要聞 光大證券：固態電池有望成為下一代鋰電技術制高點，可關注龍頭企業研發進展 2020年5月11日 13:54:47 光大證券
固態電池有望成為下一代高性能鋰離子電池。固態電池將液態電解質替換為固態電解質，安全性高，大大降低了電池熱失控的風險；固態電池電化學窗口可達5V以上，允許匹配高能正極，電池負極可以採用金屬鋰，提升理論能量密度，有望解決新能源汽車裏程焦慮問題；固態電池可簡化封裝、冷卻系統，電芯內部為串聯結構，在有限空間內進一步縮減電池重量，體積能量密度較液態鋰離子電池可提升70%以上。目前，聚合物固態電解質率先實現應用，但存在高成本和低電導率兩個致命問題；氧化物固態電解質綜合性能好，LiPON薄膜型全固態電池已小批量生產，非薄膜型已嘗試打開消費電子市場；硫化物固態電解質電導率最高，研究難度最高，開發潛力最大，如何保持高穩定性是一大難題。
固態電池領域進入“軍備競賽”階段，各企業期望搶佔先機以贏得市場份額。固態電池領域市場參與者眾多，車企、電池企業、投資機構、科研機構等在資本、技術、人才三方面進行博弈。隨着越來越多的企業加入，固態電池產業化進程不斷加速：中國企業縱向聯合，高校及研究機構科技成果初嘗產業化；歐美多國政府撥款助力固態電池研發，科研機構及固態電池初創企業是主力，各大車企紛紛投資；日本電池領域底藴深厚，企業依靠自身優勢組建研發團隊攻克技術難關，同時車企橫向聯合共同開發電池技術，科研機構、車企、電池和材料企業等多行業抱團共同參與研究；韓國電池企業選擇縱向聯合，共同開發固態電池技術。
固態電池的工藝路線尚不成熟，降本仍需過程，全面產業化預計需要5-10年。2020年3月初，三星高等研究院與三星日本研究中心在《自然-能源》介紹了其在固態電池領域的最新進展，銀碳基全固態電池能夠實現900Wh/L高能量密度、1000圈以上長循環壽命及99.8%極高充放電效率，電池一次充電後可驅動汽車行駛800公里。但生產環境要求苛刻，銀碳層大規模生產所需的貴金屬納米銀成本較高；短期產業化並不現實；目前，各家對固態電池的而研究仍在過程中，簡單將液態電解質替換為固態電解質並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能量密度的跨越。我們認為降本需要：更低的物料價格；穩定完善的供應體系；工藝改進。
投資建議：我們認為，向全固態鋰電池過渡是鋰電技術進步的重要趨勢；目前，全球都在加快固態電池的研發，雖然距離產業化尚需時間，但如電解質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；我們建議持續關注企業與科研單位的創新技術成果的發佈、並持續關注龍頭公司的鋰電產品的研發進展。
風險分析：政策變化影響行業發展的風險；技術路線變更的風險；市場競爭加劇的風險；原材料價格大幅波動的風險。
研究背景
1991年索尼公司推出商業化液態鋰離子電池，隨後液態鋰離子電池進入快速發展階段。由於對更高能量密度和更高安全性電池的追求，各國加緊固態電池的研發，以期搶佔技術的制高點。
雖然實現全固態鋰離子電池產業化尚需時間，但過程中的技術創新仍將會給鋰電產業持續注入新動力，我們通過本篇報告全面梳理固態電池的技術、研發進展情況，希望可以給投資者建立相對完整的分析問題的框架。
我們的創新之處
全面分析了固態電池的性能優勢及未來實現產業化待突破的技術困難；
全面梳理中國、歐美、日韓對固態電池的支持政策以及研發進展；
構建了液態鋰離子電池LIB、LIB，固態電池基於石墨負極的硫化物ASSB、基於鋰負極的硫化物ASSB的成本分析，並分析了未來降本路線。
投資觀點
目前全球都加快固態電池的研究，但實現產業化尚需時間，我們認為，在向全固態電池過渡的的過程中，應持續關注科研創新技術的發佈及龍頭公司的研發進展，以及可率先在對成本不十分敏感的消費鋰電領域的應用。
技術革新無休止，攻堅固態電池是關鍵
1.1、固態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，其發展實際上是基於上世紀70年後一系列的創新理念和關鍵發現。
對於固態電解質鋰離子電池的理論研究可以追溯到1972年在Belgirate召開的北約“固體中的快速離子輸運”會議上，Steele 討論了合適的固態電解質的基本標準，並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應用於以固態β-氧化鋁為電解質的三元石墨正極中的Na 擴散，這是關於固態電池的第一份報道。
在科研過程中，實際上對於正負材料、電解質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，為後續研究打下堅實的基礎。
