本文系基于公開資料撰寫，僅作為信息交流之用，不構(gòu)成任何投資建議。

過去幾年，動(dòng)力鋰電池的技術(shù)突飛猛進(jìn)，但安全隱患和里程焦慮仍然是其難以擺脫的"魔咒"。和此同時(shí)，固態(tài)電池在爭(zhēng)論和質(zhì)疑聲中成為行業(yè)新寵，隨著各路巨頭的入場(chǎng)，固態(tài)電池的未來也漸漸明朗。

今年一月9號(hào)，蔚來（NYSE：NIO）其NIODay上高調(diào)公布能量密度達(dá)360Wh／kg的150kWh固態(tài)電池包，搭載該電池包的蔚來ET7轎車?yán)m(xù)航將超過1000km，讓人眼前一亮。

蔚來的熱度還沒消退，大眾集團(tuán)在其三月15號(hào)的PowerDay上，表示未來將著力發(fā)展固態(tài)電池技術(shù)，而大眾直接更簡(jiǎn)單粗暴地扔出目標(biāo)：預(yù)計(jì)2025年開始使用固態(tài)電池。

在四月份，不甘落后的寶馬集團(tuán)也給出了固態(tài)電池的規(guī)劃：計(jì)劃在2025年前推出搭載固態(tài)電池的原型車，并在2030年前實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

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不單單是車企，動(dòng)力鋰電池巨頭們也在不約而同的布局固態(tài)電池：CATL投資33億建設(shè)21C創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，用于金屬鋰電池、全固態(tài)電池等下一代電池研發(fā)；LG化學(xué)表示將在2025年至2027年間實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池商業(yè)化；松下計(jì)劃在2025年推出一款使用固態(tài)電池的電動(dòng)汽車。

一時(shí)間，固態(tài)電池成了產(chǎn)業(yè)巨頭的隱形戰(zhàn)場(chǎng)。固態(tài)電池為何有這么大的吸引力，當(dāng)前的發(fā)展進(jìn)度又是如何？

01

固態(tài)電池成為巨頭必爭(zhēng)之高地

【1】何謂固態(tài)電池？

無人船智能鋰電池

IP67防水，充放電分口 安全可靠

標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無人設(shè)備

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固態(tài)電池聽著玄乎，用傳統(tǒng)的液態(tài)鋰電池來理解也就簡(jiǎn)單了，因?yàn)樗鼈兊墓ぷ髟硎窍嗤?。傳統(tǒng)的液態(tài)鋰電池也被科學(xué)家們形象地稱為"搖椅式電池"。搖椅的兩端為電池的正負(fù)兩極，中間為液態(tài)電解質(zhì)和隔膜，而鋰離子就好比"運(yùn)動(dòng)員"，運(yùn)動(dòng)員在搖椅的兩端來回奔跑，電池的充放電過程便完成了。

到了固態(tài)電池上，"運(yùn)動(dòng)員"還是在正負(fù)極兩端來回奔跑，差別在于運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所從液態(tài)電解質(zhì)換成了固態(tài)的電解質(zhì)。另外固態(tài)電解質(zhì)還擔(dān)當(dāng)了分隔正負(fù)極的角色，也就是起到了隔膜的用途，所以說固態(tài)電池不再要隔膜。

單從組成結(jié)構(gòu)上看，固態(tài)電池更簡(jiǎn)單。

圖1：固態(tài)電池和液態(tài)鋰電池的差別，資料來源：網(wǎng)絡(luò)

再講固態(tài)電池的分類，固態(tài)電池按照其電解質(zhì)的不同分為聚合物、氧化物和硫化物三種路線，這部分將在下文詳細(xì)解析。

圖2：固態(tài)電解質(zhì)重要類型，資料來源：天風(fēng)證券

【2】固態(tài)電池VS液態(tài)鋰電池

固態(tài)電池相比液態(tài)電池，優(yōu)勢(shì)重要體現(xiàn)在安全性和能量密度。

先說關(guān)注度最高的的安全問題。如今電動(dòng)汽車的發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，電動(dòng)汽車的銷量也屢創(chuàng)新高，但是電池的安全隱患一直是懸在電動(dòng)汽車頭上的"達(dá)摩克利斯之劍"。比如去年威馬汽車在一個(gè)多月內(nèi)發(fā)生四次自燃事故，一度引發(fā)了大家對(duì)電動(dòng)汽車未來的擔(dān)憂。

