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固态电池市场分析报告

固态电池市场分析报告

2020年5月

1、技术革新无休止，攻坚固态电池是关键.....................................................................................4

1.1、固态电池有望成为下一代高性能锂离子电池...........................................................................................4

1.2、电解质和界面双管齐下，构建高性能固态电池.......................................................................................9

2、政府扶持、企业角逐，固态电池商业化提速............................................................................14

2.1、政府引导，推动固态电池领域快速发展................................................................................................14

2.2、企业积极布局，固态电池领域陷入“混战”.............................................................................................16

3、技术和成本双制约，全固态电池量产仍需十年........................................................................21

3.1、三星率先实现技术突破，全固态电池量产仍有难点..............................................................................21

3.2、固态电池的工艺路线尚不成熟，产业化仍需时间..................................................................................23

3.3、固态电池的成本拆分以及未来的降本路径.............................................................................................24

4、市场建议.................................................................................................................................36

5、风险分析.................................................................................................................................36

-3-

1、技术革新无休止，攻坚固态电池是关键

1.1、固态电池有望成为下一代高性能锂离子电池

锂离子在正负电极间可逆嵌入是锂离子电池的电化学基础，其发展实际上是

基于上世纪70年后一系列的创新理念和关键发现。

对于固态电解质锂离子电池的理论研究可以追溯到1972年在Belgirate（意

大利）召开的北约“固体中的快速离子输运”会议上，Steele讨论了合适的

固态电解质的基本标准，并指出了过渡金属二硫化物作为电池正极材料的潜

力。

同年，Armand将Li||TiS应用于以固态β-氧化铝为电解质的三元石墨正

2

极中的Na+扩散，这是关于固态电池的第一份报道。

在科研过程中，实际上对于正负材料、电解质的材料选择都是在探索中不断

推进的。

1978年，“摇椅电池”模型清楚地阐述了锂离子电池基本化学原

理，为后续研究打下坚实的基础。

1978年，Armand提出开创性的固态聚合物固态电池的概念；同时他的研究

重心转移至对石墨作为嵌入负极适用性的研究；在1979-1980年，

Goodenough等发现了层状氧化物-钴酸锂（LiCoO），GoOrdulet等发现

