本文系基于公開資料撰寫，僅作為信息交流之用，不構(gòu)成任何投資建議。

過去幾年，動力鋰電池的技術(shù)突飛猛進，但安全隱患和里程焦慮仍然是其難以擺脫的"魔咒"。和此同時，固態(tài)電池在爭論和質(zhì)疑聲中成為行業(yè)新寵，隨著各路巨頭的入場，固態(tài)電池的未來也漸漸明朗。

今年一月9號，蔚來（NYSE：NIO）其NIODay上高調(diào)公布能量密度達360Wh／kg的150kWh固態(tài)電池包，搭載該電池包的蔚來ET7轎車續(xù)航將超過1000km，讓人眼前一亮。

蔚來的熱度還沒消退，大眾集團在其三月15號的PowerDay上，表示未來將著力發(fā)展固態(tài)電池技術(shù)，而大眾直接更簡單粗暴地扔出目標：預計2025年開始使用固態(tài)電池。

在四月份，不甘落后的寶馬集團也給出了固態(tài)電池的規(guī)劃：計劃在2025年前推出搭載固態(tài)電池的原型車，并在2030年前實現(xiàn)量產(chǎn)。

不單單是車企，動力鋰電池巨頭們也在不約而同的布局固態(tài)電池：CATL投資33億建設(shè)21C創(chuàng)新實驗室，用于金屬鋰電池、全固態(tài)電池等下一代電池研發(fā)；LG化學表示將在2025年至2027年間實現(xiàn)全固態(tài)電池商業(yè)化；松下計劃在2025年推出一款使用固態(tài)電池的電動汽車。

一時間，固態(tài)電池成了產(chǎn)業(yè)巨頭的隱形戰(zhàn)場。固態(tài)電池為何有這么大的吸引力，當前的發(fā)展進度又是如何？

01

固態(tài)電池成為巨頭必爭之高地

【1】何謂固態(tài)電池？

固態(tài)電池聽著玄乎，用傳統(tǒng)的液態(tài)鋰電池來理解也就簡單了，因為它們的工作原理是相同的。傳統(tǒng)的液態(tài)鋰電池也被科學家們形象地稱為"搖椅式電池"。搖椅的兩端為電池的正負兩極，中間為液態(tài)電解質(zhì)和隔膜，而鋰離子就好比"運動員"，運動員在搖椅的兩端來回奔跑，電池的充放電過程便完成了。

到了固態(tài)電池上，"運動員"還是在正負極兩端來回奔跑，差別在于運動場所從液態(tài)電解質(zhì)換成了固態(tài)的電解質(zhì)。另外固態(tài)電解質(zhì)還擔當了分隔正負極的角色，也就是起到了隔膜的用途，所以說固態(tài)電池不再要隔膜。

單從組成結(jié)構(gòu)上看，固態(tài)電池更簡單。

圖1：固態(tài)電池和液態(tài)鋰電池的差別，資料來源：網(wǎng)絡

再講固態(tài)電池的分類，固態(tài)電池按照其電解質(zhì)的不同分為聚合物、氧化物和硫化物三種路線，這部分將在下文詳細解析。

圖2：固態(tài)電解質(zhì)重要類型，資料來源：天風證券

【2】固態(tài)電池VS液態(tài)鋰電池

固態(tài)電池相比液態(tài)電池，優(yōu)勢重要體現(xiàn)在安全性和能量密度。

先說關(guān)注度最高的的安全問題。如今電動汽車的發(fā)展勢頭強勁，電動汽車的銷量也屢創(chuàng)新高，但是電池的安全隱患一直是懸在電動汽車頭上的"達摩克利斯之劍"。比如去年威馬汽車在一個多月內(nèi)發(fā)生四次自燃事故，一度引發(fā)了大家對電動汽車未來的擔憂。

實際上電動汽車的安全隱患，要算在液態(tài)鋰電池頭上。一旦電池受到擠壓、沖擊，就會導致隔膜破裂，造成正負極短路，同時鋰電池內(nèi)部出現(xiàn)大量熱量，加上液態(tài)電解質(zhì)里易燃的有機溶劑，結(jié)果就是電池起火甚至爆炸。

一直以來車企和動力鋰電池公司都在竭盡全力的提升電池安全性能。比如在電解液中添加阻燃劑；優(yōu)化BMS熱管理系統(tǒng)；采用高強度、耐高溫的電池隔膜，可惜治標不治本。

