行業(yè)研究是投資的源泉。元和控股推出“元?jiǎng)恿Α毕盗醒芯糠窒?，編輯部推出“元?jiǎng)恿Α毙袠I(yè)研究欄目，旨在交流行業(yè)研究成果，分析行業(yè)發(fā)展前景，探討未來(lái)投資方向。

本期《元?jiǎng)恿Α沸袠I(yè)研究專欄聚焦固態(tài)電池，分享者是元和控股研究中心(博士后研究站)分析師蔡一楓博士，展開鋰電池與固態(tài)電池、固態(tài)電池技術(shù)與產(chǎn)業(yè)進(jìn)步、固態(tài)電池投資機(jī)會(huì)等維度。

鋰電池的發(fā)展過程

自20世紀(jì)70年代和80年代第一臺(tái)可充放鋰二次電池問世以來(lái)，鋰電池技術(shù)經(jīng)歷了快速發(fā)展。1993年，索尼首次將鋰電池商業(yè)化，開啟了電池技術(shù)的新時(shí)代。

21世紀(jì)，隨著智能手機(jī)、筆記本電腦等消費(fèi)電子產(chǎn)品的普及，鋰電池在消費(fèi)電子領(lǐng)域迎來(lái)了爆發(fā)期。在此期間，鋰電池逐漸取代了傳統(tǒng)的鎳鎘和鎳氫電池，成為消費(fèi)電子領(lǐng)域的主流電源，因?yàn)樗鼈兙哂懈吣芰棵芏?、長(zhǎng)循環(huán)壽命和良好的安全性能。

隨著日產(chǎn)純電LEAF的出現(xiàn)，2010年鋰電池開始在新能源汽車領(lǐng)域嶄露頭角。接著，特斯拉Model S的推出將鋰電池推向了動(dòng)力電池應(yīng)用領(lǐng)域的新高度。鋰電池因其高能密度、高功率密度和良好的循環(huán)性能而成為新能源汽車動(dòng)力電池的首選。

鋰電池發(fā)展史(時(shí)間線以上)固體鋰電池發(fā)展史(時(shí)間線以下)來(lái)源：元和控股研究中心

截至去年，鋰電池全球安裝容量已突破1TWh。這一里程碑的實(shí)現(xiàn)，不僅意味著鋰電池技術(shù)的成熟，也預(yù)示著鋰電池在未來(lái)能源儲(chǔ)存領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用價(jià)值。

2018-2026E鋰電池出貨量(動(dòng)力、儲(chǔ)能、消費(fèi))來(lái)源：iFind、起點(diǎn)鋰電

鋰電池的核心指標(biāo)包括能量密度、循環(huán)次數(shù)和安全性。正負(fù)極材料的發(fā)展方向是追求更高的儲(chǔ)能密度、更長(zhǎng)的循環(huán)次數(shù)和更好的安全性。鋰電池的能量密度自2016年以來(lái)一直在提高，整體發(fā)展可分為高能路線和性價(jià)比路線兩大類。從鎳含量30-50%的中低鎳到8系，甚至9系、92系等高鎳材料，高能路線主要是正極三元材料的提升。未來(lái)能量密度的進(jìn)一步提高需要匹配容量更高的負(fù)極和能量更高的正極；磷酸鐵鋰電池是性價(jià)比路線的主要因素，未來(lái)可能會(huì)使用磷酸錳鐵鋰。由于磷酸鐵鋰電池壽命長(zhǎng)，價(jià)格低廉，國(guó)內(nèi)儲(chǔ)能鋰電池100%為磷酸鐵鋰電池。

鋰電池發(fā)展趨勢(shì)來(lái)源：元禾控股研究中心

固體電池的概念及優(yōu)點(diǎn)

