科技行業(yè)新能源汽車系列研究之二固態(tài)電池，能否成為下一代電池技術(shù)

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　圖表目錄</b></p><p>　　圖表 1： 傳統(tǒng)鋰電池與固態(tài)電池5</p><p>　　圖表 2： 固態(tài)鋰離子電池與傳統(tǒng)鋰離子電池對比6</p><p>　　圖表 3： 固態(tài)電池主要電解質(zhì)類別6</p>

2、<p>　　圖表 4： EV 技術(shù)路線圖7</p><p>　　圖表 5： 動力電池技術(shù)商業(yè)化時(shí)間表8</p><p>　　圖表 6： 固態(tài)電池及全固態(tài)電池專利數(shù)目8</p><p>　　圖表 7： 各國固態(tài)電池及全固態(tài)電池領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)量9</p><p>　　圖表 8： 固態(tài)電池專利的持有主體情況9</p>

3、<p>　　圖表 9： 全固態(tài)電池專利的持有主體情況10</p><p>　　圖表 10：部分車企的固態(tài)電池研發(fā)進(jìn)展與規(guī)劃10</p><p>　　圖表 11：固態(tài)電池初創(chuàng)企業(yè)融資情況12</p><p>　　圖表 12：聚合物電解質(zhì)體系代表企業(yè)12</p><p>　　圖表 13：Solid Energy 固態(tài)電

4、池結(jié)構(gòu)13</p><p>　　圖表 14：相同容量的 3Ah 電池與 iPhone6 電池13</p><p>　　圖表 15：氧化物電解質(zhì)體系代表企業(yè)13</p><p>　　圖表 16：國內(nèi)部分機(jī)構(gòu)的固態(tài)電池研發(fā)進(jìn)展與應(yīng)用情況14</p><p>　　固態(tài)電池：下一代動力電池技術(shù)</p><p>&

5、lt;b>　　固態(tài)電池的特點(diǎn)</b></p><p>　　固態(tài)鋰電池指電池電解質(zhì)部分采用固態(tài)材料的鋰二次電池。固態(tài)電池與傳統(tǒng)鋰離子電池不同在于固態(tài)電池以固態(tài)電解質(zhì)替代了傳統(tǒng)鋰離子電池的電解液、電解質(zhì)鹽、隔膜。</p><p>　　安全性、能量密度和循環(huán)壽命是對動力電池的三大要求。由于固態(tài)電池在這三方面均具備優(yōu)于傳統(tǒng)鋰離子電池的潛力，因此也被視為下一代電池技術(shù)。</p

6、><p>　　固態(tài)電池優(yōu)點(diǎn)一：安全性高，無自燃、爆炸風(fēng)險(xiǎn)。采用有機(jī)電解液的傳統(tǒng)鋰離子電池，在過度充電、內(nèi)部短路等異常情況下容易導(dǎo)致電解液發(fā)熱，有自燃甚至爆炸的危險(xiǎn)。全固態(tài)鋰電池基于固態(tài)材料不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液問題，且有望克服鋰枝晶現(xiàn)象。半固態(tài)、準(zhǔn)固態(tài)電池仍存在一定的可燃風(fēng)險(xiǎn)，但安全性也較液態(tài)電解液電池提高。</p><p>　　固態(tài)電池優(yōu)點(diǎn)二：能量密度高，有望徹底解決電動汽車?yán)锍?/p>

7、焦慮。目 前技術(shù)體系下鋰離子電池已經(jīng)接近性能極限，特斯拉 NCA 18650 電芯能量密度達(dá)到250Wh/Kg，應(yīng)用于Model 3 的21700 電芯能量密度約300Wh/Kg，支持的續(xù)航里程約 400 至 500 公里，仍無法徹底解決里程焦慮。而對于固態(tài)電池而言，一方面固態(tài)電解質(zhì)無需隔膜與電解液，這兩部分在傳統(tǒng)</p><p>　　鋰離子電池中加起來占據(jù)近 40%的體積和 25%的質(zhì)量，另一方面由于沒有<