但固態(tài)電池是有望徹底解決安全問題的。首先，固態(tài)電池的正負極不容易發(fā)生短路現(xiàn)象。其次，固態(tài)電解質(zhì)不僅不可燃、不揮發(fā)甚至還能耐高溫，電池在遇到同樣極端情況下不會發(fā)生起火、爆炸。

再來說說電池的能量密度，也就是里程焦慮問題。雖然主流電動汽車的續(xù)航里程都能達到500km以上，高端車型甚至超700km。但實際使用過程中，這個續(xù)航是要打個折扣的（即所謂的工況里程），并且，跟燃油車不同的是，大多數(shù)電動汽車車主不會把車開到電量剩余10％的時候去充電。

解決里程焦慮基本只能靠堆電池的能量密度。根據(jù)《節(jié)能和新能源汽車技術(shù)路線圖》，2025年動力鋰電池的能量密度目標為400Wh／kg，2030年目標為500Wh／kg。想達到2030年的目標，現(xiàn)有液態(tài)鋰電池技術(shù)路線恐難擔大任，光是350Wh／kg的能量密度天花板就很難打破，但是固態(tài)電池能量密度能輕松超越350Wh／kg。

圖3：當前液態(tài)鋰電池能夠達到的能量密度水平，資料來源：第一電動，申萬宏源

要提前說明的是，電池的能量密度取決于正負極材料。假如單純把液體電解質(zhì)更換為固體電解質(zhì)，假如不改變現(xiàn)有的正負極材料，結(jié)果僅能提高電池安全性，無法提升電池能量密度。所以固態(tài)電池還需配套正負極材料的革新。

講到正極材料，現(xiàn)在的動力鋰電池公司都在往高鎳化發(fā)展。從三元5系到三元8系，鎳含量變高，但是電池活性越強，電池內(nèi)部自然會越不穩(wěn)定，上文提到的安全問題就更加突出。雖然目前三元8系的能量密度高，但沒有大范圍使用，主機廠裝機主流還是使用5系動力鋰電池。其中還有成本的因素，這里不展開討論。

得益于固態(tài)電池的高安全性，固態(tài)電池的正極不用止步于8系材料，甚至可以干到9系（超高鎳），正極環(huán)節(jié)的能量密度可達到700Wh／kg，將會有質(zhì)的飛躍。

再看負極材料。實際上，負極材料的升級路線在業(yè)內(nèi)已經(jīng)有了共識，就是從現(xiàn)在的石墨負極升級到鋰金屬負極。在現(xiàn)有已知的負極材料中，鋰金屬負極能達到的能量密度是最高的，其克容量是目前液態(tài)鋰電池中石墨負極的10倍以上。

問題來了，鋰金屬負極既然這么好，為何現(xiàn)有的動力鋰電池不用它？癥結(jié)還是在液態(tài)電解質(zhì)，鋰金屬負極在液態(tài)電解質(zhì)中基本是無法穩(wěn)定存在的，兩者會發(fā)生劇烈反應，可謂"水火不容"。但是在固態(tài)電池中，它們是可以和諧共處的。

一言以蔽之，正是固態(tài)電池讓新型正負極材料有了大展拳腳的空間。

另外值得補充說明的是，液態(tài)鋰電池往往要先將單體電芯封裝完成后先并聯(lián)再串聯(lián)，若想省流程直接串聯(lián)，則會導致正負極短路。而固態(tài)電池由于內(nèi)部不含液體，不存在短路的問題，可直接串聯(lián)組裝。還有，液態(tài)鋰電池是要冷卻系統(tǒng)來防止其使用過程中溫度過高。關(guān)于固態(tài)電池，因為其高安全性，可簡化甚至不要冷卻系統(tǒng)。所以，固態(tài)電池的實際量產(chǎn)過程中，其成組成本會更低，整個生產(chǎn)流程更簡單。

圖4：液態(tài)鋰電池和固態(tài)電池制備工藝比較，資料來源：光大證券

和其說固態(tài)電池是"顛覆"液態(tài)鋰電池，倒不如說固態(tài)電池是液態(tài)鋰電池的升級版究極體。

【3】瑕瑜互見，長短并存

既然固態(tài)電池這么好，為何車企不趕緊"升級"，還是用的傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池？究其原因，用固態(tài)電解質(zhì)取代液態(tài)電解質(zhì)，解決了部分問題的同時，也帶來新的煩惱。在固態(tài)電池正是量產(chǎn)之前，還有幾個關(guān)鍵問題亟待攻克。