2

另一种锰酸锂（LiMnO）正极材料。

1983年，Yoshino等提出了以软碳为

2

4

负极、碳酸盐溶液为电解液、LiCoO为正极的电池，这是当今锂离子电池的

2

基本组成部分。

图1：

锂电池简要发展历程

Whittingham提出并开始研究锂离子电池

20世纪70年代

Whittingham采用硫化钛作正极、金属锂作负极，制成首个锂电池

固溶电极和”摇椅电池”概念诞生

Armand提出“摇椅电池”概念

Goodenough发现钴酸锂可以作为锂离子电池正极材料

20世纪80年代

贝尔实验室制成首个可用的锂离子石墨电极

Manthiram和Goodenough发现采用聚合阴离子的负极能产生更高电压

Thackeray和Goodenough发现锰尖晶石是优良的正极材料

选择合适的电极和电解液

20世纪90年代

Sony公司发明商业化液态锂离子电池

Tarascon和Guyomard组装了第一个石墨||LiMnO”摇椅电池”，证明LiMnO

4

作为有前景低成本锂离子电池正极的可行性

液态锂离子电池商业化

2

4

2

Padhi和Goodenough发现具有橄榄石结构的磷酸盐如磷酸铁锂比传统的正极

材料更安全、耐高温、耐充电

Guyomard和Taeascon提出了一种基于LiPF的EC/DMC电解质，是今天电池

制造的标准电解液配方

6

20世纪90年代以来

改进液态锂离子电池

固态电池兴起

高比容量（vs.LiCoO）、高电压（vs.LiFePO）的NMC成为最普遍的正极

2

4

Armand提出固态聚合物电解质基固态电池概念

Armand提出用于固态电池的新型酰亚胺基盐、锂迁移、锂负极保护方法

固态电池技术不断改进，法国Bollore集团首次使用装载固态电池的电动汽车

资料来源：

Fromsolid-solutionelectrodesandtherocking-chairconcepttotoday’s

batteries,HengZhang

-4-

1991年索尼公司推出商业化液态锂离子电池，随后液态锂离子电池进入快

速发展阶段。

由于对更高能量密度和更高安全性电池的追求，固态电池重新

+

引起了人们的关注。

20世纪90年代，Armand先后提出Li迁移原理、锂负

极保护等理论，固态电池不断得到改进，2011年Bollore集团首次使用装载

固态电池的电动汽车，证明了固态电池应用的可行性。

动力电池市场是锂电的重要应用领域，对长续航动力电池的追求不断推动锂

电市场发展。

在全球范围内，汽车电动化的趋势已不可避免，而新能源车近

几年在我国快速发展，也将逐步成为我国未来重要的支柱产业，为锂电池的

发展提供了重要的基础。

此外，对长续航、高安全性动力电池的追求将推动

研发的持续投入和技术的不断革新。

图2：

中国锂电池三大终端应用出货量

140

120

100

80

60

40

20

0

2011

2012

2013

2014

2015

2016

2017

2018

2019

动力电池

消费电池

储能电池

资料来源：

GGII，单位：

GWh

依靠现有动力电池体系，2025年后电池能量密度难以达到国家要求。

目前，

我国动力电池采用的正极材料已由磷酸铁锂转向三元体系，逐渐向高镍三元

发展，负极材料当前产业化仍集中于石墨、硅基等材料领域。

据一些电池供

应商推测，未来五年锂离子动力电池的单体能量密度有望提高至300Wh/kg

以上，但依靠已有的三元体系难以实现电池单体能量密度高于350Wh/kg的

目标。

图3：

国内乘用车动力电池系统能量密度

图4：

动力电池单体能量密度发展要求

传统锂电难以实现

乘用车电池能量密度变化

2019年国内主要车型电池能量密度

600

500

400

300

200

100

0

150.7

几何A

小鹏汽车G3

广汽AionLX

广汽AionS

蔚来ES6

182

180

180

100.1

170

+51%

170

广汽丰田iA5

比亚迪唐

170

161

2017年第1批次

2019年第7批次

能量密度

动力电池能量密度

2019

2020

2025

2030

国内量产水平

《中国制造2025》

《汽车产业中长期发展规划》

资料来源：

工信部，单位：

Wh/kg

资料来源：

工信部，单位：

Wh/kg

-5-