實(shí)際上電動(dòng)汽車的安全隱患，要算在液態(tài)鋰電池頭上。一旦電池受到擠壓、沖擊，就會(huì)導(dǎo)致隔膜破裂，造成正負(fù)極短路，同時(shí)鋰電池內(nèi)部出現(xiàn)大量熱量，加上液態(tài)電解質(zhì)里易燃的有機(jī)溶劑，結(jié)果就是電池起火甚至爆炸。

一直以來車企和動(dòng)力鋰電池公司都在竭盡全力的提升電池安全性能。比如在電解液中添加阻燃劑；優(yōu)化BMS熱管理系統(tǒng)；采用高強(qiáng)度、耐高溫的電池隔膜，可惜治標(biāo)不治本。

但固態(tài)電池是有望徹底解決安全問題的。首先，固態(tài)電池的正負(fù)極不容易發(fā)生短路現(xiàn)象。其次，固態(tài)電解質(zhì)不僅不可燃、不揮發(fā)甚至還能耐高溫，電池在遇到同樣極端情況下不會(huì)發(fā)生起火、爆炸。

再來說說電池的能量密度，也就是里程焦慮問題。雖然主流電動(dòng)汽車的續(xù)航里程都能達(dá)到500km以上，高端車型甚至超700km。但實(shí)際使用過程中，這個(gè)續(xù)航是要打個(gè)折扣的（即所謂的工況里程），并且，跟燃油車不同的是，大多數(shù)電動(dòng)汽車車主不會(huì)把車開到電量剩余10％的時(shí)候去充電。

解決里程焦慮基本只能靠堆電池的能量密度。根據(jù)《節(jié)能和新能源汽車技術(shù)路線圖》，2025年動(dòng)力鋰電池的能量密度目標(biāo)為400Wh／kg，2030年目標(biāo)為500Wh／kg。想達(dá)到2030年的目標(biāo)，現(xiàn)有液態(tài)鋰電池技術(shù)路線恐難擔(dān)大任，光是350Wh／kg的能量密度天花板就很難打破，但是固態(tài)電池能量密度能輕松超越350Wh／kg。

圖3：當(dāng)前液態(tài)鋰電池能夠達(dá)到的能量密度水平，資料來源：第一電動(dòng)，申萬宏源

要提前說明的是，電池的能量密度取決于正負(fù)極材料。假如單純把液體電解質(zhì)更換為固體電解質(zhì)，假如不改變現(xiàn)有的正負(fù)極材料，結(jié)果僅能提高電池安全性，無法提升電池能量密度。所以固態(tài)電池還需配套正負(fù)極材料的革新。

講到正極材料，現(xiàn)在的動(dòng)力鋰電池公司都在往高鎳化發(fā)展。從三元5系到三元8系，鎳含量變高，但是電池活性越強(qiáng)，電池內(nèi)部自然會(huì)越不穩(wěn)定，上文提到的安全問題就更加突出。雖然目前三元8系的能量密度高，但沒有大范圍使用，主機(jī)廠裝機(jī)主流還是使用5系動(dòng)力鋰電池。其中還有成本的因素，這里不展開討論。

得益于固態(tài)電池的高安全性，固態(tài)電池的正極不用止步于8系材料，甚至可以干到9系（超高鎳），正極環(huán)節(jié)的能量密度可達(dá)到700Wh／kg，將會(huì)有質(zhì)的飛躍。

再看負(fù)極材料。實(shí)際上，負(fù)極材料的升級(jí)路線在業(yè)內(nèi)已經(jīng)有了共識(shí)，就是從現(xiàn)在的石墨負(fù)極升級(jí)到鋰金屬負(fù)極。在現(xiàn)有已知的負(fù)極材料中，鋰金屬負(fù)極能達(dá)到的能量密度是最高的，其克容量是目前液態(tài)鋰電池中石墨負(fù)極的10倍以上。

