用的主要為液態(tài)電解質(zhì)，其問(wèn)題主要是兩方面：安全性和能量密度。

安全性問(wèn)題頻出，引發(fā)公眾疑慮：近年來(lái)，隨著鋰電池的大規(guī)模應(yīng)用，液態(tài)電池的安全隱患也逐漸突顯。液態(tài)電池的電解液溶劑具有易揮發(fā)、低閃點(diǎn)的特點(diǎn)，在較高溫度下易燃易爆，且具有一定毒性。此外，液態(tài)電池的負(fù)極表面容易形成鋰枝晶，刺穿隔膜造成正負(fù)極短路，導(dǎo)致電池起火。這些都將矛頭指向液態(tài)電解質(zhì)。

液態(tài)電池能量密度臨近上限，亟需技術(shù)迭代升級(jí)：液態(tài)鋰電池的能量密度在350Wh/kg已到達(dá)瓶頸，目前水平已接近天花板，難以獲得進(jìn)一步的突破。有機(jī)電解液無(wú)法兼容金屬鋰等高比能量電極材料，且圓柱、方形鋰電池還需要堅(jiān)固的金屬外殼，這使得電池的形狀、尺寸、比能量等均受到很大限制。

固態(tài)電池有望從根本上解決鋰離子電池的安全性和能量密度等問(wèn)題，顛覆現(xiàn)有的電池體系。從安全性來(lái)看，固態(tài)電解質(zhì)耐高溫、耐擠壓針刺，同時(shí)無(wú)腐蝕性，不易揮發(fā)，不存在漏液?jiǎn)栴}，鋰枝晶在固態(tài)電解質(zhì)中生長(zhǎng)緩慢且難刺透，極大降低了電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)，電池自燃或者爆炸的概率顯著減小。而從能量密度來(lái)看，固態(tài)電池允許適配高能正極與鋰金屬負(fù)極，目前固態(tài)電池的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)已超過(guò)400Wh/kg，突破傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池的能量密度天花板。此外，固態(tài)電池還擁有更簡(jiǎn)化的電池系統(tǒng)、寬工作溫度范圍、可柔性制備等優(yōu)勢(shì)，都使得固態(tài)電池較傳統(tǒng)液態(tài)電池?fù)碛懈S富的應(yīng)用場(chǎng)景，能滿足更多樣的市場(chǎng)需求，且性能指標(biāo)更優(yōu)。

2）固態(tài)電池不同技術(shù)路線各有優(yōu)劣

全球范圍內(nèi)，各車企和電池企業(yè)都在積極布局固態(tài)電池技術(shù)。固態(tài)電池的技術(shù)發(fā)展采用逐步顛覆策略，從發(fā)展路線來(lái)看，液態(tài)電解質(zhì)含量逐步下降，從傳統(tǒng)液態(tài)電池到最終全固態(tài)電池的發(fā)展可以分為五大階段：（1）傳統(tǒng)液態(tài)電池；（2）凝膠態(tài)電池；（3）半固態(tài)電池；（4）準(zhǔn)固態(tài)電池；（5）全固態(tài)電池。

全固態(tài)電池尚存在諸多技術(shù)難題有待解決，短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化及商業(yè)化仍面臨較大的挑戰(zhàn)。目前行業(yè)尚處于半固態(tài)向全固態(tài)發(fā)展的階段，半固態(tài)電池基本滿足當(dāng)前商業(yè)化應(yīng)用需求，有望率先實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，根據(jù)技術(shù)發(fā)展和市場(chǎng)需求逐步調(diào)整向全固態(tài)迭代。業(yè)內(nèi)預(yù)計(jì)全固態(tài)鋰電池將在2020-2025年期間實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)，大規(guī)模商業(yè)化則需等到2030年左右。

固態(tài)電解質(zhì)是固態(tài)電池的核心，電解質(zhì)材料對(duì)電池的各項(xiàng)性能參數(shù)有著決定性影響，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。目前比較成熟的固態(tài)電解質(zhì)分為三類：聚合物、氧化物、硫化物。從技術(shù)路線上看，三種技術(shù)路線皆有企業(yè)布局，其中歐美企業(yè)偏好聚合物與氧化物體系，而日韓企業(yè)則更多致力于研發(fā)硫化物體系。