8、;/p><p>　　漏液、腐蝕等問題，可以簡化電池外殼及冷卻系統(tǒng)模塊，進(jìn)一步減輕電池系統(tǒng)重量。此外，配套新的正負(fù)極材料可以使得電化學(xué)窗口達(dá)到 5V 以上，</p><p>　　可以從根本上提高能量密度，有望達(dá)到 500Wh/Kg，同等電池容量的情況下有望將續(xù)航里程提高到 600 至 700 公里。</p><p>　　此外，固態(tài)電池還具有循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬、可快

9、速充電等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　資料來源：《全固態(tài)鋰電池技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望》，</p><p>　　按照電解質(zhì)材料的不同，固態(tài)電池可以分為聚合物、氧化物和硫化物三大體系。其中聚合物電解質(zhì)屬于有機(jī)電解質(zhì)，氧化物和硫化物屬于無機(jī)陶瓷電解質(zhì)?？傮w來說，聚合物電解質(zhì)技術(shù)最成熟，已經(jīng)率先實(shí)現(xiàn)小規(guī)模量產(chǎn)，但是理論能量密度不及其他兩類電解質(zhì)；氧化物電解質(zhì)性能優(yōu)于聚合物電解質(zhì)，但薄膜型氧化物電池容量

10、較小、只能應(yīng)用于消費(fèi)類電子領(lǐng)域，非薄膜型氧化物電池技術(shù)相對還不夠成熟；硫化物電解質(zhì)理論上最適合于電動汽車領(lǐng)域，但是開發(fā)難度最大。</p><p>　　按照正負(fù)極材料的不同，固態(tài)電池還可以進(jìn)一步分為固態(tài)鋰離子電池（沿用當(dāng)前鋰離子電池材料體系，如石墨+硅碳負(fù)極、三元正極等）和 固態(tài)鋰金屬電池（以金屬鋰為負(fù)極）。由于固態(tài)鋰離子電池與當(dāng)前的電池體系最為接近，日韓本身又擁有成熟的鋰電產(chǎn)業(yè)鏈，因此目前日韓企業(yè)大</p

11、><p>　　多采用硫化物+固態(tài)鋰離子電池的路線。而歐美初創(chuàng)企業(yè)則立足于顛覆性的技術(shù)，大多采用聚合物/氧化物+固態(tài)鋰金屬電池的路線。</p><p>　　固態(tài)電池主要電解質(zhì)類別</p><p><b>　　資料來源：</b></p><p>　　固態(tài)電池能夠滿足 2030 年新能源汽車技術(shù)政策目標(biāo)</p>&l

12、t;p>　　近年來，新能源汽車補(bǔ)貼政策經(jīng)歷多次調(diào)整，且將于 2020 年后完全退出。從政策歷次調(diào)整的導(dǎo)向來看，對高續(xù)航里程、高能量密度技術(shù)路線的支持力度沒有減弱甚至有所加大。補(bǔ)貼政策完全退出后，雙積分制度仍</p><p>　　可能通過對不同能量密度、不同續(xù)航里程設(shè)置差別化的積分來實(shí)現(xiàn)對行業(yè)技術(shù)升級的導(dǎo)向作用。</p><p>　　此外，當(dāng)前行業(yè)主管部門對動力電池技術(shù)提出了非常高的目

13、標(biāo)。2017 年工信部、發(fā)改委、科技部聯(lián)合發(fā)布《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》，其中</p><p>　　“新能源汽車研發(fā)與推廣應(yīng)用工程”專欄要求：到 2020 年，動力電池單</p><p>　　體比能量達(dá)到 300 瓦時(shí)/公斤以上、力爭實(shí)現(xiàn) 350 瓦時(shí)/公斤，系統(tǒng)比能</p><p>　　量力爭達(dá)到 260 瓦時(shí)/公斤；到 2025 年，動力電池系統(tǒng)比能量達(dá)

14、到 350 瓦時(shí)/公斤。</p><p>　　受工信部、國家制造強(qiáng)國建設(shè)戰(zhàn)略咨詢委員會委托，由中國汽車工程學(xué)會研究編制的《 節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》 則要求：</p><p>　　2020/2025/2030 年單體比能量分別達(dá)到 350/400/500 瓦時(shí)/公斤，系統(tǒng)比能量分別達(dá)到 250/280/350 瓦時(shí)/公斤。</p><p>　　中科院院士、國家“