問題來了，鋰金屬負(fù)極既然這么好，為何現(xiàn)有的動(dòng)力鋰電池不用它？癥結(jié)還是在液態(tài)電解質(zhì)，鋰金屬負(fù)極在液態(tài)電解質(zhì)中基本是無法穩(wěn)定存在的，兩者會(huì)發(fā)生劇烈反應(yīng)，可謂"水火不容"。但是在固態(tài)電池中，它們是可以和諧共處的。

一言以蔽之，正是固態(tài)電池讓新型正負(fù)極材料有了大展拳腳的空間。

另外值得補(bǔ)充說明的是，液態(tài)鋰電池往往要先將單體電芯封裝完成后先并聯(lián)再串聯(lián)，若想省流程直接串聯(lián)，則會(huì)導(dǎo)致正負(fù)極短路。而固態(tài)電池由于內(nèi)部不含液體，不存在短路的問題，可直接串聯(lián)組裝。還有，液態(tài)鋰電池是要冷卻系統(tǒng)來防止其使用過程中溫度過高。關(guān)于固態(tài)電池，因?yàn)槠涓甙踩?，可?jiǎn)化甚至不要冷卻系統(tǒng)。所以，固態(tài)電池的實(shí)際量產(chǎn)過程中，其成組成本會(huì)更低，整個(gè)生產(chǎn)流程更簡(jiǎn)單。

圖4：液態(tài)鋰電池和固態(tài)電池制備工藝比較，資料來源：光大證券

和其說固態(tài)電池是"顛覆"液態(tài)鋰電池，倒不如說固態(tài)電池是液態(tài)鋰電池的升級(jí)版究極體。

【3】瑕瑜互見，長短并存

既然固態(tài)電池這么好，為何車企不趕緊"升級(jí)"，還是用的傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池？究其原因，用固態(tài)電解質(zhì)取代液態(tài)電解質(zhì)，解決了部分問題的同時(shí)，也帶來新的煩惱。在固態(tài)電池正是量產(chǎn)之前，還有幾個(gè)關(guān)鍵問題亟待攻克。

第一，是固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率偏低。所謂離子電導(dǎo)率指的是鋰離子在電解質(zhì)內(nèi)移動(dòng)的順暢情況。

固態(tài)電池的電導(dǎo)率普遍低于液態(tài)離子電導(dǎo)率，比如聚合物電解質(zhì)，其離子電導(dǎo)率甚至比液態(tài)離子電導(dǎo)率差了多個(gè)數(shù)量級(jí)。相當(dāng)于"運(yùn)動(dòng)員"來奔跑的阻力變大，速度跟之前比起來，慢了不少，甚至阻力太大，有點(diǎn)跑不動(dòng)了。

圖5：固態(tài)電解質(zhì)和液態(tài)電解質(zhì)的電導(dǎo)率比較，資料來源：錦緞研究院整理

第二，固體電解質(zhì)和電極間的界面阻抗較大。

傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)和正負(fù)極之間是固液接觸，界面潤濕性良好，可以說是"嚴(yán)絲合縫"，界面之間不會(huì)出現(xiàn)大的阻抗。但是固態(tài)電解質(zhì)和正負(fù)極是固固接觸，接觸效果差了一大截，所以鋰離子在界面之間的傳輸阻力更大。這就好比"運(yùn)動(dòng)員"以前在平坦的跑道上面奔跑，現(xiàn)在換成坑坑洼洼的泥巴路跑，自然無法發(fā)揮真實(shí)水平。

因?yàn)楣虘B(tài)電池的低電導(dǎo)率和高界面阻抗，讓鋰離子在電池內(nèi)部傳輸效率過低，影響了電池的快充能力和循環(huán)壽命，同時(shí)也無法讓電池的容量正常釋放。