鋰電池作為目前應(yīng)用最廣泛的電池技術(shù)，其基本原理是通過鋰離子在正負(fù)之間運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)充放電過程。固體電池和液體電池的主要區(qū)別在于電解質(zhì)。固體電池用固體電解質(zhì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液體電解質(zhì)。半固體電池位于液體電池和固體電池之間，包括電解液和固體電解質(zhì)。業(yè)內(nèi)廣泛認(rèn)為半固體電池是一種過渡方案，本文將重點(diǎn)關(guān)注全固態(tài)電池展開討論。

固體電池結(jié)構(gòu)示意圖

與液態(tài)電池相比，固態(tài)電池最顯著的優(yōu)點(diǎn)是能量密度高，安全性高，被稱為電池技術(shù)的下一代發(fā)展方向。當(dāng)前液態(tài)電池對(duì)于提高硅基負(fù)極比或與鋰金屬負(fù)極匹配十分困難，單芯能量密度難以突破350Wh/kg，而且固體電池通過與高壓正極相匹配，鋰金屬負(fù)極有望在能量密度方面超過400Wh/hkg，大大提高了新能源汽車的續(xù)航里程。二是安全，有機(jī)電解液相對(duì)易燃，固態(tài)電解質(zhì)一般不易燃。

固體電池面臨的商業(yè)化挑戰(zhàn)

當(dāng)前固態(tài)電池主要面臨三大問題：

經(jīng)濟(jì)性：固體電解質(zhì)價(jià)格昂貴，成本遠(yuǎn)高于液體電解質(zhì)；

很難兼顧很多性能:各種電解質(zhì)各有優(yōu)劣，沒有完美的材料，很難兼顧離子電導(dǎo)率、加工性能、充放電性能和制備難度；

界面接觸問題:固體界面更難控制。頁(yè)面接觸不良會(huì)導(dǎo)致一系列電池變質(zhì)，對(duì)電池的循環(huán)壽命和安全性會(huì)產(chǎn)生很大的不良影響。

中信證券研究所所面臨的主要商業(yè)化挑戰(zhàn)來(lái)源：

發(fā)展固體電池的路線

目前固態(tài)電池還處于商業(yè)化初期。雖然鋰電池的出貨量已經(jīng)超過了1TWh，但實(shí)際上還處于R&D和市場(chǎng)推廣階段。預(yù)計(jì)到2030年左右，固態(tài)電池的滲透率將達(dá)到商業(yè)化初期，超過鋰電池的1%。

預(yù)測(cè)固體鋰電池發(fā)展趨勢(shì)的來(lái)源：元禾控股研究中心

固體電池產(chǎn)業(yè)鏈

固體電池和液體電池的上游是各種資源，主要區(qū)別在于工業(yè)上游和中游。材料的核心成分是固體電解質(zhì)，起到液體電池電解液和隔膜的作用。此外，固體電池和液體電池的結(jié)構(gòu)和工藝也會(huì)有相對(duì)較大的差異。

固體鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈圖譜(對(duì)比液體電池)來(lái)源：元禾控股研究中心

介紹固態(tài)電解質(zhì)

在材料方面，固體電解質(zhì)可以分為四類，即聚合物、氧化物、鹵化物和硫酸鹽。聚合物固態(tài)電解質(zhì)最早出現(xiàn)，商業(yè)化難度較小。但高聚物固態(tài)電解質(zhì)一般電導(dǎo)率較低，一般需復(fù)合或作為半固態(tài)電解質(zhì)使用。氧化固態(tài)電解質(zhì)整體性能良好，但材料硬度高，離子電導(dǎo)率低，目前主要用于半固態(tài)電池隔膜涂層。鹵化物的整體特性接近硫酸鹽電解質(zhì)，但穩(wěn)定性較差，目前正處于實(shí)驗(yàn)室階段。硫酸固態(tài)電解質(zhì)電導(dǎo)率最高，延展性好，潛力最大。但硫酸鹽電解質(zhì)對(duì)水敏感，生產(chǎn)工藝復(fù)雜。

