鋰電池的技術(shù)路線里-藏著下一座金礦

1、鋰電池的技術(shù)路線里_藏著下一座金礦作者|滕宇 來(lái)源|阿爾法工場(chǎng)分析院(ID：alpworks)大到歷史進(jìn)程，小到產(chǎn)業(yè)發(fā)展，從來(lái)都不是一蹴而就的。新技術(shù)的應(yīng)用落地需要漫長(zhǎng)的時(shí)間去沉積精進(jìn)。光伏如此、風(fēng)電如此、鋰電池也是如此。長(zhǎng)期來(lái)看，在認(rèn)知的層面上，股票二級(jí)市場(chǎng)顯然屬于后知后覺(jué)者。產(chǎn)業(yè)在二級(jí)市場(chǎng)上真正迎來(lái)高光時(shí)刻明顯落后于產(chǎn)業(yè)實(shí)際發(fā)展情況，需要具備代表性的公司成長(zhǎng)起來(lái)走上二級(jí)市場(chǎng)的交易舞臺(tái)。歷經(jīng)建瓴者、先驅(qū)者、推銷(xiāo)員、定價(jià)者、跟隨者的推動(dòng)從而廣為流傳。故此，要想成為先知先覺(jué)者，就必須時(shí)刻關(guān)注產(chǎn)業(yè)層面的發(fā)展?fàn)顩r。而眼下，固態(tài)鋰電池的發(fā)展正處于產(chǎn)業(yè)破殼期。（我們常說(shuō)的鋰電池是指使用液態(tài)電解質(zhì)(也稱(chēng)電

2、解液)材料的鋰電池，稱(chēng)為液態(tài)鋰電池，使用固態(tài)電解質(zhì)材料的鋰電池稱(chēng)為固態(tài)鋰電池，簡(jiǎn)稱(chēng)固態(tài)電池。）相較于在二級(jí)市場(chǎng)的沉悶，固態(tài)鋰電池在場(chǎng)外資本市場(chǎng)上受追捧的程度絲毫不亞于液態(tài)鋰電池。每隔幾天便有重大的產(chǎn)能規(guī)劃、參股合作等方面的報(bào)道。譬如近期，大眾集團(tuán)董事會(huì)成員Thomas Schmall表示，公司將在計(jì)劃中的歐洲電芯工廠和確保重要原材料方面花費(fèi)高達(dá)300億歐元（約合人民幣2162億）。不僅于此，海外企業(yè)紛紛拋出大手筆投資。包括寶馬、奔馳、大眾、現(xiàn)代、豐田、本田、日產(chǎn)在內(nèi)的汽車(chē)集團(tuán)，均將固態(tài)鋰電池領(lǐng)域作為其下一代電動(dòng)車(chē)的電池技術(shù)方向。無(wú)獨(dú)有偶，國(guó)內(nèi)各大龍頭也開(kāi)始了固態(tài)鋰電池的推進(jìn)。贛鋒鋰業(yè)(0024

3、60.SZ)11月30日在投資者互動(dòng)平臺(tái)表示，贛鋒固態(tài)電池已經(jīng)在東風(fēng)E70電動(dòng)車(chē)上裝車(chē)。恩捷股份在江蘇立項(xiàng)投資13億研發(fā)固態(tài)電解質(zhì)涂層隔膜。小米華為共同投資半固態(tài)電池供應(yīng)商衛(wèi)藍(lán)新能源。在應(yīng)用端更是傳來(lái)了喜訊，蔚來(lái)新款轎車(chē)ET7將搭載能量密度達(dá)360Wh/kg的150kWh半固態(tài)電池，續(xù)駛里程將超過(guò)1000公里。這意味著在原有基礎(chǔ)上大幅提升了能量密度延長(zhǎng)了行駛里程。據(jù)悉，國(guó)軒高科正在積極籌備量產(chǎn)的半固態(tài)電池續(xù)航超1000公里。固態(tài)鋰電池的競(jìng)爭(zhēng)不光體現(xiàn)在企業(yè)層面上，也上升到了政府層面的博弈。世界各國(guó)都在大力支持固態(tài)鋰電池技術(shù)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)布局。在歐洲，德國(guó)政府投資10億歐元支持固態(tài)電池技術(shù)研發(fā)與生產(chǎn)