固态电池或将被上升至国家战略层面，核心技术研发进程将加速。

2019年

12月，工信部发布《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》（征求意见

稿），在“实施电池技术突破行动”中，加快固态动力电池技术研发及产业

化被列为“新能源汽车核心技术攻关工程”。

锂电池理论能量密度主要取决于正负极材料克容量和工作电压（电势差）。

（1）正负极之间电势差越大，工作电压越高，电池能量密度越高。

目前基

于液态锂离子电池的材料和使用安全性的需要，实际使用的正负极之间的电

势差不能超过4.2V。

（2）电极材料克容量越大，电池能量密度越高。

正极材料克容量提升有限，

传统的石墨负极材料也远远无法满足新一代高能量密度电池的设计需求，硅

材料虽然比容量高，但是嵌锂过程中体积膨胀大，导致循环寿命较差；因此

负极材料改进的空间较大，金属锂负极克容量约为石墨的10倍，理论能量

密度可大幅提升。

（3）提升能量密度时，同时要考虑安全性。

磷酸铁锂电池安全性好、成本

低，但能量密度不高，耐低温性能差，目前比亚迪采用刀片电池改进；三元

电池能量密度高，耐低温，但存在安全性差，成本高的缺点。

由于对能量和

续航的更高要求，在小型乘用车领域，目前三元电池已占据过半市场份额，

但三元电池带来的安全隐患不容忽视。

图5：

电极材料的克容量与电化学势

钴酸锂LCO

锰酸锂LMO

三元镍钴锰NCM

三元镍钴铝NCA

磷酸铁锂LFP

石墨

Li

0

1000

2000

3000

4000

理论克容量（mAh/g）

资料来源：

Reducingtheinterfacialresistanceinall-solid-statelithiumbatteriesbasedon

oxideceramicelectrolytes,ZhouyangJiang

液态锂离子电池存在安全隐患，矛头指向液态电解质。

据不完全统计，截至

2019年10月，我国一共发生了79起电动汽车的安全事故，涉及车辆达到

了96辆。

引发电动汽车安全事故的主要原因是热失控导致电池爆炸或自燃。

电池自燃的原因是在过充电、低温或高温环境下动力电池发生短路，短时间

内电池释放大量热量，点燃电池内部的液态电解质，最终导致电池起火。

-6-

图6：

电池热失控原因

资料来源：

《车用锂离子动力电池热失控诱发与扩展机理》，冯旭宁

与液态锂离子电池不同，固态电池中的固态电解质替代了液态锂离子电池的

液态电解质、隔膜。

固态电池潜力巨大，有希望获得安全性更高、单体能量

密度更高（＞350Wh/kg）和寿命更长（＞5000次）的动力电池。

图7：

液态锂离子电池与固态电池性能对比

铜集流器

多孔正极材料

液态电解质

多孔负极材料

负极

固态电解质

正极/固态电解质

复合材料

铝集流器

铝集流器

液态锂离子电池

固态电池

正极、负极、电解质、集流器等

电池结构

电解质

正极、负极、电解液、

隔膜、集流器等

LiPF，PVDF-HFP，

无机电解质：

LiPON，Thio-LISICON，

6

EC-DMC，等

LATP，等

聚合物电解质：

PEO，等

①工业化、自动化程度较高；

②电极与电解液的界面接触好；

①能量密度高；

②电化学窗口可达5V以上，可匹配高电

压材料；

优点

缺点

③充放电循环过程重电极膨胀

相对可控；

③只传输锂离子，不传导电子；

④热稳定性好；

④单位面积的导电率较高；

①有机电解液易挥发易燃烧，

电池体系的热稳定性差；

①界面电阻高，与空气稳定性差；

②单位面积离子电导率较低，常温下比功

率密度较差；

②依赖形成的SEI膜保护电池；

③锂离子与电子可能同时传导；

④持续的界面副反应；

③成本高；

④循环过程中物理接触变差；

资料来源：

《全固态锂电池技术的研究现状与展望》，许晓雄

-7-

（1）安全性高，降低电池自燃、爆炸风险。

固态电池将液态电解质替换为

固态电解质，大大降低了电池热失控的风险。

半固态、准固态电池仍存在一

定的可燃风险，但安全性优于液态锂电池。

（2）能量密度高，有望解决新能源汽车里程焦虑问题。

固态电池电化学窗

口可达5V以上，高于液态锂离子电池（4.2V），允许匹配高能正极，提升理

论能量密度。

固态电池无需电解液和隔膜，缩减电池包重量和体积，提高续

航能力。

电池负极可以采用金属锂，正极材料选择面更宽。

（3）固态电池可简化封装、冷却系统，电芯内部为串联结构，在有限空间