各類電解質(zhì)特性及代表企業(yè)來(lái)源：學(xué)術(shù)論文，公開資料整理

氧化固體電解質(zhì)：離子電導(dǎo)率適中，加工難度大。

一般來(lái)說(shuō)，氧化物固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率為10。?6～10?在3S/cm之間，氧化物的致密外觀使其具有更好的機(jī)械強(qiáng)度，能夠承受高電壓。然而，氧化物固體電解質(zhì)剛度過高、易碎、固體-固體界面相容性差是其面臨的主要挑戰(zhàn)。氧化物固體電解質(zhì)可分為晶體和非晶體。

晶體氧化物電解質(zhì)：主要代表包括LLZO、LATP 、由于晶體氧化物界面難以控制，LLTO在可靠性和電導(dǎo)率方面各有特點(diǎn)。目前氧化物固態(tài)電解質(zhì)的使用場(chǎng)景主要是半固態(tài)電池。

非晶氧化物電解質(zhì)：LiPON可以應(yīng)用于薄膜全固態(tài)電池，由于離子電導(dǎo)率低，這種電池電量較低(mAh級(jí))。

聚合物固態(tài)電解質(zhì)：電導(dǎo)率低，不能單獨(dú)使用。

聚合物固體電解質(zhì)，由聚合物基體組成（PEO、主要是PVDF和鋰鹽(例如LiFSISIF)、由LiTFSI等組成。聚合物固態(tài)電解質(zhì)的主要優(yōu)點(diǎn)是柔韌性高，可加工性高，已經(jīng)具有低成本生產(chǎn)的可能性。PEO/傳統(tǒng)Li 在室溫下，salt聚合物電解質(zhì)離子電導(dǎo)率較低，僅為10。?8～10?6S/cm，需要加熱到60℃以上才能達(dá)到10℃?5～10?4S/cm。聚合物的研究主要集中在通過化學(xué)修飾或復(fù)合材料的方法來(lái)提高其電導(dǎo)率和熱穩(wěn)定性。聚合物固態(tài)電解質(zhì)離子電導(dǎo)率低，不能直接用于制備固態(tài)電池，但可以利用聚合物優(yōu)異的加工性能作為界面優(yōu)化，尤其是鋰金屬表面。

鹵化物固態(tài)電解質(zhì)：性能接近硫酸鹽，成熟度低

Li3YX66具有實(shí)用價(jià)值的鹵化物電解質(zhì)（X=Cl，Br）據(jù)報(bào)道，2018年，離子電導(dǎo)率達(dá)到10-3S/cm，接近硫酸鹽，但由于研發(fā)時(shí)間短，目前仍不成熟。目前鹵化物電解質(zhì)面臨的主要問題如下：1)鹵化物空氣不穩(wěn)定，可發(fā)生不可逆水解產(chǎn)生HCl；2)鹵化物電解質(zhì)內(nèi)部存在額外的晶界阻抗，影響電導(dǎo)率的進(jìn)一步提高；3)鹵化物電解質(zhì)電化學(xué)恢復(fù)穩(wěn)定性差，不能直接與金屬鋰負(fù)極相匹配。

硫酸鹽固體電解質(zhì)：離子電導(dǎo)率接近液體電解質(zhì)

2008年被報(bào)道的硫酸鹽固態(tài)電解質(zhì)可達(dá)到～10mS/cm（～10-2S/cm）接近液體電解質(zhì)的超高離子電導(dǎo)率，遠(yuǎn)高于氧化物和聚合物電解質(zhì)，被認(rèn)為是最具潛力的固體電解質(zhì)。硫酸鹽固態(tài)電解質(zhì)的主要缺點(diǎn)是熱穩(wěn)定性差，容易與空氣中的水反應(yīng)產(chǎn)生H2S氣體，從而破壞電解質(zhì)。因此，開發(fā)硫酸鹽電解質(zhì)難度大，對(duì)工作環(huán)境要求嚴(yán)格。