4、，多家汽車(chē)龍頭紛紛加入該聯(lián)盟。此外，歐盟多國(guó)共同出資32億歐元，同時(shí)從私人投資商中籌集50億歐元，用于發(fā)展固態(tài)電池。美國(guó)、日本、韓國(guó)均提出了發(fā)展固態(tài)鋰電池相應(yīng)的補(bǔ)貼、支持政策。國(guó)外大力推進(jìn)固態(tài)鋰電池發(fā)展的原因除了順應(yīng)未來(lái)的發(fā)展方向外，還有一層便是在現(xiàn)有液態(tài)鋰電池賽道上，中國(guó)的地位難以撼動(dòng)。為了改變這個(gè)局面，國(guó)外政府需要做到先人一步。在固態(tài)電池的推進(jìn)上，中國(guó)政府層面沒(méi)有盲目地較早地頒布相應(yīng)政策。中國(guó)在目前鋰電池領(lǐng)域建立起的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)在一定時(shí)期內(nèi)仍會(huì)享受較大的邊際收益，現(xiàn)有的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)兼顧成本性和落地性，是最適當(dāng)?shù)倪x擇。然而，緩行不代表忽視。未來(lái)的鋰電池必然朝著高性能的方向前行，而固態(tài)電池愈發(fā)清晰地成

5、為確定性的發(fā)展路徑。因此，在享受液態(tài)鋰電池產(chǎn)業(yè)紅利的同時(shí)也要積極發(fā)展新技術(shù)。2020年11月，國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)的新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（20212035年）中，明確要求“加快固態(tài)動(dòng)力電池技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”。那么，問(wèn)題隨之而來(lái)，固態(tài)電池究竟有何優(yōu)勢(shì)？使得下至企業(yè)上至國(guó)家，全部發(fā)力固態(tài)電池賽道。目前發(fā)展的狀況如何？要知道當(dāng)前液態(tài)鋰電池技術(shù)可是發(fā)展地如火如荼。未來(lái)前景又將怎樣？本篇報(bào)告便旨在解釋以上縈繞在投資者心中的問(wèn)題。一消失的電解液為了弄清楚這些問(wèn)題，便免不了將液態(tài)鋰電池和固態(tài)鋰電池進(jìn)行各方面的對(duì)比分析。首先二者都是鋰電池，原理也相近，區(qū)別在于電池構(gòu)成不同目前液態(tài)鋰電池的構(gòu)成包括正極、負(fù)極、電解

6、液、隔膜四大材料。而固態(tài)電池的構(gòu)成包括正極、負(fù)極、電解質(zhì)三大材料。差別顯而易見(jiàn)，固態(tài)鋰電池是將原本的電解液、隔膜換成固態(tài)電解質(zhì)。而影響鋰電池推廣應(yīng)用的核心要素?zé)o非三方面，安全、性能、成本。首先我們從安全入手，現(xiàn)有的液態(tài)鋰電池在安全方面長(zhǎng)期受人詬病。液態(tài)鋰電池的工作原理很清晰地解釋了為什么。其的工作原理便是住在負(fù)極的鋰離子，想去正極家玩。于是，它跳入電解液中，游著游著擠過(guò)隔膜中的小孔來(lái)到正極家中。過(guò)了一段時(shí)間，它玩累了，想要回家，可是卻沒(méi)力氣了，這時(shí)候需要充電，充上電便有了精神游回自己在負(fù)極的家。但是，要回家不能耽誤太久，就需要快點(diǎn)充電，快充的時(shí)候溫度明顯上升，這使得更多的鋰離子都想要回家。然而