内进一步缩减电池重量，体积能量密度较液态锂离子电池（石墨负极）可提

升70%以上。

液态锂离子电池以并联结构相接，封装复杂且体积庞大；固态

电池无漏液风险，可简化冷却系统，电池以多电芯串联结构相接，优化电池

封装，电池的体积能量密度大幅提升。

图8：

液态锂离子电池与固态电池制备工艺对比

传统锂离子电池

固态电池

单体

电芯

并联叠加

串联叠加

集流体需焊接接头

致密堆积

电池

模组

串联连接

冷却系统

封装后不需冷却

电池

PACK

资料来源：

All-solid-statelithium-ionandlithiummetalbatteries–pavingthewayto

large-scaleproduction,JoschaSchnell

固态电池的技术发展采用逐步颠覆策略，液态电解质含量逐步下降，全固态

电池是最终形态。

依据电解质分类，锂电池可分为液态、半固态、准固态和

全固态四大类，其中半固态、准固态和全固态三种统称为固态电池。

固态电

池的迭代过程中，液态电解质含量将从20wt%降至0wt%，电池负极逐步替

换成金属锂片，电池能量密度有望提升至500Wh/kg，电池工作温度范围扩

大三倍以上。

预计在2025年前后，半固态电池可以实现量产，2030年前后

实现全固态电池的商业化应用。

-8-

图9：

固态电池发展策略

25wt%

10wt%

半固态

50wt%

富锂负极

350Wh/Kg

5wt%1wt%0wt%电池中液体含量

液态

凝胶

准固态

全固态

0wt%5wt%

30wt%

80-100%负极金属锂含量

金属锂负极

石墨负极

预锂化负极

250Wh/Kg

300Wh/Kg

400Wh/Kg500Wh/Kg能量密度

150℃

工作温度

55℃

80℃

资料来源：

《全固态锂电池技术的研究现状与展望》，许晓雄

1.2、电解质和界面双管齐下，构建高性能固态电池

（1）构建高性能固态电解质，固态电解质和液态电解质的核心要求一致：

-3

-2

1）电导率高，一般商业化电解质电导率范围在3×10~2×10S/cm；

2）化学稳定性好，不与电池内部材料发生反应；

3）电化学窗口宽，在稳定的前提下电化学窗口越宽越好，以适配高能电极；

4）高锂离子迁移数，离子迁移数达到1是最理想的状态。

氧化物固态电解质各方面性能较为均衡，其他类型固态电解质普遍存在性能

短板，尚不能达到大规模应用的要求。

固态电解质是固态电池的核心部件，

在很大程度上决定了固态电池的各项性能参数，如功率密度、循环稳定性、

安全性能、高低温性能以及使用寿命。

固态电池距离高性能锂离子电池系统

仍有差距，聚合物、氧化物、硫化物三类固态电解质的性能参数各有优劣。

图10：

不同固态电解质性能雷达图

氧化物固态电解质

硫化物固态电解质

氢化物固态电解质

锂离子

迁移数

还原

稳定性

锂离子

迁移数

还原

稳定性

锂离子

迁移数

还原

稳定性

电子

氧化

电子

氧化

电子

氧化

电导率

稳定性

电导率

稳定性

电导率

稳定性

离子

化学

离子

化学

离子

化学

电导率

电导率

稳定性电导率

热稳定性制备工艺

加工成本

稳定性

热稳定性

机械性能

制备工艺

制备工艺

加工成本

加工成本

机械性能

卤化物固态电解质

薄膜固态电解质

聚合物固态电解质

还原

稳定性

锂离子

迁移数

还原

稳定性

电子

氧化

电子

氧化

电子

氧化

电导率

稳定性

电导率

稳定性

电导率

稳定性

离子

化学

离子

化学

离子

化学

电导率

稳定性

热稳定性

机械性能

电导率

稳定性电导率

热稳定性制备工艺

加工成本

稳定性

热稳定性

机械性能

制备工艺

制备工艺

加工成本

加工成本

机械性能

资料来源：

Lithiumbatterychemistriesenabledbysolid-stateelectrolytes,Arumugam

Manthiram

-9-

聚合物固态电解质率先实现应用，但存在高成本和低电导率两个致命问题。

目前主流的聚合物固态电解质是聚环氧乙烷（PEO）电解质及其衍生材料。

2011年法国Bollore公司推出固态电池为动力系统的电动车，聚合物固态电

池率先实现商业化。

聚合物电解质在室温下导电率低，能量上限不高，升温