根據(jù)硫酸鹽電解質(zhì)的構(gòu)成，可分為二元系統(tǒng)、三元系統(tǒng)和四元系統(tǒng)。晶體形態(tài)可分為非晶體和晶體。

硫酸鹽電解質(zhì)的類型及其特性來(lái)源：Fan L et al. Advanced Energy Materials, 2018, 8(11): 1702657

從材料價(jià)格來(lái)看，鱘的價(jià)格更高(金屬鱘每噸約1000萬(wàn)元)。雖然引入鱘可以提高電解質(zhì)離子電導(dǎo)率，但性價(jià)比相對(duì)較低。所以，鋰磷硫氯/鋰硅磷硫氯不含釩元素更具商業(yè)前景，鋰硅磷硫氯的最高離子電導(dǎo)率可達(dá)25mS/cm(2016年報(bào)道)。就原料而言，目前電池級(jí)硫化鋰(高純度硫化鋰)≥99.9%)由于產(chǎn)量低，供應(yīng)商少，主要從海外企業(yè)購(gòu)買，價(jià)格保持在較高水平。預(yù)計(jì)未來(lái)國(guó)內(nèi)成交量之后價(jià)格將繼續(xù)下跌。

硫酸鹽固態(tài)電解質(zhì)的制備工藝包括高溫淬冷法、高能球磨法、液相法等。制備過程應(yīng)在稀有氣體的保護(hù)下進(jìn)行。高能球磨法是目前主流的制備工藝。將原料混合并放入球磨機(jī)上進(jìn)行高能球磨，然后取出球磨進(jìn)行熱處理。優(yōu)點(diǎn)是攪拌均勻，提高離子電導(dǎo)率和結(jié)晶度。缺點(diǎn)是設(shè)備要求高，制備時(shí)間長(zhǎng)，只適合小批量生產(chǎn)。

高能球磨法制備硫酸鹽電解質(zhì)

固體電池的核心難點(diǎn)：材料/接口/電極/電池

根據(jù)歐陽(yáng)明高院士對(duì)全固態(tài)電池研發(fā)現(xiàn)狀的總結(jié)，其核心難點(diǎn)集中在材料、界面、電極和電池上。

材料級(jí)別:高鎳正極、富鋰錳基循環(huán)穩(wěn)定性、硫酸鹽電解質(zhì)可靠性和批量生產(chǎn)，硅基負(fù)極體積變化較大，鋰負(fù)極成熟度較低。

界面層次：電極-電解質(zhì)頁(yè)面相容性，包括界面副作用，固定-固定界面的機(jī)械接觸和體積變化需要外部壓力。

電極級(jí)：電荷運(yùn)輸緩慢，機(jī)械故障，高電流強(qiáng)度下鋰負(fù)極循環(huán)穩(wěn)定，高面載復(fù)合電極動(dòng)態(tài)應(yīng)變環(huán)境。

電池級(jí)別：環(huán)境控制成本高，等靜壓壓制效率低，電池做大做厚難，車載條件下電池性能綜合評(píng)定等。

世界上許多企業(yè)都在進(jìn)步。

豐田

豐田是第一家試圖在全固態(tài)電池中使用硫酸鹽的公司，計(jì)劃在2027年量產(chǎn)上車。但是，在2023年11月，豐田將固態(tài)電池的量產(chǎn)時(shí)間從2027年推遲到2030年。在成本方面，豐田預(yù)計(jì)2028年約75美元/美元。kWh，并且有望降至65美元//kWh。

電池方案及指標(biāo)：硫酸鹽電解質(zhì)，正極三元/負(fù)極石墨 硅基，容量75Ah，能量密度500Wh/hL。

Maxell

目標(biāo)是2030年銷售300億日元。

電池方案及指標(biāo)：硫酸鹽電解質(zhì)，正極未披露/負(fù)極石墨 容量8-200mAh的納米硅，循環(huán)壽命1000次。

Solid Power

Solid Power的核心產(chǎn)品是軟包全固態(tài)電池和硫酸鹽固態(tài)電解質(zhì)。2023年?duì)I收1741萬(wàn)美元，凈利潤(rùn)-6554萬(wàn)美元；2022年?duì)I收1179萬(wàn)美元，凈利潤(rùn)-956萬(wàn)美元。