1978年，Armand提出開創性的固態聚合物固態電池的概念；同時他的研究重心轉移至對石墨作為嵌入負極適用性的研究；在1979-1980年，Goodenough等發現了層狀氧化物-鈷酸鋰，GoOrdulet等發現另一種錳酸鋰正極材料。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。
1991年索尼公司推出商業化液態鋰離子電池，隨後液態鋰離子電池進入快速發展階段。由於對更高能量密度和更高安全性電池的追求，固態電池重新引起了人們的關注。20世紀90年代，Armand先後提出Li 遷移原理、鋰負極保護等理論，固態電池不斷得到改進，2011年Bollore集團首次使用裝載固態電池的電動汽車，證明了固態電池應用的可行性。
動力電池市場是鋰電的重要應用領域，對長續航動力電池的追求不斷推動鋰電市場發展。在全球範圍內，汽車電動化的趨勢已不可避免，而新能源車近幾年在我國快速發展，也將逐步成為我國未來重要的支柱產業，為鋰電池的發展提供了重要的基礎。此外，對長續航、高安全性動力電池的追求將推動研發的持續投入和技術的不斷革新。
固態電池或將被上升至國家戰略層面，核心技術研發進程將加速。2019年12月，工信部發布《新能源汽車產業發展規劃》，在“實施電池技術突破行動”中，加快固態動力電池技術研發及產業化被列為“新能源汽車核心技術攻關工程”。
鋰電池理論能量密度主要取決於正負極材料克容量和工作電壓。
正負極之間電勢差越大，工作電壓越高，電池能量密度越高。目前基於液態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。
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。
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，耐低温性能差，目前比亞迪採用刀片電池改進；三元電池能量密度高，耐低温，但存在安全性差，成本高的缺點。由於對能量和續航的更高要求，在小型乘用車領域，目前三元電池已佔據過半市場份額，但三元電池帶來的安全隱患不容忽視。
與液態鋰離子電池不同，固態電池中的固態電解質替代了液態鋰離子電池的液態電解質、隔膜。固態電池潛力巨大，有希望獲得安全性更高、單體能量密度更高和壽命更長的動力電池。
固態電池的技術發展採用逐步顛覆策略，液態電解質含量逐步下降，全固態電池是最終形態。依據電解質分類，鋰電池可分為液態、半固態、準固態和全固態四大類，其中半固態、準固態和全固態三種統稱為固態電池。固態電池的迭代過程中，液態電解質含量將從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，電池工作温度範圍擴大三倍以上。預計在2025年前後，半固態電池可以實現量產，2030年前後實現全固態電池的商業化應用。
聚合物固態電解質率先實現應用，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電解質是聚環氧乙烷電解質及其衍生材料。2011年法國Bollore公司推出固態電池為動力系統的電動車，聚合物固態電池率先實現商業化。聚合物電解質在室温下導電率低，能量上限不高，升温後離子電導率大幅提高但既消耗能量又增加成本，增大了商業化的難度。
氧化物固態電解質綜合性能好，LiPON薄膜型全固態電池已小批量生產，非薄膜型已嘗試打開消費電子市場。LLZO型富鋰電解質室温離子導電率為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電解質材料之一，制約其發展的重要因素是電解質和電極之間界面阻抗較大，界面反應造成電池容量衰減。
硫化物固態電解質電導率最高，研究難度最高，開發潛力最大，如何保持高穩定性是一大難題。LGPS電解質的離子電導率高達1.2x10-2 S/cm，可與液態電解質相媲美。雖然硫化物電解質與鋰電極的界面穩定性較差，但由於離子電導率極高、電化學穩定窗口較寬，受到了眾多企業的青睞，尤其是日韓企業投入了大量資金進行研究。
提高界面相容性和穩定性
構建良好的界面接觸是提高固態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，在循環過程中發生元素互擴散及形成空間電荷層等現象，影響電池性能。晶態電解質中存在大量晶界，高晶界電阻不利於鋰離子在正負極間的傳輸。
電極/固態電解質界面
1） 電極/無機固態電解質界面
有效抑制固態電解質中空間電荷層的出現、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/無機固態電解質界面對電池容量和高倍率性能有重大影響，界面穩定性是影響固態鋰電池電化學性能的關鍵因素之一。
政府扶持、企業角逐，固態電池商業化提速
2.1、政府引導，推動固態電池領域快速發展
各國政府近年來陸續出台政策措施，扶持新能源汽車行業發展。電動車的發展主要受政策和補貼驅動，各國出台的電動車鼓勵措施涵蓋了生產、購置、使用、基礎設施、產業化支持等多個環節。
