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固态电池产业简析

凯璞庭集团

2020-05-18

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固态电池产业简析

刘韬哲 先生

作者简介

曾就读于美国俄亥俄州立大学，工业系统工程硕士。凯璞庭资本投资经理，曾任职于菲亚特克莱斯勒汽车集团（FCA）。

固态电池是一种高安全、高比能量、长寿命的储能器件技术，已经成为新型化学电源领域的重要发展方向。与现今应用最广泛的锂离子电池和锂离子聚合物电池等液体电解质电池不同的是，固态电池是一种使用固体电解质的电池。固态电池的技术概念提出的历史很长，最早可追溯到自20世纪50年代。90年代传统锂离子电池技术突破、实现商用，同时对固态电池技术的研究与开发也一直在进行当中。2010年以来，随着材料学和电化学技术的进步，固态电池大规模商用进程加快。

固态电池与液态锂离子电池对比

（一）传统锂离子电池工作原理

现行的锂离子电池，主要有四大件：正极、负极、隔膜、电解液，这四大件再配合其他的辅材及结构，组成了一个封闭的化学反应容器。锂离子通过电解液游走在正极、负极之间，达到存储能量（充电）和释放能量（放电、用电）的目的。和电容器之类的装置直接存储电子不同，锂离子电池是通过化学反应来存储和释放能量。充电时，电池正极上锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极并嵌入。放电时，嵌在负极的锂离子脱出，运动回正极。随着充放电，锂离子在正负极两端来回奔跑。锂离子电池工作基本原理图如下：

衡量锂离子电池工作性能的主要参数包括电池容量（能量密度）、充电速度、放电功率、循环寿命。在保证电池系统的安全的前提下需要压榨系统的极限，即在成本、容量、性能、密度、安全、规模生产效率之间找到性能与安全的平衡点。目前普遍的情况是，现有体系的锂电池为了提高能量密度（续航里程），耗费大量的精力在材料选型、电解液调整、结构设计上，部分牺牲了电池的稳定性和寿命。

（二）固态电池工作原理

相比主流的锂离子电池采用含锂的化合物作正极、以石墨材料为负极，正负极被隔膜分开，并灌入有机电解液的结构，固态电池把电解液换成了固态电解质，

如下图所示：

固态电池把电解液换成了固态电解质，首先提高了电池的安全性。主流的锂离子电池路线，采用含锂的化合物作正极、以石墨材料为负极，正负极被隔膜分开，并灌入有机电解液的结构。大部分的起火事故发生原因是锂电池的热失控，而大多数的热失控是由正负极间的短路引发的。液态电解质是有机的，这些碳酸酯类易挥发的小分子有机溶剂很容易发生燃烧。随着锂离子电池一路升级到NCM622、NCM811，正极三元材料镍含量不断提高，释氧温度不断下降，正极材料的热稳定性越来越差。随着每一次渐进式的电池性能优化，还需要对正极材料、负极材料、隔膜、电解液等做大量改进来从电芯层面来抑制热失控。但固态电解质的高阻燃性从根本上解决了这个问题。

另一方面，固态电池技术为突破电池能量密度限制提供了可能。现有的三元锂电池体系，高镍正极和硅碳负极已经是能量密度的最高点了。要想进一步提高电池的比能量，就必须打破现在的嵌入反应机理的束缚，跟其它常规化学电源一样采用异相氧化还原机理，采用金属锂做负极。

目前普遍使用的石墨负极材料的理论比容量仅为372mAh/g，而金属锂具有极高的理论比容量（3860mAh/g）和低电极电势。锂金属做负极，由于其本身就是锂源，正极材料选择面宽，高电势材料可以运用，相对于现在可以实现更高比能的化学体系。而固态电解质可以支撑5V以上的电化学窗口，这使采用锂金属做负极成为可行方案，以突破目前技术水平下的电池能量密度限制。

（三）固态电解质

固态电池采用的固态电解质根据成分不同，主要有有机电解质中的聚合物、无机电解质中的氧化物和硫化物三个重要分支。

有机固态电解质中的聚合物电解质具有良好的柔性、易加工，但不能彻底消除发生火灾的可能性，并且室温离子电导率低，比容量也较低，理论能量密度上限低。聚合物电解质目前技术最成熟，率先小规模量产，代表企业有Bolloré、SEEO.