15、863”計(jì)劃節(jié)能與新能源汽車重大項(xiàng)目總體專家組組長歐陽明高教授指出，2020 年的目標(biāo)可以依靠高鎳三元正極材料與硅碳負(fù)極材料的組合實(shí)現(xiàn)，2025 年的目標(biāo)可以依靠正極材料由高鎳三元</p><p>　　向高容量富鋰錳基材料轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn)，但基本到達(dá)極限。而要實(shí)現(xiàn) 2030 年目標(biāo)，固體電解質(zhì)層面的突破是一條必由之路。</p><p>　　固態(tài)電池領(lǐng)域研發(fā)現(xiàn)狀</p><p&g

16、t;　　固態(tài)電池領(lǐng)域?qū)＠闆r</p><p>　　根據(jù)德溫特?cái)?shù)據(jù)庫，1990 年至今固態(tài)電池領(lǐng)域已經(jīng)公開的專利數(shù)目達(dá)到 1926 件，其中全固態(tài)電池領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)目達(dá)到 871 件，占比約 45%。</p><p>　　從數(shù)量上來看，固態(tài)電池領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)目由 2007 年 26 件增長至 2017</p><p>　　年 273 件，增長超過 10 倍，同時(shí)全固態(tài)電池專

17、利數(shù)目占比由零提升至近一半，說明固態(tài)電池尤其是全固態(tài)電池的研發(fā)越來越受到各方面的重視。</p><p>　　固態(tài)電池專利總數(shù)（件） 全固態(tài)電池專利數(shù)目（件）</p><p>　　300 固態(tài)電池專利中全固態(tài)電池比例（ ，右軸）</p><p><b>　　262</b></p><p><b>　　250&

18、lt;/b></p><p>　　273 26370</p><p><b>　　60</b></p><p><b>　　200</b></p><p><b>　　150</b></p><p><b>　　100</

19、b></p><p><b>　　98</b></p><p><b>　　6474</b></p><p><b>　　9999</b></p><p><b>　　71</b></p><p><b>　　5

20、5</b></p><p><b>　　147</b></p><p><b>　　197</b></p><p><b>　　171</b></p><p><b>　　50</b></p><p><b>

21、　　40</b></p><p><b>　　30</b></p><p><b>　　20</b></p><p>　　140 143 127</p><p><b>　　502627</b></p><p>　　031504

22、2531</p><p><b>　　4150</b></p><p>　　8995 11710</p><p><b>　　0</b></p><p>　　資料來源：Derwent Innovations Index，</p><p>　　從地域上看，日本

23、目前擁有固態(tài)電池專利 916 件，占比接近一半， 領(lǐng)先優(yōu)勢較大。其次美國和中國分別擁有 398 件、362 件，身位接近。韓國擁有 100 件位居第四。全固態(tài)電池方面，日本擁有專利 657 件，占比</p><p>　　75%，領(lǐng)先優(yōu)勢更加明顯。中國、韓國分別擁有專利 128 件、37 件；美國</p><p>　　在全固態(tài)電池領(lǐng)域稍弱，僅擁有 29 件專利。</p><

24、;p><b>　　600</b></p><p><b>　　0</b></p><p>　　從專利主體來看，作為全球第一大車企的豐田擁有固態(tài)電池專利 252 件，數(shù)量遠(yuǎn)超其他車企與電池企業(yè)，同時(shí)日本其他消費(fèi)電子及汽車零部件企業(yè)如富士、村田制造所、松下也在固態(tài)電池領(lǐng)域有廣泛布局?？傮w來看， 日本固態(tài)電池的研發(fā)以產(chǎn)業(yè)界為主導(dǎo)。美國固態(tài)電池專利