多個國家明確固態電池發展目標和產業技術規劃，現階段發展之路明晰，2020-2025年着力提升電池能量密度並向固態電池轉變，2030年研發出可商業化使用的全固態電池。美國能源部的部署着重於電池正負極材料的革新、電芯優化和降低成本或者解脱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、降低技術發展的不確定性，汽車技術沒有集中在某一領域；中國着力於固態電解質的研發，2020年或將固態電池研發上升至國家戰略層面，加快固態電池發展。
日韓企業抱團研發，豐田計劃2022年實現搭載固態電池的電動汽車量產。由於意識到固態電池潛力巨大，日本很早就開始進行研發，目前全球範圍內日本企業的固態電池技術較為領先。韓國技術領先的三大電池企業也選擇聯合研發固態電池。可以看出，日韓無論是電池企業還是車企，在保有獨立研發團隊的基礎上，在固態電池的研發方面大多采用“抱團取暖”方式。
歐洲謀求固態電池領域翻盤，歐美各大車企投資固態電池初創企業。2019年初，歐洲最大的應用科學研究機構德國弗勞恩霍夫硅酸鹽研究所和瑞士聯邦材料測試和研究實驗室合作固態電池戰略性項目“IE48”。車企通過收購、投資在固態電池領域中美國高校衍生的初創企業如Solid Power、Solid Energy Systems、Ionic Materials 、Quantum Scape等以獲得技術儲備。考慮到投資風險過大，博世2018年出售SEEO，取消電池生產並剝離相應資產。
固態電池領域進入“軍備競賽”階段，各企業期望搶佔先機以贏得市場份額。固態電池領域市場參與者眾多，車企、電池企業、投資機構、科研機構等在資本、技術、人才三方面進行博弈。隨着越來越多的企業加入，固態電池產業化進程不斷加速，按照目前的發展情況，2021-2025年固態電池將實現初步應用。
中國企業縱向聯合，高校及研究機構科技成果初嘗產業化。
歐美多國政府撥款助力固態電池研發，科研機構及固態電池初創企業是主力，各大車企紛紛投資。
日本電池領域底藴深厚，企業依靠自身優勢組建研發團隊攻克技術難關，同時車企橫向聯合共同開發電池技術，科研機構、車企、電池和材料企業等多行業抱團共同參與研究。
韓國電池企業選擇縱向聯合，共同開發固態電池技術。
三星袋式電池製備採用雙電芯結構。兩片負極在雙面塗布的NMC正極兩側放置，NMC正極、銀碳複合層、固態電解質圍繞鋁集流器對稱放置，鋁塑膜軟包後，電池尺寸6.7x11.2cm2，電芯容量0.6Ah。
技術不成熟、生產條件受限，固態電池量產對於三星產業化而言仍有難點。硫化物固態電解質對生產環境要求苛刻，需隔絕水和氧氣；銀碳層大規模生產所需的貴金屬納米銀成本較高。
發表論文的SAIT和SRJ均為科研機構而非主攻工藝的三星SDI，文章僅闡明瞭新電池的原理、結構和性能，初步判斷該電池仍處於實驗室階段，短時間內難以量產。
3.2、固態電池的工藝路線尚不成熟，產業化仍需時間
各類型固態電池的電芯封裝技術大同小異，差別主要體現在電極和電解質的製備工藝。全固態鋰電池根據電池形態可以分成薄膜型和大容量型兩大類。
大容量全固態電池適合規模化生產的技術路線仍在研究中，塗布法最為常見，預計2025年固態電池可規模化生產，2030年全固態電池實現商業化應用。
製備氧化物電解質時，塗布後需燒結以提高緻密度，但高温燒結消耗大量能源並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温度；
硫化物電解質製備不需燒結步驟，適合採用塗布法生產。但電池界面接觸差，通過塗布 多次熱壓、添加緩衝層可適當改善界面性能；
聚合物固態電池可採用卷對卷生產方式，技術相對成熟，成本低廉，法國Bolloré公司已在2011年實現小規模量產；
鋰箔要求厚度在50μm以下，壓延次數越多，厚度越小，難度越大，成本越高；
固態電池電芯裝配無需注液步驟，簡化了生產過程。
固態電池的生產可組合傳統鋰離子電池產業鏈。與傳統鋰離子電池相比，固態電池電芯製備不存在革命性創新，只是電極和電解質製造環境要求更高，需要在惰性氣體保護下或在乾燥間內進行，這與製造超級電容器、鋰離子電容器等空氣敏感儲能器件的生產環境相似。
固態電池產業化的實現取決於電池技術和工藝的突破。一旦電池體系、電極與電解質相匹配的工藝確定，可以較快實現產業化。
3.3、固態電池的成本拆分以及未來的降本路徑
固態電池要想與傳統液態鋰離子電池一較高下，電池降本至關重要。近兩年內固態電池生產線迎來一輪不小的投產潮，清陶、衞藍新能源、輝能科技等企業將建固態電池生產線，雖然目前各企業均未公佈固態電池成本，但此前已有預測固態電池成本遠高於鋰離子電池，未來固態電池若想實現產業化，降本則成必然。為定量研究固態電池成本，參考Joscha Schnell的文獻，依據研究成果、專家訪談和供應商報價，結合電池性能和成本，設定具體的參數，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環節。電芯成本包括材料成本和加工成本。