无机固态电解质方面，氧化物电解质电导率较高，但存在刚性界面接触的问题以及严重的副反应，加工困难。其中，薄膜（LiPON）氧化物技术电池倍率及循环性能优异但电池容量小主要用于微电子、消费电子领域，量产成本高，代表企业是Sakti3。而非薄膜氧化物技术电池容量相对较大，代表企业是Quantm Scape。

而另一种无机固态电解质-硫化物电解质电导率最高，能量密度最高，最有希望应用于电动车。但化学稳定性差，可加工性不良，对生产环境要求严格。该技术路线代表企业有丰田、三星SDI和松下。

（四）固态电池与传统锂离子电池的优缺点对比

固态电池与传统锂离子电池的优缺点对比如下：

类别

固态锂电池

传统锂电池

电池结构

正极负极电解质

正极负极电解质隔膜

电解质

无机固体材料

( 硫化物、氧化

物等)

高分子聚合物

材料( PEO 基

等)

有机电解液

( PC 等碳酸酯

+ LiPF6

等)

聚合物浸润有

机电解液

优点

1.安全性最高

2.寿命长

3.适合长时间储存

4。能量密度高

5.高温适应性好

1.安全性高

2.可卷对卷生产具有柔性加工特性

1.广泛适用于3C

2.产品储能领

域有示范应用

1.在小型电子

产品中有应用

缺点

1.功率密度偏低

2.成本偏高

1.功率密度低

2.理论能量密度上限低

3.成本偏高

4.温度适应性不佳

5.循环寿命待提升

1.含有电解液，高温下有挥发与燃烧可能

2.因电化学窗口限制，放电电压无提升空间

固态电池产业化尝试

（一）国际

序号	公司	产业化尝试
1	丰田	2019年10月22日，东京车展开幕前夕，作为东道主之一的丰田表示，将在2020年东京奥运会期间推出一款搭载固态电池的电动汽车，以此展示其电池技术。丰田汽车CTO寺师茂树表示，2025年左右可以大规模生产固态电池汽车。丰田的路线是技术要求较为激进的硫化物固态电解质，以期通过跨越式发展弥补在液态锂离子电池技术和产业布局上的被动。丰田发展固态电池产业的详细时间线如下： 2008年，丰田就已经开始研发固态电池技术。2008年2月，丰田与南安普顿大学孵化出的初创公司伊利卡（Ilika）达成合作，双方合作研发固态电池材料。 2017年6月，丰田向美国提交的一份编号为20170179545的固态电池专利申请被公开，该电池的电解质是硫化固态电解质。 2017年10月，丰田宣布投入200余人加速研发固态电池技术。12月，丰田联合松下对外宣布，双方将联合开发全固态电池。 2019年1月，宣布在2020年前与松下设立开发、生产电动汽车等车载电池的新公司，致力于开发、量产固态电池。 2019年5月，丰田展出其正处于试制阶段的全固态电池样品。而之后的2020年和2025年，分别是其装车和规模量产的时间节点。
2	日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）	2018年6月，日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）启动了开发全固态电池的项目，本田及日产与松下、丰田等23家汽车、电池和材料企业，以及京都大学、日本理化学研究所等15家学术机构，将共同合作研究。计划到2022年，掌握全固态电池核心技术，到2030年前后将每千瓦时电池组成本降至锂电池的三分之一左右，将快速充电时间也缩短至三分之一。
3	日本村田	日本村田2017年收购了索尼锂电池部门，计划在2019年度内展开全固态电池量产，电解质为氧化物陶瓷材料。但该电池并不适合需要高输出功率和快充的电动车产品，且目前生产成本较高。村田希望能通过尽快启动量产来降低成本，把用途扩大至可穿戴终端之外。