圖6：固態(tài)電池和液態(tài)電池的界面接觸效果圖，資料來源：錦緞研究院整理

很多公司考慮到現(xiàn)有的技術(shù)水平，想一步到位實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池還是比較困難，退而求其次采取從半固態(tài)、準(zhǔn)固態(tài)、到全固態(tài)的"三步走"路線。文章開篇提到的蔚來固態(tài)電池，實(shí)際上就是半固態(tài)電池。

圖7：固態(tài)電池"三步走"路線圖，資料來源：光大證券

第三點(diǎn)，成本高企。

氧化物和硫化物電解質(zhì)，屬于多孔隙的陶瓷材料，材料的特點(diǎn)就是脆，想要加工成很薄的電解質(zhì)就很困難，稍有不慎就斷了。即使能加工，現(xiàn)有的工藝水平和設(shè)備能力，成品的良率也好不到哪去。

并且固態(tài)電池離量產(chǎn)還有距離，更不談配套的產(chǎn)業(yè)鏈。傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池在過去的幾年為何能持續(xù)降本，很大一部分原因是產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同。當(dāng)前，固態(tài)電池的成本還是居高不下。

02

各路玩家入局，量產(chǎn)尚在遠(yuǎn)期

固態(tài)電池的技術(shù)瓶頸還沒突破，產(chǎn)業(yè)化還要面對(duì)諸多問題，但絲毫不影響各路玩家蜂擁而入的熱情。

關(guān)于車企而言，其出發(fā)點(diǎn)要復(fù)雜得多。首先，可以確定的是，電動(dòng)汽車是汽車的未來，傳統(tǒng)車企都在迫不及待的轉(zhuǎn)型。電池是電動(dòng)汽車的核心，車企自然希望掌握在自己手上，車企已經(jīng)被動(dòng)力鋰電池公司"卡脖子"已久，怎么甘愿再次受制于人。固態(tài)電池就是奪回主動(dòng)權(quán)的大好機(jī)會(huì)，這也是為何大眾、豐田這些燃油車巨頭布局固態(tài)電池。

關(guān)于動(dòng)力鋰電池公司而言，一方面，固態(tài)電池可以解決其長期困擾的安全和能量密度問題，誘惑力巨大。毫不夸張的說，未來誰先掌握了固態(tài)電池技術(shù)，誰就可以指點(diǎn)江山。所以，不僅僅是CATL、LG，像比亞迪、國軒高科等二線電池公司，都不約而同的布局固態(tài)電池。另一方面，在現(xiàn)有的液態(tài)鋰電池路線下，國內(nèi)的二線電池公司一直被CATL打壓。即使有"刀片電池"在手的比亞迪，也難以撼動(dòng)CATL的地位。在固態(tài)電池上，大家有了站在同一起跑線的機(jī)會(huì)。

縱觀全球的參和者，不同公司"信仰"不同的固態(tài)電解質(zhì)路線：國內(nèi)公司以氧化物路線為主，歐美公司偏好聚合物路線，而日韓公司則更熱衷于硫化物體系。

圖8：全球固態(tài)電池重點(diǎn)公司總覽，資料來源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院

【1】聚合物派系

聚合物電解質(zhì)路線是最早實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的固態(tài)電池路線。

早在2011年法國Bollore公司推出采用聚合物電解質(zhì)的固態(tài)電池，可惜該固態(tài)電池在室溫下離子電導(dǎo)率實(shí)在太低，要額外給電池配備加熱器，并且能量密度只能做到100Wh／kg，基本上不具備商業(yè)價(jià)值。

由于聚合物電解質(zhì)的低電導(dǎo)率問題一直難以解決，主流的固態(tài)電池公司仍然以氧化物電解質(zhì)和硫化物電解質(zhì)路線為主。

【2】氧化物派系

氧化物派系的綜合性能是三種固態(tài)電解質(zhì)路線中最好的，比較有代表性的是江蘇清陶、輝能和國外的QuantumScape公司。

江蘇清陶屬于典型的初創(chuàng)公司，成立于2016年。相比動(dòng)力鋰電池公司，沒有技術(shù)包袱，進(jìn)展倒也順利。清陶已在2018年十一月建成全國首條可量產(chǎn)固態(tài)鋰電池產(chǎn)線，并正式應(yīng)用于特種電源、高端數(shù)碼等領(lǐng)域。去年，搭載清陶固態(tài)動(dòng)力鋰電池的新能源樣車在北汽成功下線試行，同時(shí)清陶的一期1GWh固態(tài)動(dòng)力鋰電池項(xiàng)目已正式投產(chǎn)。