7、負(fù)極家的床位不夠了，無(wú)家可歸的鋰離子只能睡在外面，這邊是析鋰，逐步形成枝晶鋰，便可能刺穿電解液，造成短路，從而引發(fā)事故。想必各位讀者對(duì)于新能源車(chē)著火事件并不陌生。據(jù)市場(chǎng)監(jiān)管總局?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年新能源汽車(chē)召回45次，涉及車(chē)輛35.7萬(wàn)輛，占全年召回總數(shù)量的5.3%，其中因三電系統(tǒng)缺陷召回11.2萬(wàn)輛，占新能源汽車(chē)召回總數(shù)量的31.3%。由此可見(jiàn)，動(dòng)力電池是汽車(chē)安全的重要隱患。固態(tài)電池的晉級(jí)之路便從這里開(kāi)始。固態(tài)鋰電池同液態(tài)鋰電池有一個(gè)很明顯的區(qū)別便是不使用易燃的電解液，電解液往往是造成新能源車(chē)起火的主要原因。電解液是目前階段性使用的傳導(dǎo)介質(zhì)，但不意味著最優(yōu)，其構(gòu)造原理存在著對(duì)溫度敏感，高溫下

8、產(chǎn)物極易分解，腐蝕性強(qiáng)、易燃易泄露等問(wèn)題。發(fā)生短路后，由于局部溫度大幅上升導(dǎo)致點(diǎn)燃鋰電池內(nèi)部的液態(tài)電解液。即便現(xiàn)階段采用添加阻燃劑，采用耐高溫的薄膜的方法，但是電池的安全性問(wèn)題仍舊沒(méi)有得到有效解決。而固態(tài)鋰電池是使用不可燃的固態(tài)電解質(zhì)作為傳導(dǎo)介質(zhì)。最突出的優(yōu)點(diǎn)便是安全性，并且降低了電池組對(duì)溫度的敏感性，杜絕了析出導(dǎo)致的高低溫問(wèn)題引發(fā)的短路。憑借良好的絕緣性有效地將正負(fù)極阻隔開(kāi)來(lái)。收之東偶，失之桑榆，電解質(zhì)依靠形態(tài)和材質(zhì)解決了易燃的問(wèn)題，也帶來(lái)了導(dǎo)電率低和抗阻較高的困繞。不難理解，液態(tài)環(huán)境下，鋰離子運(yùn)動(dòng)更為暢快，固態(tài)材質(zhì)和正負(fù)極的接觸不如液態(tài)材質(zhì)緊密，快充性能不佳。好比一個(gè)瓶子里灌滿了水，另一個(gè)

9、瓶子里塞滿了紙，前者瓶子的空隙顯然比后者少。顯而易見(jiàn)，電解質(zhì)的替換不單單是液態(tài)固態(tài)的轉(zhuǎn)換，除了安全性，還要實(shí)現(xiàn)更高能力密度的提升。這時(shí)對(duì)材料性能有著更嚴(yán)格的要求，是對(duì)穩(wěn)定性、導(dǎo)電率、成本、工藝等綜合方面的考量。目前已經(jīng)在使用或接近商用的固態(tài)電池的電解質(zhì)有：聚合物、硫化物和氧化物三種。聚合物由于在4V以上電壓工作下容易被電解，即便與正負(fù)極接觸性較好但也難當(dāng)大任。硫化物克服了固態(tài)電解液導(dǎo)電率不好的瓶頸，但是抗阻較高。容易與空氣、水等發(fā)生副反應(yīng)，工藝上仍需要克服諸多挑戰(zhàn)。氧化物性能在二者之中，憑借綜合性能成為目前階段是較為理想的材料。由于對(duì)技術(shù)理解、掌握、發(fā)展的不同，對(duì)技術(shù)路徑的選擇上頗有百家爭(zhēng)鳴的