聚合物是最早實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池裝車測(cè)試的技術(shù)路線，已實(shí)現(xiàn)小規(guī)模量產(chǎn)，但其離子導(dǎo)電能力率低，有待向高能聚合物電解質(zhì)方向發(fā)展。2011年法國(guó)公司 Bolloré 率先實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池電動(dòng)車的商業(yè)化應(yīng)用，生產(chǎn)出負(fù)極采用金屬鋰、正極采用 LFP、電解質(zhì)采用 PEO 等聚合物薄膜的固態(tài)電池（LMP?），并批量應(yīng)用于自主開(kāi)發(fā)的電動(dòng)汽車 Bluecar 和 Bluebus。聚合物固態(tài)電池的界面相容性好，具備較好的機(jī)械性能和韌性，制備工藝較為簡(jiǎn)單，但其劣勢(shì)在于室溫下離子電導(dǎo)率低，需要加熱到60度高溫才能正常工作，升溫后離子電導(dǎo)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。并且穩(wěn)定性較差，難以匹配適用于高電壓的正極材料，限制能量密度，性能上限不高。

氧化物固態(tài)電池綜合性能較為優(yōu)異，在微型電子、消費(fèi)電子等領(lǐng)域已有應(yīng)用，其研發(fā)成本和難度較低，缺點(diǎn)為界面阻抗嚴(yán)重。相較于聚合物，氧化物的優(yōu)勢(shì)在于離子電導(dǎo)率較高，環(huán)境穩(wěn)定性好，同時(shí)電化學(xué)窗口寬，適用高電壓電極材料。但氧化物為陶瓷材料，存在剛性界面接觸問(wèn)題，造成界面阻抗較大，而且加工難度大，機(jī)械性能差，倍率性能低。

硫化物是三種固態(tài)電解質(zhì)中電導(dǎo)率最高、開(kāi)發(fā)潛力最大的材料，但該技術(shù)路線穩(wěn)定性較差，易氧化問(wèn)題突出，研究難度最高。硫化物電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率可與液態(tài)電解質(zhì)相媲美，電化學(xué)窗口寬，質(zhì)軟易加工，力學(xué)性能較好，受到諸多企業(yè)青睞。但其缺點(diǎn)也很明顯：穩(wěn)定性差，硫化物與水接觸會(huì)產(chǎn)生有毒氣體H?S，對(duì)生產(chǎn)使用環(huán)境要求高；機(jī)械強(qiáng)度較弱；開(kāi)發(fā)難度大；原材料成本高。因此硫化物電池的技術(shù)難度最高，商業(yè)化進(jìn)展也是當(dāng)前三種技術(shù)路線中最慢的。

固-固界面接觸對(duì)電池的倍率性能和循環(huán)性能有較大影響，是固態(tài)電池邁向商業(yè)化途中最大的技術(shù)難題之一。除了高能量密度、高安全性以外，新一代鋰電池對(duì)高倍率性能及長(zhǎng)循環(huán)壽命同樣具有強(qiáng)烈需求。然而由于存在固-固界面問(wèn)題，固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率比液態(tài)電解液低1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)固態(tài)電解質(zhì)和電極之間難以保持長(zhǎng)期穩(wěn)定的接觸，導(dǎo)致電池內(nèi)阻較大。此外，固態(tài)電池的電極在充電時(shí)會(huì)膨脹，放電時(shí)收縮，固-固界面在這個(gè)過(guò)程中可能會(huì)造成電解質(zhì)破裂或分離，對(duì)電池的循環(huán)性能帶來(lái)挑戰(zhàn)。

總體上，單一的電解質(zhì)技術(shù)路線很難解決所有的問(wèn)題，因此很多企業(yè)尋求復(fù)合路線。衛(wèi)藍(lán)新能源基于原位固態(tài)化技術(shù)，采用聚合物和氧化物的復(fù)合技術(shù)路線，可在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn)，并持續(xù)探索優(yōu)化固態(tài)電池技術(shù)方案。衛(wèi)藍(lán)新能源已申請(qǐng)國(guó)家專利400余項(xiàng)，授權(quán)100余項(xiàng)，涉及固態(tài)電池復(fù)合正極、固態(tài)電解質(zhì)、隔膜和負(fù)極等核心材料和技術(shù)，目前已攻克固態(tài)電池界面、安全、能量密度三大核心問(wèn)題，聚焦高能量密度、高安全、高功率、寬溫區(qū)、長(zhǎng)壽命的固態(tài)電池產(chǎn)品，持續(xù)在高端動(dòng)力、儲(chǔ)能等領(lǐng)域推出技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性同步領(lǐng)先的系列產(chǎn)品，率先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。