電池方案及指標(biāo)：

（第一代）：電解硫酸鹽，正極NCM811/負(fù)極富硅負(fù)極，容量2-20Ah，能量密度390Wh/kg，1000次循環(huán)壽命。

(第二代，初期研發(fā)階段)：正極NCM811/負(fù)極鋰金屬硫酸鹽電解質(zhì)，能量密度440Wh/kg，1000次循環(huán)壽命。

(第三代，初期研發(fā)階段)：正極富含鋰錳基/負(fù)極鋰金屬的硫酸鹽電解質(zhì)，能量密度560Wh/kg，1000次循環(huán)壽命。

三星SDI

2023年，首爾南部水原市R&D中心建立了一條全固態(tài)電池實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)線。12月，成立了促進(jìn)全固態(tài)電池商業(yè)化的專門團(tuán)隊(duì)，現(xiàn)在正在交付原樣品；2024年3月5日，三星宣布目標(biāo)是在2027年量產(chǎn)全固態(tài)電池。

電池計(jì)劃及指標(biāo)：目標(biāo)是生產(chǎn)無(wú)負(fù)極硫酸鹽全固態(tài)電池，能量密度900Wh//L（~350Wh/kg）。

寧德時(shí)代

當(dāng)代安普瑞斯科技有限公司在接受調(diào)查時(shí)表示，公司的全固態(tài)電池R&D項(xiàng)目目前處于4的水平，目標(biāo)是在2027年達(dá)到7-8的水平，預(yù)計(jì)將實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池的小批量生產(chǎn)。

電池方案及指標(biāo)：硫酸鹽電解質(zhì)，正極三元/負(fù)極鋰金屬。

比亞迪

2027-2029年是示范期，2030-2032年是主流方案。預(yù)計(jì)2030年將有4萬(wàn)輛汽車上車，假設(shè)自行車帶電75kWh，估計(jì)電量為3GWh。

核心方案及指標(biāo)：硫酸鹽電解質(zhì)(復(fù)合鹵化物)，正極單晶高鎳三元/負(fù)極硅基負(fù)極，容量60Ah，能量密度＞400Wh/kg。

恩力動(dòng)力

恩力動(dòng)力于2023年11月投產(chǎn)高比SWIFT系列半固態(tài)產(chǎn)品，能量密度在300-350Wh/kg之間。恩力動(dòng)力于2024年6月12日宣布，在無(wú)壓力環(huán)境下，新型大空間全固態(tài)電池可實(shí)現(xiàn)數(shù)百次穩(wěn)定充放循環(huán)，容量保持在85%以上。

核心方案及指標(biāo)：硫酸鹽電解質(zhì)，正極三元/負(fù)極鋰金屬，容量Ah級(jí)，能量密度400-500Wh/kg，數(shù)百次循環(huán)壽命。

巨灣技研

巨灣技術(shù)研究成立于2020年9月，由廣汽集團(tuán)、廣汽資本、廣汽研究院主導(dǎo)的R&D團(tuán)隊(duì)與第三方戰(zhàn)略合作伙伴持股平臺(tái)共同出資。2022年5月，A輪融資完成，估值約90億元。

電池方案及指標(biāo)：正極三元/負(fù)極鋰金屬，容量14.6Ah，能量密度＞500Wh/kg，周期壽命>500次。

行業(yè)總結(jié)