相比清陶，輝能對(duì)固態(tài)電池的未來規(guī)劃更加明確。2013年，輝能實(shí)現(xiàn)了固態(tài)鋰電池在消費(fèi)鋰電的商業(yè)化量產(chǎn)。2019年，輝能和蔚來合作，為其定制生產(chǎn)"MAB"固態(tài)電池包（半固態(tài)）。根據(jù)其規(guī)劃，2021年半固態(tài)鋰電池達(dá)到1GWh的產(chǎn)量，2024年達(dá)到全固態(tài)電池量產(chǎn)。

外圍選手贛鋒鋰電，雖然是鋰材料公司，卻也在固態(tài)電池上面做了不少布局。根據(jù)2020年報(bào)披露的信息，贛鋒鋰電已投資建成了第一代和第二代固態(tài)鋰電池研發(fā)中試生產(chǎn)線，不過都還是屬于混合固液電解質(zhì)階段，能量密度還無法超過300Wh／kg。贛鋒鋰電已在布局第三代基于金屬鋰負(fù)極的固態(tài)鋰電池，未來能量密度將超過400Wh／kg。

最后講到QuantumScape，這家被大眾集團(tuán)重點(diǎn)投資的公司，去年十一月通過SPAC方式上市，是業(yè)內(nèi)唯一一家以固態(tài)電池為主業(yè)的上市公司。

根據(jù)其官網(wǎng)公布的信息，QuantumScape已經(jīng)在技術(shù)上突破固態(tài)電池離子電導(dǎo)率過低的瓶頸，快充速度甚至超過傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池，快充15分鐘實(shí)現(xiàn)充電80％，同時(shí)在能量密度、循環(huán)壽命、安全性方面，都顯著優(yōu)于現(xiàn)有的液態(tài)鋰電池。

不過其展示的僅僅是單體疊片的測(cè)試結(jié)果，并非是裝到汽車上的效果。說到底，這還是實(shí)驗(yàn)室的產(chǎn)物，離量產(chǎn)還是有差距的。根據(jù)QuantumScape在招股書中說明，公司將于2024年建立1GWh試生產(chǎn)線，并通過在大眾汽車上搭載測(cè)試，以此來實(shí)現(xiàn)其固態(tài)電池的商業(yè)化量產(chǎn)。

圖9：QuantumScape公司的固態(tài)電池快充性能，資料來源：QuantumScape官網(wǎng)

【3】硫化物派系

硫化物電解質(zhì)其實(shí)是由氧化物電解質(zhì)衍生出來的，考慮到氧化物電解質(zhì)的電導(dǎo)率較低，科學(xué)家們就把氧化物電解質(zhì)中的氧元素用硫元素取代。因?yàn)榱蛟氐碾娯?fù)性比氧元素要小，對(duì)鋰離子的束縛要小，有利于得到更多自由移動(dòng)的鋰離子。簡(jiǎn)單說就是硫化物電解質(zhì)有更高的離子電導(dǎo)率，可以達(dá)到接近液態(tài)鋰電池體系下的水準(zhǔn)。

但是硫化物電解質(zhì)解決了離子電導(dǎo)率問題，同時(shí)也帶了另外的難點(diǎn)，由于硫化物電解質(zhì)對(duì)空氣敏感，極容易發(fā)生不良反應(yīng)，所以硫化物電解質(zhì)的生產(chǎn)對(duì)環(huán)境要求苛刻，對(duì)設(shè)備可是一大考驗(yàn)，結(jié)果就是生產(chǎn)成本奇高。