4	韩国固态电池研发基金	2018年，韩国三大电池公司三星SDI、SK创新、LG化学，联合成立一个规模1000亿韩元的基金，用于研发固态电池、锂金属电池和锂硫电池和关键材料。值得一提的是，2017年，受困于电池爆炸门的三星，决意两年内做出固态电池。但是两年时间已到，目前仍然没有等来三星固态电池量产的消息。
5	法国博洛雷（Bolloré）	2011年法国博洛雷（Bolloré）实现聚合物固态电池装车，将其应用到电动汽车Bluecar和电动巴士Bluebus上，是国际上第一个采用固态锂电池的电动汽车案例。但该聚合物固态电池需要在80度下工作，比能量（100Wh/kg）也不够高，并没有显示出相较于液态电解质电池的优势。
6	戴森，Sakti3	目前已经退出造车的戴森，并没有放弃固态电池。2015年10月，戴森出资9000万英镑全资收购了固态电池制造商Sakti3，并承诺将投入12.9亿英镑用于相关的电池研发工作。Sakti 在梵语中是“电力”的意思，3是锂的原子序数。戴森公司认为固态电池用陶瓷材料代替液体电解质，并使用纯锂金属负极是未来电动汽车能源的终极解决方案。
7	大众，Quantum Scape	大众从很多年前开始关注美国固态电池技术公司Quantum Scape。2014年12月大众已持有其5%的股权。2018年9月14日，大众汽车宣布向Quantum Scape投资1亿美元事宜获得美国外国投资委员会（CFIUS）批准。投资完成后，大众将增加其在Quantum Scape的股份，成为其最大股东，还将加入Quantum Scape董事会，同时派遣技术人员参与Quantum Scape的研发工作。
8	雷诺，Ionic Materials	雷诺汽车高级副总裁吉尔斯·诺曼德（Gilles Normand）表示，到2025年，雷诺旗下电动汽车可能会使用钴含量为零的固态电池。在此之前的2018年，雷诺-日产-三菱联盟与三星、戴森向电池公司Ionic Materials投资6500万美元，以开发电池新技术。据Ionic Materials官网消息，该公司将在美国密歇根州Romulus电池工厂制作固态电池，并拟于今年年底前进行OEM测试。
9	Solid Power	2019年4月，由福特、三星等联合完成了对美国固态电池初创公司Solid Power的B轮融资。同时，福特与Solid Power达成合作，双方着手研发下一代电动车用全固态电池。宝马、现代也分别于2017、2018年向Solid Power投资。
10	24M	麻省理工教授蒋业明（Yet-Ming Chiang）在2010年成立了半固态锂电池研发企业24M。该公司在2018年底对外宣布，获得D轮融资2180万美元，资本方来自京瓷集团和伊藤忠商事。计划是2019年开始建立一个小型产业化工厂，并在2020年交付首批产品。
11	博世，SEEO	德国汽车零部件巨头博世（BOSCH），2015年收购美国电池公司“SEEO”。之后博世和SEEO与日本著名的GSYUASA（汤浅）电池公司和三菱重工共同建立了新工厂，主攻固态阳极锂离子电池。
12	苹果	苹果从2012年以来开始积极布局全固态电池技术的专利，期望将其应用在iPad、MacBook上。今年初，苹果找到了前三星SDI研发高级副总裁Soonho Ahn，担任电池研发主管。消费级固态电池相对于车规级固态电池更容易实现量产，并且柔性化、更薄的电池尺寸，也使得消费电子公司有动力投入精力去优化占据大部分空间的电池。