25、分布比較分散， 而且其持有主體多為 Quantumscape（21 件）、Sakti3（17 件）等初創(chuàng)企業(yè)。中國固態(tài)電池專利分布也很分散，但與美國不同的是中國專利持有主體以科研機(jī)構(gòu)與大學(xué)為主，如中科院青島能源所（13 件）、哈工大（13 件） 等。韓國雖然總量不及中國，但是專利分布相對集中，如三星電子（35 件）、</p><p>　　LG 化學(xué)（29 件）、現(xiàn)代汽車（25 件）。與日本相似，韓國在固態(tài)電池領(lǐng)域

26、的研發(fā)也是以產(chǎn)業(yè)界為主導(dǎo)，且電池企業(yè)與整車企業(yè)均有布局。</p><p>　　資料來源：Derwent Innovations Index，</p><p>　　全固態(tài)電池專利的持有主體情況與固態(tài)電池基本類似，日本、韓國均以產(chǎn)業(yè)界為主導(dǎo)。中國全固態(tài)電池研發(fā)仍然以科研機(jī)構(gòu)與高校為主導(dǎo)， 專利持有數(shù)量排名前五的主體分別為中科院寧波材料所（6 件）、青島能</p><p>

27、;　　源所（6 件），及三所高校哈工大、中南大學(xué)、寧波大學(xué)。</p><p><b>　　200</b></p><p><b>　　193</b></p><p>　　資料來源：Derwent Innovations Index，</p><p><b>　　國外企業(yè)布局情況</b

28、></p><p><b>　　整車與零部件企業(yè)</b></p><p>　　整車企業(yè)在固態(tài)電池領(lǐng)域的布局可以分為內(nèi)部研發(fā)和對外投資兩類。前者以豐田為代表，后者以寶馬、大眾為代表?？梢钥吹?2017 年以來不論是哪種路線，整車企業(yè)的動作都有所加快，而造成兩者策略差異的主要 原因在于整車企業(yè)前期積累的多少。</p><p><b>

29、;　　資料來源：</b></p><p>　　豐田歷來在電池技術(shù)上有著深厚的積累。從普銳斯鎳氫電池到 Mirai 燃料電池，豐田都是業(yè)界最早將新能源技術(shù)應(yīng)用于整車層面的車企。在固態(tài)電池領(lǐng)域，豐田目前憑借三方面戰(zhàn)術(shù)進(jìn)一步鞏固先發(fā)優(yōu)勢：1）內(nèi)部研發(fā)積累大量專利，在新技術(shù)上有絕對的自主權(quán)，同時(shí)豐田表示將在 2030</p><p>　　年之前投資在相關(guān)電池研發(fā)的資金可能超過

30、130 億美元；2）由日本新能</p><p>　　源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）牽頭投資 100 億日元，豐田、本田、日</p><p>　　產(chǎn)、松下等 23 家日本汽車、電池和材料企業(yè)，以及京都大學(xué)、日本理化</p><p>　　學(xué)研究所等 15 家學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)將共同參與研究，計(jì)劃到 2022 年全面掌握全</p><p>　　固態(tài)電池相

31、關(guān)技術(shù)；3）與松下合作固態(tài)電池研究，從不同層面去研究和解決問題，為第四代電芯小規(guī)模量產(chǎn)打基礎(chǔ)。</p><p>　　從技術(shù)路線上來看，豐田主要是基于固態(tài)鋰離子電池，采用石墨類負(fù)極、硫化物電解質(zhì)與高電壓正極的組合，并計(jì)劃于 2022 年實(shí)現(xiàn)商品化。</p><p>　　但是豐田固態(tài)電池目前的主要問題在于循環(huán)壽命還較短（小于 3 年），這也是豐田下一階段的研發(fā)重點(diǎn)。</p>&l

32、t;p>　　以大眾、寶馬為代表的車企在固態(tài)領(lǐng)域的積累不及豐田，但是近年來明顯加快了布局的步伐。2017 年底寶馬與 Solid Power 建立合作伙伴關(guān)系共同研發(fā)固態(tài)電池，2018 年中大眾向 QuantumScape 投資 1 億美元，</p><p>　　并計(jì)劃在 2025 年實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池量產(chǎn)。與此同時(shí)，寶馬還投資 2 億歐元在慕尼黑建立電芯研發(fā)中心，開始涉及電芯級別的技術(shù)驗(yàn)證和開發(fā)。與豐田主要依靠內(nèi)