第一，是固態(tài)電解質(zhì)的離子電導率偏低。所謂離子電導率指的是鋰離子在電解質(zhì)內(nèi)移動的順暢情況。

固態(tài)電池的電導率普遍低于液態(tài)離子電導率，比如聚合物電解質(zhì)，其離子電導率甚至比液態(tài)離子電導率差了多個數(shù)量級。相當于"運動員"來奔跑的阻力變大，速度跟之前比起來，慢了不少，甚至阻力太大，有點跑不動了。

圖5：固態(tài)電解質(zhì)和液態(tài)電解質(zhì)的電導率比較，資料來源：錦緞研究院整理

第二，固體電解質(zhì)和電極間的界面阻抗較大。

傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)和正負極之間是固液接觸，界面潤濕性良好，可以說是"嚴絲合縫"，界面之間不會出現(xiàn)大的阻抗。但是固態(tài)電解質(zhì)和正負極是固固接觸，接觸效果差了一大截，所以鋰離子在界面之間的傳輸阻力更大。這就好比"運動員"以前在平坦的跑道上面奔跑，現(xiàn)在換成坑坑洼洼的泥巴路跑，自然無法發(fā)揮真實水平。

因為固態(tài)電池的低電導率和高界面阻抗，讓鋰離子在電池內(nèi)部傳輸效率過低，影響了電池的快充能力和循環(huán)壽命，同時也無法讓電池的容量正常釋放。

圖6：固態(tài)電池和液態(tài)電池的界面接觸效果圖，資料來源：錦緞研究院整理

很多公司考慮到現(xiàn)有的技術(shù)水平，想一步到位實現(xiàn)全固態(tài)電池還是比較困難，退而求其次采取從半固態(tài)、準固態(tài)、到全固態(tài)的"三步走"路線。文章開篇提到的蔚來固態(tài)電池，實際上就是半固態(tài)電池。

圖7：固態(tài)電池"三步走"路線圖，資料來源：光大證券

第三點，成本高企。

氧化物和硫化物電解質(zhì)，屬于多孔隙的陶瓷材料，材料的特點就是脆，想要加工成很薄的電解質(zhì)就很困難，稍有不慎就斷了。即使能加工，現(xiàn)有的工藝水平和設(shè)備能力，成品的良率也好不到哪去。

并且固態(tài)電池離量產(chǎn)還有距離，更不談配套的產(chǎn)業(yè)鏈。傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池在過去的幾年為何能持續(xù)降本，很大一部分原因是產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同。當前，固態(tài)電池的成本還是居高不下。

02

各路玩家入局，量產(chǎn)尚在遠期

固態(tài)電池的技術(shù)瓶頸還沒突破，產(chǎn)業(yè)化還要面對諸多問題，但絲毫不影響各路玩家蜂擁而入的熱情。

關(guān)于車企而言，其出發(fā)點要復雜得多。首先，可以確定的是，電動汽車是汽車的未來，傳統(tǒng)車企都在迫不及待的轉(zhuǎn)型。電池是電動汽車的核心，車企自然希望掌握在自己手上，車企已經(jīng)被動力鋰電池公司"卡脖子"已久，怎么甘愿再次受制于人。固態(tài)電池就是奪回主動權(quán)的大好機會，這也是為何大眾、豐田這些燃油車巨頭布局固態(tài)電池。

關(guān)于動力鋰電池公司而言，一方面，固態(tài)電池可以解決其長期困擾的安全和能量密度問題，誘惑力巨大。毫不夸張的說，未來誰先掌握了固態(tài)電池技術(shù)，誰就可以指點江山。所以，不僅僅是CATL、LG，像比亞迪、國軒高科等二線電池公司，都不約而同的布局固態(tài)電池。另一方面，在現(xiàn)有的液態(tài)鋰電池路線下，國內(nèi)的二線電池公司一直被CATL打壓。即使有"刀片電池"在手的比亞迪，也難以撼動CATL的地位。在固態(tài)電池上，大家有了站在同一起跑線的機會。

縱觀全球的參和者，不同公司"信仰"不同的固態(tài)電解質(zhì)路線：國內(nèi)公司以氧化物路線為主，歐美公司偏好聚合物路線，而日韓公司則更熱衷于硫化物體系。

圖8：全球固態(tài)電池重點公司總覽，資料來源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院

【1】聚合物派系

聚合物電解質(zhì)路線是最早實現(xiàn)應用的固態(tài)電池路線。

早在2011年法國Bollore公司推出采用聚合物電解質(zhì)的固態(tài)電池，可惜該固態(tài)電池在室溫下離子電導率實在太低，要額外給電池配備加熱器，并且能量密度只能做到100Wh／kg，基本上不具備商業(yè)價值。