（二）国内

序号	公司	产业化尝试
1	宁德时代	宁德时代投入固态电池研发已有几年时间，在聚合物和硫化物基固态电池方向分别开展了相关的研发工作。其招股说明书中表明，下一代电池研发重点就是全固态锂电池。但从官方介绍的情况来看，离商业化仍然比较远。在制造工艺方面，宁德时代初步提出以下工艺路线：正极材料与离子导体的均匀混合与涂覆；经过一轮预热压，形成连续的离子导电通道；经过二次涂覆LPS之后，再进行热压，全固态化之后可以去掉孔隙；再涂覆缓冲层后与金属锂复合叠加。
2	比亚迪	比亚迪2016年中期业绩会议透露，公司认为固体电池将是锂电池未来的方向，已经在尝试小规模使用，并确定将在未来10年，最快5年内提供该类型产品。2017年8月，比亚迪申请了一种全固态锂离子电池正极复合材料及一种全固态锂离子电池的发明专利。
3	国轩高科	国轩高科固态电池的研发主要在海外进行，2018年2月，国轩高科透露正在美国和日本分别开发下一代动力电池生产技术工艺与生产设备，相关产品将使用半固态电池技术。目前，国轩高科半固态电池技术已处于实验室向中试转换阶段，计划2019年建设中试线。
4	赣锋锂业	2017年8月，赣锋锂业通过引进宁波材料所的固态电池博士团队，正式切入固态电池板块，目标在3年内实现固态电池产业化。随后，赣锋锂业公告称将投资2.5亿元，于2018年底建成亿瓦时级第一代固态锂电池生产线，并实现送样；在2019年12月完成3亿元固态电池销售，并分别推动二代固态锂电池技术成熟，实现三代固态锂电池可研。根据测算，赣锋锂业生产的第一代固态锂电池电芯的能量密度可达240Wh/kg，按照单车500kg电池组估算，80kWh的电量可以实现480km的续航，且千次循环后最大电量仍有90%，充电仅需12分钟充满。
5	珈伟股份	2017年12月，珈伟股份子公司珈伟龙能发布了其首款快充类固态电池产品。珈伟龙能科技具备一期1亿Wh高性能动力电池，采用类固态快充技术；2018年二期拟再次投产2GWh电池产能。公司生产的电池正极采用改性的铁锂和三元，负极则使用钛酸锂和纳米化的石墨。然而，珈伟股份发布的电池与全固态电池技术不甚相同，此次珈伟股份生产的类固态电池为凝胶状（类固态）电池，采用了隔膜，非完全意义的固态电池。
6	北京卫蓝	2016年，中国工程院院士陈立泉创立以固态电池为研发重点的北京卫蓝新能源科技有限公司。陈立泉一直以来都是国内固态电池的积极推动者，他认为只有全固态电池可以胜任进一步提高电池能量密度到500Wh/kg的历史任务，并在呼吁应该尽快启动全固态电池的研发产业化工作。 1978年，陈立泉首次发起并倡导固态金属锂电池的研究和固态离子学的相关基础研究；1980年成立了中国第一个固态电池领域的实验室——中国科学院物理研究所固态离子学实验室；直到2000年，中科院物理所的研究焦点转移到纳米离子学，同时开始大力研究攻克固态电池关键技术问题。除陈立泉之外，北京卫蓝还囊括了一批国内顶尖专家，包括陈立泉的老搭档李泓，作为中国科学院物理研究所研究员，其参与了包括高能量密度锂离子电池硅基负极材料开发、金属锂及固态电池技术研究等多个国家级项目的研发。目前，北京卫蓝已经研发并掌握了固态电池技术领域的多项关键性技术，包括金属锂表面处理、原位形成SEI膜技术、固态电解质、锂离子快导体制备技术以及高电压电池集成技术、陶瓷膜优化技术和集流体解决方案。

固态电池产业发展面临的风险

（一）技术风险

1. 界面问题

界面问题是固态电解质最大的困扰。固态电解质与正负极之间的贴合没有液态那么充分，锂离子在其中穿越就没有那么顺畅。在液态锂离子电池中，液体电解质充满了整个电池，电解液和电极之间的接触覆盖较好。在变成全固态设计以后，出现了固体和固体的界面，接触较差。此外一个更严重的情况是，电极上的活性物质体积会随着循环出现4%的体积收缩或者膨胀，液态电解质还能较好的随着体积变化贴合，但是固态电解质的固固界面处会产生较大应力，导致界面的物理接触性进一步变差。