02 技術(shù)變革重塑鋰電產(chǎn)業(yè)格局，新材料、新技術(shù)進(jìn)入高速發(fā)展階段

1）固態(tài)電池處于商業(yè)化早期，產(chǎn)業(yè)鏈完善需要時(shí)間

固態(tài)電池對(duì)現(xiàn)有液態(tài)電池體系有著較好的兼容性。在材料上，固態(tài)電池與液態(tài)電池的正極材料體系基本相同，同時(shí)由于固態(tài)電解質(zhì)擁有高電化學(xué)窗口，可兼容更高電壓的正極材料，如高鎳層狀氧化物、富鋰錳基、高電壓鎳錳尖晶石型等；負(fù)極可以兼容現(xiàn)有材料體系，也能逐步衍變到克容量更高的硅基負(fù)極以及金屬鋰；隔膜是液態(tài)電池的必備材料，可以隔絕正負(fù)極材料，防止電池短路，當(dāng)前在半固態(tài)鋰電池體系下仍存在，但全固態(tài)時(shí)代下將被逐步替代。

固態(tài)電池的制備也應(yīng)用了一批特有的新材料。例如，在固態(tài)電池中，現(xiàn)有的液態(tài)溶劑會(huì)被完全取代，聚合物固態(tài)電池則需要以 PEO 或類 PEO 聚合物作為固體溶劑，溶質(zhì)則會(huì)被 LiTFSI/LiFSI 或新合成的容易解離的大陰離子基團(tuán)型鋰鹽來(lái)替代。而對(duì)于氧化物/硫化物電池來(lái)說(shuō)，相應(yīng)的固態(tài)電解質(zhì)需要通過(guò)溶膠凝膠法、高溫固相法、高溫?zé)Y(jié)法等來(lái)制備。

在生產(chǎn)工藝方面，不同技術(shù)路線的固態(tài)電池，對(duì)液態(tài)電池的生產(chǎn)工藝兼容性差距較大。聚合物電解質(zhì)的成膜性好，可直接使用液態(tài)電池凝膠涂布法來(lái)制備；氧化物電解質(zhì)因韌性差，電池組裝難度大，需要開(kāi)發(fā)新的特殊工藝；而硫化物則介于兩者之間，其機(jī)械強(qiáng)度適中，電解質(zhì)粉末經(jīng)冷壓即可制備。未來(lái)，固態(tài)電池的技術(shù)發(fā)展還有很大空間，生產(chǎn)工藝亦有可能出現(xiàn)革新，如鋰金屬負(fù)極的應(yīng)用、固態(tài)電解質(zhì)混料與包覆就需要額外的工藝流程。

2）政策引導(dǎo)+企業(yè)積極布局，固態(tài)電池商業(yè)化提速

全球范圍內(nèi)，各國(guó)政府陸續(xù)出臺(tái)政策措施，推動(dòng)固態(tài)電池領(lǐng)域快速發(fā)展。例如，美國(guó)在2021年發(fā)布《鋰電池2021-2030年國(guó)家藍(lán)圖》，并宣布撥款2.09億美元支持相關(guān)技術(shù)研究；歐洲則推出了《電池2030規(guī)劃》及《2030電池創(chuàng)新路線圖》，并批準(zhǔn)了歐洲固態(tài)電池投資專項(xiàng)計(jì)劃，由歐盟多國(guó)共同出資32億歐元用于發(fā)展固態(tài)電池。歐美多國(guó)政府撥款助力固態(tài)電池研發(fā)，科研機(jī)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；日韓企業(yè)則是在保有獨(dú)立研發(fā)團(tuán)隊(duì)的基礎(chǔ)上，大多采用抱團(tuán)研發(fā)的方式，車企、科研機(jī)構(gòu)、電池和材料企業(yè)共同開(kāi)發(fā)固態(tài)電池技術(shù)。