33、部研發(fā)不同，對于大眾、寶馬等德系車企來說，投資初創(chuàng)企業(yè)</p><p>　　快速獲取固態(tài)電池的相關(guān)專利、同時(shí)通過內(nèi)部研究加深對下一代電池技</p><p>　　術(shù)的理解，是一條效率更高的道路。</p><p>　　不過也并非所有企業(yè)都在進(jìn)軍固態(tài)電池領(lǐng)域。特斯拉作為電動汽車同時(shí)也是動力電池的領(lǐng)軍者，目前還沒有在固態(tài)電池方面擁有一件專利。我們檢索了與特斯拉相關(guān)的專利數(shù)據(jù)

34、，發(fā)現(xiàn)特斯拉在電池領(lǐng)域總共擁有</p><p>　　244 件專利，但主要集中在電池系統(tǒng)、電池包和充電領(lǐng)域，而在材料方面專利較少。盡管馬斯克曾表示固態(tài)電池“有一定前景”，但是距離技術(shù)成熟還需要時(shí)間，目前也不足以“改變特斯拉的戰(zhàn)略”。特斯拉的 Model 3 車型采取了以 NCA 為正極材料的松下 21700 圓柱型電池，電芯能量密度</p><p>　　可以達(dá)到 300Wh/Kg，甚至超過

35、了部分半固態(tài)鋰離子電池。特斯拉目前的如意算盤仍然是在 2020 年堅(jiān)持目前的材料體系并通過 Gigafactory 的擴(kuò)產(chǎn)來快速降低電池成本，進(jìn)一步擴(kuò)大在這一代電池技術(shù)上的優(yōu)勢。</p><p>　　此外，作為全球最大的汽車零部件供應(yīng)商，博世在今年年初宣布放棄對電池生產(chǎn)環(huán)節(jié)的投資，并出售了之前收購的從事固態(tài)電池研發(fā)的子公</p><p>　　司 SEEO。博世仍然看好固態(tài)電池的技術(shù)方向，但

36、是對于重資產(chǎn)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行投資非常謹(jǐn)慎。博世預(yù)計(jì)投資建設(shè) 200GWH 的動力電池產(chǎn)能（20% 市場份額）需要 200 億歐元左右的投資，而制造成本中接近 3/4 都是材料成本，不利于發(fā)揮競爭優(yōu)勢。因此博世的態(tài)度是“需要了解電池技術(shù)， 但不必親自制造電池?！?lt;/p><p><b>　　電池初創(chuàng)企業(yè)</b></p><p>　　固態(tài)電池領(lǐng)域受關(guān)注度較高的初創(chuàng)企業(yè)主要包

37、括 SEEO、Sakti3、</p><p>　　SolidEnergy、QuantumScape。</p><p>　　從融資情況來看，SEEO 獲得了三星等公司的投資，Sakti3 獲得了由通用汽車公司為首的共計(jì) 2000 萬美元的投資，Solid Energy 則獲得了通用汽車和上汽等公司的 1200 萬美元投資。今年 6 月 QuantumScape 獲得德國大眾汽車公司 1 億美

38、元的投資。</p><p>　　資料來源：Crunchbase，</p><p>　　這些初創(chuàng)企業(yè)大多由美國頂尖高校的研究人員創(chuàng)辦，它們選擇的電解質(zhì)主要可以分為聚合物、氧化物兩大體系。</p><p>　　SEEO 通過和勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室共同研發(fā) DryLyte（一種可以循環(huán)使用>2000 次的固態(tài)電解質(zhì)/隔膜），于 2012 年將該技術(shù)應(yīng)用于（Li&l

39、t;/p><p>　　/ LFP）電池； 2016 年，通過開發(fā) NCx 系統(tǒng)、新的鋰箔凈化和軋制方法，</p><p>　　SEEO 規(guī)劃在未來 3 年擴(kuò)大量產(chǎn)規(guī)模和提升電池能量密度（達(dá)到 450Wh/kg 即大于 30Ah）。</p><p><b>　　資料來源：</b></p><p>　　SolidEnergy 起