10、味道。贛鋒鋰業(yè)、臺(tái)灣輝能、清陶能源等紛紛布局氧化物固態(tài)電池技術(shù)路線。日韓企業(yè)多采用硫化物固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)路線；中國(guó)企業(yè)多以氧化物路線為主；歐美企業(yè)選擇則呈多樣化，如Solid Power主要走硫化物路線，Quantum Scape則選擇了氧化物路線。二打破能量密度瓶頸談及性能方面，液態(tài)鋰電池的表現(xiàn)也不盡如人意。隨著新能源車(chē)的逐步滲透，在假期遠(yuǎn)程出行中開(kāi)始扮演重要的角色。然而，表現(xiàn)得結(jié)果卻是很不給力。今年十一長(zhǎng)假的一則新聞很好地說(shuō)明了問(wèn)題。據(jù)央視財(cái)經(jīng)報(bào)道，10月1日，一位從深圳回湖南的新能源車(chē)車(chē)主，在耒陽(yáng)服務(wù)區(qū)給車(chē)充電時(shí)，花費(fèi)了五個(gè)多小時(shí)的時(shí)間。“這四個(gè)小時(shí)里，我連洗手間都不敢上，因?yàn)榕卤徊尻?duì)。當(dāng)

11、時(shí)在排隊(duì)的車(chē)有二十幾輛，我算了，至少要排隊(duì)三個(gè)小時(shí)以上，把我后面好多車(chē)都勸退了?！遍L(zhǎng)期以來(lái)，續(xù)航和快充問(wèn)題是液態(tài)鋰電池美而尷尬的事實(shí)，如何提升續(xù)航和快充能力是進(jìn)一步加快滲透率的癥結(jié)所在。按照國(guó)家2020年10月發(fā)布的節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線圖2.0，2025我國(guó)純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池的能量密度年目標(biāo)為400Wh/kg，2030年目標(biāo)為500Wh/kg。可是，目前國(guó)內(nèi)的三元鋰電池能量密度正在努力突破300Wh/kg以上，而磷酸鐵鋰電池能量密度上限約為180Wh/kg。這樣看來(lái)，在現(xiàn)有鋰電技術(shù)下，單憑高鎳的路徑實(shí)現(xiàn)未來(lái)的能量目標(biāo)需求是存在困難的，即便9*等更高效的電池推出，受材料所限，想要積累起質(zhì)變?nèi)?/p>

12、務(wù)著實(shí)艱巨。那么，是否具備提升能量密度更好的解決方案呢？在我們進(jìn)一步分析影響能量密度的因素后發(fā)現(xiàn)了答案。鋰電池理論能量密度主要取決于正負(fù)極材料克容量和工作電壓。通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，電壓越大則能量密度越大。不難理解，鋰電池在工作的時(shí)候，電池電壓會(huì)隨著電量的降低而下降。假設(shè)其它條件不變，同等電流下，高電壓的工作時(shí)間就顯然比低電壓長(zhǎng)。打個(gè)比方：一個(gè)高一點(diǎn)的蓄水池可以裝更多的水，使用相同的水龍頭排水，時(shí)間肯定更長(zhǎng)。那么，便意味著可以通過(guò)提升工作電壓來(lái)增強(qiáng)鋰電池的能量密度。然而，基于目前液態(tài)鋰電池的材料和使用安全性所限，正負(fù)極之間的電壓差一般在4.2V以內(nèi)，因此，依靠現(xiàn)階段的材料難以實(shí)現(xiàn)。另外一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)