2.新型正极涂层问题

为了降低界面电阻，通常也在活性材料和电解质之间添加缓冲层，原则上，可以对电极或电解质进行涂层，减少副反应的发生，稳定电极/电解质界面。但是寻找新型的正极涂层在实验上费时费力且效率很低。

3. 锂金属负极应用问题

即使固态电解质出现突破，如果不能使用锂金属做负极，那固态电池的意义就不是很大。由于锂非常活跃，任何电解质在锂表面都很容易被还原，需要通过钝化SEI来解决，这又是个很复杂的议题。

4. 锂枝晶问题

锂枝晶是锂电池在充电过程中锂离子还原时形成的树枝状金属锂。锂枝晶生长最终会导致内部短路，温度急剧上升，是影响锂离子电池安全性和稳定性的根本问题之一。目前有研究表明固态电解质并不能完全消除锂枝晶。

5.硫化物固态电解质问题

采用陶瓷材料的氧化物类虽然安全性更高，但是氧化物类固态电池用于汽车性能并不足够，必须引入硫化物固态电解质。

硫化物固态电解质的涂层含硫、氮，这些物质在高温情况下会释放出例如氮氧化物、二氧化硫以及硫化氢等一些高爆性气体，它的安全问题就转化成了新的问题。

另外，硫化物在全固态电池中的应用还存在很多其它挑战：

➣硫化物本身电化学稳定性较差

➣硫化物对正负极的界面不稳定

➣ 硫化物对水不稳定，难于在空气中处理，需要在惰性气体环境下进行处理，导致大规模工业化难度很大。

➣电极和电解质的制作不同于传统锂离子电池的制造过程，可用的粘结剂和溶剂选择范围较小，降低厚度也是很大的挑战。

（二）产业化和成本风险

1.产业化问题

固态电池产业化需要先实现锂金属负极对应的正极材料产业化，负极材料硅碳、金属锂产业化，固态电解质聚合物、硫化物、氧化物的成熟。有个渐进演变的过程，路线转变不是一蹴而就的。结合相关理论和技术的不断进步，需要一段相当长的发展时间。

2.与现有锂离子电池工业体系兼容的问题

普通锂离子电池反应简单粗暴，容易工业化、标准化工序放大生产，可以一致性和稳定性规模化供货。锂离子电池工业体系经过长期的高速发展，已经形成了一整套产业链，在制造设备、上下游配套、行业标准等领域已经投入了大量的资金和资源。

尚不清楚固态电池技术与现有的锂离子制造设备和工业体系之间的兼容性如何。

3.成本问题

相比液态锂电池大约在每千瓦时200-300美元的成本，目前固态电池各技术路线的成本均远高于液态锂电池，单位成本高达数千至上万美元。业内各大公司对降低固态电池成本均非常重视，随着技术进步和产业化进展，预测远期固态电池单位成本将接近目前的锂离子电池，但尚不能给出具体路线图和时间。

固态电池产业发展预测

固态电池的技术特点解决了现今锂离子电池存在的安全性和能量密度等焦点问题，是下一代化学电源技术的重要发展方向。但即使已经有和锂离子电池共通的相关理论和技术积累为基础，由于材料科学和电化学发展周期限制，参考目前业内各大公司的预测，固态电池的真正实用化、产业化可能也要以5至10年为基准。

目前业内公司以汽车、消费电子等行业内巨头投资的初创企业和科研人员成立的平台公司为主，主要任务是进行技术验证和产业化尝试，短期内盈利前景不大。

来源：XTIMES淮海

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凯璞庭集团是国内深耕区域产业经济多年的专业服务商。集团通过构建产业投资和企业全生命周期金融服务体系，为地方政府的产业导入和产业升级提供服务。集团主动管理的基金累计规模已突破百亿，完成地方政府项目导入和项目服务数百个。

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