40、步晚但公司采用了折中的半固態(tài)電解質(zhì)+鋰金屬負(fù)極路線，其獨(dú)特之處在于：1）采用突破性的固體保護(hù)涂層（陽極-裂解物） 組成了聚合物和無機(jī)材料，這種固體保護(hù)涂層直接應(yīng)用到經(jīng)過表處理的</p><p>　　鋰金屬陽極上可以用來抑制鋰枝晶的生長。它具有高鋰離子導(dǎo)電率但是與液體電解質(zhì)不混溶；2）采用革命性的液體電解質(zhì)（陰極-裂解物）具有高鋰電鍍和剝離效率、在高壓陰極有高氧化穩(wěn)定性并且能降低溶劑揮發(fā)性；3）采用一種創(chuàng)新的電池組

41、裝工藝可以最大限度地提高電池能量密度， 解決循環(huán)過程中的體積膨脹問題，并且使得鋰金屬可以通過現(xiàn)有的鋰離子電池基礎(chǔ)設(shè)施被規(guī)?；刂圃斐鰜?。</p><p>　　2017 年 Solid Energy 從航空航天領(lǐng)域入手推出容量為 3Ah 的</p><p>　　HermesTM 電池，質(zhì)量和體積能量密度分別達(dá)到 450Wh/Kg 和 1200Wh/L，目前以每月 5000 個(gè)電池的速度量產(chǎn)，

42、并且通過了第三方的檢測。</p><p>　　氧化物電解質(zhì)體系主要分為薄膜型和和非薄膜型。薄膜型固態(tài)電池以 Sakti3 為代表。這一類電池具有良好的倍率及循環(huán)性能，但是電池容量較小，目前僅能用于消費(fèi)電子類產(chǎn)品。Sakti3 目前也被英國家電巨頭</p><p>　　Dyson 收購。非薄膜型固態(tài)電池以 QuantumScape 為代表。這一類電池整體性能指標(biāo)較為均衡，離子電導(dǎo)率高于聚合物

43、電解質(zhì)、電池容量大、可量產(chǎn)，是理想的電解質(zhì)材料之一。目前 QuantumScape 正在與大眾合作推進(jìn)固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化。</p><p><b>　　資料來源：</b></p><p><b>　　國內(nèi)固態(tài)電池進(jìn)展</b></p><p>　　國內(nèi)固態(tài)電池研發(fā)主要依托于中科院等科研機(jī)構(gòu)，不過近幾年部分企業(yè)開始嘗試進(jìn)行科研成

44、果的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，例如贛鋒鋰業(yè)與中科院寧波材料所許曉雄團(tuán)隊(duì)合作、中科院物理所與衛(wèi)藍(lán)新能源合作等。總體來看，國內(nèi)的固態(tài)電池研發(fā)呈現(xiàn)較為分散的格局，而且國內(nèi)產(chǎn)業(yè)界（包括整車企業(yè)與電池企業(yè)）在固態(tài)電池領(lǐng)域的積累遠(yuǎn)不及豐田等國外競爭對手。</p><p><b>　　資料來源：</b></p><p>　　中科院青島能源所儲能院崔光磊團(tuán)隊(duì)長期從事復(fù)合聚合物固態(tài)電解質(zhì)研究，目前已研

45、制出全海深高能量密度高安全固態(tài)鋰電池動力系統(tǒng)，能量密度達(dá) 300Wh/Kg，并且在馬里亞納海溝完成 1 萬米的高壓環(huán)境下完成深海測試。</p><p>　　中科院寧波材料所許曉雄團(tuán)隊(duì)從事氧化物與硫化物固體電解質(zhì)研究， 已經(jīng)開發(fā)出能量密度達(dá)到 260Wh/Kg 的 10Ah 固態(tài)單體電池。借助寧波材料所的技術(shù)，江西贛鋒鋰業(yè)在寧波當(dāng)?shù)赝顿Y 5 億元人民幣籌建億瓦時(shí)固</p><p>　　態(tài)動力