后离子电导率大幅提高但既消耗能量又增加成本，增大了商业化的难度。

氧化物固态电解质综合性能好，LiPON薄膜型全固态电池已小批量生产，非

薄膜型已尝试打开消费电子市场。

LLZO型富锂电解质室温离子导电率为

-4

10S/cm、电化学窗口宽、锂负极兼容性好，被认为是最有吸引力的固态电

解质材料之一，制约其发展的重要因素是电解质和电极之间界面阻抗较大，

界面反应造成电池容量衰减。

硫化物固态电解质电导率最高，研究难度最高，开发潜力最大，如何保持高

-2

稳定性是一大难题。

LGPS电解质的离子电导率高达1.2x10S/cm，可与液

态电解质相媲美。

虽然硫化物电解质与锂电极的界面稳定性较差，但由于离

子电导率极高、电化学稳定窗口较宽（5V以上），受到了众多企业的青睐，

尤其是日韩企业投入了大量资金进行研究。

表1：

三大固态电解质体系及特点

固态电解质类型

主要研究体系

离子电导率

室温：

优点

缺点

研究方向

PEO固态聚合物体系

聚碳酸酯体系

灵活性好

易大规模制备薄膜

剪切模量低

将PEO与其他材料共

混共聚或交联，形成

有机-无机杂化体系，

提升性能

离子电导率低

氧化电压低

（<4V）

-7

-5

10-10S/cm；

65-78℃：

聚合物固态电解质

聚烷氧基体系

-4

不与锂金属反应

10S/cm

聚合物锂单离子导体基体系

非薄膜：

钙钛矿型；石榴石型；

化学、电化学稳定性高

机械性能好

提升电导率：

替换元

NASICON型；LISICON型10-10S/cm

薄膜：

LiPON型

-6

-3

界面接触差素或掺杂同种异价元

素

氧合物固态电解质

硫化物固态电解质

电化学氧化电位高

Thio-LiSICON型

提高电解质稳定性，

电导率高

机械性能好

晶界阻抗低

易氧化

降低生产成本，元素

掺杂发挥各元素协同

作用

LGPS型

-7

-2

10-10S/cm

水汽敏感

Li-aegyrodite型

资料来源：

Recentprogressofthesolid-stateelectrolytesforhigh-energymetal-basedbatteries,LeiFan

我们认为，目前氧化物体系进展最快，硫化物体系紧随其后，高能聚合物体

系仍处于实验室研究阶段，硫化物和聚合物体系都已取得长足进展。

1）近年多家中国企业建立氧化物固态电池生产线。

2018年11月苏州清陶

固态锂电池生产线在江苏昆山建成投产，单体能量密度达400Wh/kg以上，

拟于2020年进入动力电池应用领域。

江苏卫蓝新能源电池有限公司也计划

于近期尝试进一步探索。

2019年4月辉能科技宣布与南都电源合作，计划

建立国内首条1GWh规模的固态电池生产线，2019年底，辉能科技宣布将

于2020年建成固体电池生产线，2020年4月辉能科技完成D轮融资，本

轮融资将用于加速固态电池商业化落地和工厂建设。

2）2020年日本丰田计划推出搭载硫化物固态电池的新能源汽车，并于2022

年实现量产。

十几年前丰田已开展固态电池研发工作，不仅获得了固态电解

-10-

质材料、固态电池的制造技术等方面的专利，还研发了一整套的正极材料和

硫化物固态电解质材料回收的技术路线和回收工序。

3）美国Sakti3宣布研发出超高能量密度聚合物固态电池。

2019年12月，

Sakti3号称开发出了能量密度超1000Wh/kg的固态电池，但该电池至今还

未在实验室之外进行过测试，绝大多数技术细节并未公开。

图11：

不同企业选择的电解质技术路线

聚合物固态电解质路线

硫化物固态电解质路线

氧化物固态电解质路线

资料来源：

宁德时代、辉能科技、LG等公司官网，光大证券研究所

（2）提高界面相容性和稳定性

构建良好的界面接触是提高固态电池电化学性能的有效策略。

固相界面间无

润湿性，难以充分接触，形成更高的接触电阻，在循环过程中发生元素互扩

散及形成空间电荷层等现象，影响电池性能。

晶态电解质中存在大量晶界，

高晶界电阻不利于锂离子在正负极间的传输。

图12：

固态电池界面问题

复合正极内部界面

电解质内部界面

锂金属/合金负极

稳定高速离子、电子通道

离子电导率

能量密度

倍率性能

循环寿命

温度特性

界面:

反应与电阻

界面:

锂枝晶

高效稳定

资料来源：

《固态锂电池界面问题的研究进展》，毕志杰

固态电解质晶界

晶界电阻决定材料的总离子电导率。

提高致密度、降低晶界数量是降低电解

质内