電池設計
材料層面
常見的電池體系包括NCA、NCM、LFP等，四類電池均採用NCM811體系。正極材料的參數和假設：
1）正極比容量5.64mAhcm2；
2）活性材料/粘結劑/導電劑質量比例94：3：3，剩餘30%為液態或固態電解質，液態鋰離子電池LIB的孔隙率30%。
隔膜/集電器/電解質的參數和假設：
1）負極為15μm鋁集電器，負極為10μm銅集電器，隔膜厚度20μm；
2） LIB採用LiPF6 EC DMC液態電解質，SLIB和SLMB採用LPS固態電解質。
物料成本
電芯主要由正極材料、負極材料、隔膜、電解質、集電器、殼體等組成。
生產工序
對於帶有液態電解質的LIB，可以在正常環境中進行石墨和硅碳負極的生產，而NMC 811陰極對濕度敏感，正極生產和電池組裝需要在乾燥室內進行。鋰負極的製造需要乾燥的氣氛以避免鋰降解或自燃。由於涉及形成有毒的H2S的風險，涉及硫化物電解質的所有工藝步驟都將需要使用惰性氣體外殼。
簡單將液態電解質替換為固態電解質並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能量密度的跨越。
固態電池SLIB總成本最高，達158.8＄/kWh。這是由於固態電池材料成本高昂，比LIB高約34%，同時加工工藝複雜共同造成的。
固態電池SLMB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，因此電池總成本低於液態鋰離子電池，但依然存在技術問題。
我們認為，雖然固態電池SLMB理論總成本最低，但仍存在技術難題，阻礙產業化進程。首先，採用鋰負極的固態電池如何保持界面的良好接觸、循環過程中保持穩定的問題還未解決。其次，商業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，但鋰化學性質活潑，壓延次數越多對技術的要求也越高，要想穩定供應符合要求的鋰箔並不容易。
降本路徑
根據建立的成本模型，固態電池成本下降主要依賴：
更低的物料價格；
穩定完善的供應體系；
工藝改進。
目前市場還沒有固態電解質產品，如果技術問題得到解決，硫化物固態電解質降本至約50＄/kg後價格將優於鋰離子電池。採用雙極堆疊法封裝電池，當生產成本從100＄/kg降至10＄/kg，硫化物固態電池SLMB製造成本從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，氧化物固態電池仍不具價格競爭力，但氧化物固態電池在保證高能量密度的同時安全性優於硫化物固態電池，可以犧牲一部分成本。氧化物固態電池SLMB製造成本從267＄/kg到123＄/kg，成本降幅超過50%，但即使材料成本降低10倍，氧化物固態電池SLMB成本仍不及液態鋰離子電池LIB，其優勢在於保證高能量密度的同時，安全性優於硫化物固態電池SLMB。
電芯stack工藝改進，雙極堆疊法生產的硫化物固態電池，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。雙極堆疊法能節省電池空間，同一電池內填放電芯數更多，基本的固態電池SLMB電池包含141個串聯的電芯，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%。
雙極堆疊法生產氧化物固態電池價格高昂，降低電解質成本、改進燒結工藝是解決之道。氧化物固態電池成本高昂是由於各成分體積分數一定的情況下，氧化物電解質密度大，正極和隔膜中質量佔比大，材料成本高，同時氧化物電解質需高温燒結，加工成本較高，導致總成本明顯高於硫化物固態電池。
投資建議
我們認為，向全固態鋰電池過渡是鋰電技術進步的重要趨勢；目前，全球都在加快固態電池的研發，雖然距離產業化尚需時間，但如電解質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；我們建議持續關注企業與科研單位的創新技術成果的發佈、並持續關注龍頭公司的鋰電產品的研發進展。
風險分析
政策變化影響行業發展的風險：新能源汽車行業的發展仍屬於早期階段，政策會對行業產生較大影響，若監管部門發佈相關政策，可能會衝擊行業發展。
技術路線變更的風險：技術進步是新能源汽車行業發展的驅動力之一，新產品的產業化可能會對上一代產品產生衝擊，進而替代原有的技術路線。
市場競爭加劇的風險：新能源汽車行業擁有很大發展空間，有大量企業參與競爭，行業產能可能在短期內超過需求，從而出現產能過剩的風險。
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生預期之外的變動。