硫化物路線中進(jìn)度最快的要算日本的豐田。

目前，豐田在固態(tài)電池領(lǐng)域擁有超過1000項(xiàng)專利，位居全球第一。去年七月份，豐田汽車電池業(yè)務(wù)總經(jīng)理曾透露，豐田已經(jīng)按計(jì)劃成功制造了固態(tài)電池，并且已經(jīng)安裝到了概念車上，預(yù)計(jì)2025年正式量產(chǎn)。

最后值得講下國內(nèi)的CATL。早在2016年，CATL就宣布在硫化物固態(tài)電池上的研發(fā)路徑。但是有關(guān)其固態(tài)電池的信息一直處于保密狀態(tài)，公開信息相當(dāng)少，直到今年一月份，方才主動(dòng)公開"一種固態(tài)電解質(zhì)的制備方法"和"一種硫化物固態(tài)電解質(zhì)片及其制備方法"兩種固態(tài)電池相關(guān)專利，從專利摘要顯示，上述專利旨在提高固態(tài)電解質(zhì)的電導(dǎo)率和降低固固界面的阻抗，也就是前文中提到的固態(tài)電池短板問題。

CATL一直未透露固態(tài)電池的量產(chǎn)時(shí)間。過去的一年，CATL在動(dòng)力鋰電池產(chǎn)量上瘋狂加碼，已公布的長期規(guī)劃總產(chǎn)量接近500GWh，部分產(chǎn)量已經(jīng)排到2025年之后。從這點(diǎn)推測(cè)，寧德的固態(tài)電池同樣在短時(shí)間內(nèi)不是量產(chǎn)的重點(diǎn)。

圖10：CATL有關(guān)固態(tài)電池的公開專利，資料來源：企查查

03

未完待續(xù)的結(jié)尾

不可否認(rèn)，動(dòng)力鋰電池的技術(shù)日新月異，對(duì)電動(dòng)汽車的發(fā)展可謂功不可沒。伴隨著新能源汽車的滲透率不斷提升，市場(chǎng)關(guān)于動(dòng)力鋰電池的要求越來越高，有著明顯短板的傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池已經(jīng)很難適應(yīng)未來的節(jié)奏。

作為業(yè)內(nèi)公認(rèn)的下一代電池路線，固態(tài)電池可以完美解決傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池的缺點(diǎn)，國內(nèi)外的公司都對(duì)其寄予厚望，紛紛加快固態(tài)電池的研發(fā)速度，希望搶占市場(chǎng)先機(jī)。

如今固態(tài)電池已經(jīng)有了不少實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，但是技術(shù)和成本仍舊是擋住固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化道路的兩座大山，這不是短時(shí)間內(nèi)能跨越的，參照主流固態(tài)電池公司的規(guī)劃，量產(chǎn)時(shí)間普遍在2025年之后，固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化估計(jì)是10年之后的事情。

回顧歷史，10年其實(shí)其實(shí)也是一個(gè)并不長的維度。10年前我國的純電動(dòng)汽車銷量還不足1萬輛，到了2020年，我國純電動(dòng)汽車銷量已超過100萬輛。如今在行業(yè)看好和各路公司布局之下，固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程有望獲得超預(yù)期發(fā)展，在靜待固態(tài)電池的同時(shí)，我們也懷揣著信心。

關(guān)于下場(chǎng)的玩家來說，不得不直面的問題是：固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化將會(huì)重塑現(xiàn)有的鋰電池供應(yīng)鏈，像隔膜和液態(tài)電解質(zhì)公司，假如不能及時(shí)轉(zhuǎn)型升級(jí)，將面對(duì)被"顛覆"的結(jié)局。

寫在最后，技術(shù)的發(fā)展從來都是百花齊放。未來的電動(dòng)化之路，除了固態(tài)電池，同時(shí)還有氫燃料動(dòng)力電池這條路線。雖然現(xiàn)階段同樣存在不少產(chǎn)業(yè)化的難點(diǎn)，仍然可見其未來在重卡和等領(lǐng)域的廣闊發(fā)展空間。有關(guān)氫燃料動(dòng)力電池的研究，錦緞研究院會(huì)在后續(xù)的文章中再做探討。