目前固體電池仍處于商業(yè)化初期，大多數(shù)企業(yè)選擇硫酸鹽，硫酸鹽已基本成為行業(yè)共識(shí)。

豐田于2012年開始對(duì)日本硫酸鹽電解質(zhì)及其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)行研究，但工業(yè)化進(jìn)程一直十分緩慢，量產(chǎn)時(shí)間從2025年推遲到2027年，目前最新動(dòng)態(tài)已推遲到2030年。頭部企業(yè)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程沒有明顯的優(yōu)勢(shì)。

國(guó)內(nèi)公司最初的R&D和工業(yè)化主要是氧化物路線，但由于氧化物離子電導(dǎo)率低、頁(yè)面性能差，很難應(yīng)用于純固態(tài)電池，氧化物電解質(zhì)轉(zhuǎn)移到半固態(tài)路線。

討論投資機(jī)會(huì)

目前固體電池階段很早，不應(yīng)受鋰電跑道萬(wàn)億產(chǎn)值的影響，重視估值與階段的匹配與合理。硫酸鹽電解質(zhì)和電芯是固態(tài)電池的核心環(huán)節(jié)。與液體電解質(zhì)最接近的硫酸鹽電解質(zhì)電導(dǎo)率已得到市場(chǎng)的普遍認(rèn)可，并將成為未來(lái)的主流。與硫酸鹽相比，反鈣鈦礦氧化物、鹵化物的性能仍處于實(shí)驗(yàn)室階段。由于性能的原因，其它類型的電解質(zhì)一般只能作為復(fù)合或輔料使用。關(guān)注企業(yè)解決核心難點(diǎn)問題的能力，對(duì)團(tuán)隊(duì)的綜合能力要求較高。另外，電解質(zhì)生產(chǎn)、電芯生產(chǎn)相關(guān)設(shè)備與傳統(tǒng)方案有很大不同，還可以關(guān)注設(shè)備投資機(jī)會(huì)。

電解質(zhì)

硫酸鹽電解質(zhì)已基本成為市場(chǎng)共識(shí)，重點(diǎn)關(guān)注硫酸鹽電解質(zhì)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈，重點(diǎn)關(guān)注反鈣鈦礦、鹵化物的科研進(jìn)展。重點(diǎn)關(guān)注硫酸鹽電解質(zhì)上游硫化鋰的產(chǎn)業(yè)化，重點(diǎn)關(guān)注:①高純度硫化鋰合成量產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)低成本硫化鋰合成；②低成本硫酸鹽電解質(zhì)產(chǎn)生高離子電導(dǎo)率，尤其是鋰磷硫氯和鋰硅磷硫氯。

目前，硫酸鹽的主流制備方案是球磨法，但其生產(chǎn)效率低下，需要開發(fā)噸級(jí)設(shè)備。硫化鋰和硫酸鹽電解質(zhì)對(duì)氣體水分敏感，需要相應(yīng)的干燥車間和干燥設(shè)備。

電芯

國(guó)內(nèi)外巨頭企業(yè)并沒有明顯的領(lǐng)先地位，硫酸鹽純固態(tài)電池幾乎都處于各大企業(yè)的起步階段。固體電池生產(chǎn)測(cè)試團(tuán)隊(duì)的綜合能力。電池的主要形式是軟包和圓柱形，其中疊片軟包的難度相對(duì)較低，有望領(lǐng)先。

從1Ah到20Ah，甚至更多的電池容量逐漸增大，仍然存在一定的難度。應(yīng)用領(lǐng)域估計(jì)先3C再上車，3C對(duì)產(chǎn)品一致性相對(duì)寬容。EVTOL可能會(huì)促進(jìn)固態(tài)電池的高能密度應(yīng)用，但EVTOL本身仍處于商業(yè)化的早期階段。

在企業(yè)團(tuán)隊(duì)方面，重點(diǎn)關(guān)注團(tuán)隊(duì)解決核心問題的能力，主要包括:硫酸鹽電解質(zhì)的應(yīng)用能力、界面工程能力、鋰金屬負(fù)極處理能力、電池工藝控制能力、大型電池生產(chǎn)能力、電池批量后的一致性。

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