13、就是比（克）容量，顧名思義，其意義便是每克鋰電池材料含多少mAh（毫安時(shí)）電量。比容量越大則能量密度越高。簡(jiǎn)單而言，也就是同等重量攜帶更多的鋰離子，參與化學(xué)反應(yīng)的鋰離子數(shù)量越多，那么能量就越大。但現(xiàn)有的液態(tài)鋰電池正負(fù)極材料同樣對(duì)未來(lái)的需求形成了一定的制約。固態(tài)電池除了安全性能的提升外，也打破了制約鋰電池能量密度的瓶頸。從電壓上來(lái)看，負(fù)極在未來(lái)采用金屬鋰后可以有效提升電壓差至5V，這無(wú)疑帶來(lái)續(xù)航能力的提升。從比容量上來(lái)看，金屬鋰的比容量能達(dá)到3860mAh/g。這相當(dāng)于給鋰離子安排了一套五星級(jí)別墅，而現(xiàn)有的石墨僅僅365mAh/g，只能勉強(qiáng)維持居住條件，回來(lái)晚了還有可能沒(méi)有鋪位。對(duì)比二者的差別一

14、目了然。在未來(lái)，正極的開(kāi)發(fā)中也會(huì)使用到富鋰錳基這類(lèi)高比容量的材料。顯而易見(jiàn)，高比容量材料的應(yīng)用是進(jìn)一步提升能量密度的必經(jīng)之路。三技術(shù)路徑差異最后，就是成本。這一環(huán)節(jié)往往決定著成敗，再好的技術(shù)如果不能有效降低成本的話，替代全是空談。據(jù)日產(chǎn)的規(guī)劃稱(chēng)2028全固態(tài)電池能夠?qū)㈦姵亟M的成本降至每千瓦時(shí)75美元（折合人民幣約478元），未來(lái)會(huì)將成本進(jìn)一步降低至每千瓦時(shí)65美元（折合人民幣約413元）。而當(dāng)前三元鋰電池的成本超過(guò)了1000元/千瓦時(shí)左，未來(lái)原材料較為緊缺的情形下，降本空間不容樂(lè)觀。如此來(lái)看，如果固態(tài)電池按照預(yù)期規(guī)劃發(fā)展，那么便存在著廣闊的替代市場(chǎng)。那么，接下來(lái)問(wèn)題便來(lái)到了具體技術(shù)路徑的選擇上

15、。目前這一階段，固態(tài)電池仍會(huì)采用液態(tài)鋰電池的正負(fù)極，替換的是電解液和隔膜。那么，決定技術(shù)路徑的差異的便是對(duì)電解質(zhì)選擇帶來(lái)的差異。前文提到，目前主要的電解質(zhì)技術(shù)路徑中，由于聚合物在4V以上電壓工作下容易被電解，并且需要超過(guò)室溫條件下才能正常工作的特點(diǎn)，即便目前已經(jīng)量產(chǎn)但是也并非未來(lái)的技術(shù)選擇。氧化物主要分為薄膜型和非薄膜型。薄膜型主要采用LiPON（鋰磷氧氮）這種非晶態(tài)氧化物作為電解質(zhì)材料，而非薄膜型則指除LiPON以外的晶態(tài)氧化物電解質(zhì)，其中，以LLZO(鋰鑭鋯氧）為主流。薄膜型產(chǎn)品性能優(yōu)異，已在微型電子、消費(fèi)電子領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)較初級(jí)、小范圍應(yīng)用。但是，薄膜型電池容量很小，往往不到mAh級(jí)別，在微型