中國(guó)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(lái)越多的企業(yè)參與固態(tài)電池研究。受新能源車的旺盛需求拉動(dòng)，中國(guó)政府也加大了對(duì)固態(tài)電池的前瞻性投入，加速布局。國(guó)內(nèi)車企聯(lián)合電池企業(yè)，新興電動(dòng)車制造商步伐較快，預(yù)計(jì)2023年電動(dòng)汽車有望搭載固態(tài)電池。隨著政策扶持、車企布局、資本涌入，固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程不斷加速，行業(yè)必將進(jìn)入高增長(zhǎng)期。

03固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化提速，新玩家如何前瞻性布局？

全球范圍內(nèi)都在積極推進(jìn)固態(tài)電池的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，固態(tài)電池前景廣闊。隨著固態(tài)電池技術(shù)成熟，將加速其在動(dòng)力電池和儲(chǔ)能電池市場(chǎng)滲透，預(yù)計(jì)2030年全球固態(tài)電池市場(chǎng)將有千億空間。我們認(rèn)為，對(duì)于希望在固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈上搶占市場(chǎng)的企業(yè)而言，技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品矩陣、產(chǎn)業(yè)鏈布局與商業(yè)化應(yīng)用缺一不可。

1)   領(lǐng)先的技術(shù)創(chuàng)新

固態(tài)電池是技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的新型電池路線，在材料和結(jié)構(gòu)層面均有對(duì)于現(xiàn)有傳統(tǒng)液態(tài)電池體系的創(chuàng)新顛覆，并且目前仍然存在固-固界面問(wèn)題等限制產(chǎn)業(yè)化的難點(diǎn)。我們認(rèn)為，優(yōu)秀的固態(tài)電池公司必須具備頂尖科研人才儲(chǔ)備，領(lǐng)先行業(yè)攻克核心難點(diǎn)，并通過(guò)專利布局，構(gòu)建堅(jiān)實(shí)技術(shù)壁壘。

2)   清晰的產(chǎn)品布局

固態(tài)電池具備高安全性、高能量密度、高功率、寬工作溫區(qū)、長(zhǎng)循環(huán)壽命等多維度的性能優(yōu)勢(shì)，不同細(xì)分市場(chǎng)所看重的性能指標(biāo)有所差異，并且各性能之間可能存在此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，需要進(jìn)行平衡設(shè)計(jì)。我們認(rèn)為，如何基于目標(biāo)市場(chǎng)需求分析，布局清晰的梯度化產(chǎn)品矩陣，將是固態(tài)電池企業(yè)在未來(lái)推進(jìn)商業(yè)化時(shí)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

3)   穩(wěn)定的產(chǎn)業(yè)鏈布局

當(dāng)前固態(tài)電池規(guī)模化應(yīng)用的難點(diǎn)之一在于產(chǎn)業(yè)鏈不成熟帶來(lái)的成本高企，核心原材料和設(shè)備與液態(tài)電池存在差異，尚未大規(guī)模生產(chǎn)導(dǎo)致供應(yīng)不確定性。我們認(rèn)為，固態(tài)電池公司應(yīng)當(dāng)與原材料廠商、設(shè)備廠商等產(chǎn)業(yè)方建立深度合作關(guān)系，通過(guò)成立合資公司或簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議的方式，鎖定關(guān)鍵材料和核心設(shè)備，并具有定制化合作開(kāi)發(fā)的能力，保障在持續(xù)擴(kuò)產(chǎn)過(guò)程中的供應(yīng)鏈安全和穩(wěn)定。

4)   明確的商業(yè)化應(yīng)用

現(xiàn)階段固態(tài)電池仍在市場(chǎng)導(dǎo)入期，距離大規(guī)模商業(yè)化仍需數(shù)年時(shí)間，且在獲得確定訂單之前需經(jīng)歷較為漫長(zhǎng)的送樣測(cè)試流程。我們認(rèn)為，固態(tài)電池企業(yè)在推進(jìn)批量生產(chǎn)的同時(shí)，需要積極綁定下游新能源汽車企業(yè)和儲(chǔ)能企業(yè)，驗(yàn)證自身產(chǎn)品與下游需求的匹配性，并鎖定訂單資源，代表性客戶的訂單達(dá)成也有利于形成市場(chǎng)口碑，加速商業(yè)化進(jìn)程搶占市場(chǎng)份額。

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