16、電子、消費(fèi)電子領(lǐng)域勉強(qiáng)夠用，到了乘用車(chē)Ah級(jí)別時(shí)缺點(diǎn)則暴露無(wú)遺。業(yè)界有嘗試將其串并聯(lián)增加電池組實(shí)現(xiàn)提升電池容量的方法，卻存在著高昂的成本和工藝?yán)щy等問(wèn)題。而非薄膜型氧化物產(chǎn)品綜合性能出色，是當(dāng)前開(kāi)發(fā)熱門(mén)。已成為中國(guó)企業(yè)重點(diǎn)開(kāi)發(fā)的方向，臺(tái)灣輝能與江蘇清陶都是此賽道的領(lǐng)跑企業(yè)。已經(jīng)有部分產(chǎn)品投放市場(chǎng)，但也存在著離子電導(dǎo)率低于薄膜型的缺點(diǎn)。資本聚焦的另外一條技術(shù)路徑便是硫化物電池。硫化物主要包括thio-LISICON、LiGPS、LiSnPS、LiSiPS、Li2S-P2S5、Li2S-SiS2、Li2S-B2S3等，其電導(dǎo)率接近甚至超過(guò)有機(jī)電解液。同時(shí)具有熱穩(wěn)定高、安全性能好、電化學(xué)穩(wěn)定窗口寬(

17、達(dá)5V以上)的特點(diǎn)，在高功率以及高低溫固態(tài)電池方面優(yōu)勢(shì)突出?？墒?，大部分硫化物材料空氣穩(wěn)定性差，會(huì)與水反應(yīng)形成刺激性的硫化氫氣體?？梢哉f(shuō)其開(kāi)發(fā)潛力最大，同時(shí)也是最困難的。在生產(chǎn)工藝上，需要涂布+多次熱壓、添加緩沖層改善界面性能。此外，新材料也在不斷面世。幾個(gè)月前，由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授馬騁團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并合成的一種鋰電池固態(tài)電解質(zhì)新材料氯化鋯鋰。據(jù)報(bào)道，氯化鋯鋰的問(wèn)世，成功將50微米厚度的原材料成本降低至1.38美元/平方米，而此前最廉價(jià)的氯化物固態(tài)電解質(zhì)相對(duì)應(yīng)的成本為23.05美元/平方米。據(jù)悉，原材料成本達(dá)到10美元/平方米是固態(tài)電解質(zhì)具備競(jìng)爭(zhēng)力的界限。當(dāng)然，問(wèn)題同樣存在，穩(wěn)定性較差是限制其產(chǎn)業(yè)

18、化發(fā)展的關(guān)鍵，目前該團(tuán)隊(duì)正在努力攻克這一環(huán)節(jié)。從未來(lái)固態(tài)鋰電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向上來(lái)看，業(yè)界認(rèn)知相差不大，基本上是從液態(tài)鋰電池-半固態(tài)-固態(tài)；先完成對(duì)電解液隔膜的替代，而后進(jìn)行正極負(fù)極的替代。為解決全固態(tài)電池內(nèi)部的界面接觸難題，同時(shí)充分利用現(xiàn)有液態(tài)鋰離子電池的生產(chǎn)工藝和設(shè)備，降低制造成本。目前固態(tài)電池技術(shù)路線為優(yōu)先發(fā)展混合固液鋰電池，逐步降低液態(tài)電解質(zhì)的含量，最后實(shí)現(xiàn)全固態(tài)鋰電池。可以說(shuō)，固態(tài)電池的工藝路線尚不成熟，產(chǎn)業(yè)化仍需時(shí)間，降本之路長(zhǎng)路漫漫。但另一方面在資本推動(dòng)，技術(shù)路徑廣鋪，人才聚焦的趨勢(shì)下有望加快生產(chǎn)學(xué)習(xí)曲線，縮短工藝know-how時(shí)間，產(chǎn)業(yè)化的到來(lái)可能超出預(yù)期。據(jù)預(yù)測(cè)，20202030年固態(tài)電池出貨量將高速增長(zhǎng)，全球需求量在2020年、2025年、2030年分別有望達(dá)到1.7GWh、44.2GWh、494.9GWh，2030年全球市場(chǎng)空間有望達(dá)到1500億元以上。四尾聲新能源車(chē)需求高企的背景下，對(duì)于動(dòng)力電池的爭(zhēng)奪尤為激烈，雖然目前液態(tài)鋰電池獨(dú)霸一方，可是，鈉電池、鋁電池、