由于聚合物電解質(zhì)的低電導率問題一直難以解決，主流的固態(tài)電池公司仍然以氧化物電解質(zhì)和硫化物電解質(zhì)路線為主。

【2】氧化物派系

氧化物派系的綜合性能是三種固態(tài)電解質(zhì)路線中最好的，比較有代表性的是江蘇清陶、輝能和國外的QuantumScape公司。

江蘇清陶屬于典型的初創(chuàng)公司，成立于2016年。相比動力鋰電池公司，沒有技術(shù)包袱，進展倒也順利。清陶已在2018年十一月建成全國首條可量產(chǎn)固態(tài)鋰電池產(chǎn)線，并正式應用于特種電源、高端數(shù)碼等領(lǐng)域。去年，搭載清陶固態(tài)動力鋰電池的新能源樣車在北汽成功下線試行，同時清陶的一期1GWh固態(tài)動力鋰電池項目已正式投產(chǎn)。

相比清陶，輝能對固態(tài)電池的未來規(guī)劃更加明確。2013年，輝能實現(xiàn)了固態(tài)鋰電池在消費鋰電的商業(yè)化量產(chǎn)。2019年，輝能和蔚來合作，為其定制生產(chǎn)"MAB"固態(tài)電池包（半固態(tài)）。根據(jù)其規(guī)劃，2021年半固態(tài)鋰電池達到1GWh的產(chǎn)量，2024年達到全固態(tài)電池量產(chǎn)。

外圍選手贛鋒鋰電，雖然是鋰材料公司，卻也在固態(tài)電池上面做了不少布局。根據(jù)2020年報披露的信息，贛鋒鋰電已投資建成了第一代和第二代固態(tài)鋰電池研發(fā)中試生產(chǎn)線，不過都還是屬于混合固液電解質(zhì)階段，能量密度還無法超過300Wh／kg。贛鋒鋰電已在布局第三代基于金屬鋰負極的固態(tài)鋰電池，未來能量密度將超過400Wh／kg。

最后講到QuantumScape，這家被大眾集團重點投資的公司，去年十一月通過SPAC方式上市，是業(yè)內(nèi)唯一一家以固態(tài)電池為主業(yè)的上市公司。

根據(jù)其官網(wǎng)公布的信息，QuantumScape已經(jīng)在技術(shù)上突破固態(tài)電池離子電導率過低的瓶頸，快充速度甚至超過傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池，快充15分鐘實現(xiàn)充電80％，同時在能量密度、循環(huán)壽命、安全性方面，都顯著優(yōu)于現(xiàn)有的液態(tài)鋰電池。

不過其展示的僅僅是單體疊片的測試結(jié)果，并非是裝到汽車上的效果。說到底，這還是實驗室的產(chǎn)物，離量產(chǎn)還是有差距的。根據(jù)QuantumScape在招股書中說明，公司將于2024年建立1GWh試生產(chǎn)線，并通過在大眾汽車上搭載測試，以此來實現(xiàn)其固態(tài)電池的商業(yè)化量產(chǎn)。

圖9：QuantumScape公司的固態(tài)電池快充性能，資料來源：QuantumScape官網(wǎng)

【3】硫化物派系

硫化物電解質(zhì)其實是由氧化物電解質(zhì)衍生出來的，考慮到氧化物電解質(zhì)的電導率較低，科學家們就把氧化物電解質(zhì)中的氧元素用硫元素取代。因為硫元素的電負性比氧元素要小，對鋰離子的束縛要小，有利于得到更多自由移動的鋰離子。簡單說就是硫化物電解質(zhì)有更高的離子電導率，可以達到接近液態(tài)鋰電池體系下的水準。

但是硫化物電解質(zhì)解決了離子電導率問題，同時也帶了另外的難點，由于硫化物電解質(zhì)對空氣敏感，極容易發(fā)生不良反應，所以硫化物電解質(zhì)的生產(chǎn)對環(huán)境要求苛刻，對設(shè)備可是一大考驗，結(jié)果就是生產(chǎn)成本奇高。

硫化物路線中進度最快的要算日本的豐田。

目前，豐田在固態(tài)電池領(lǐng)域擁有超過1000項專利，位居全球第一。去年七月份，豐田汽車電池業(yè)務總經(jīng)理曾透露，豐田已經(jīng)按計劃成功制造了固態(tài)電池，并且已經(jīng)安裝到了概念車上，預計2025年正式量產(chǎn)。

最后值得講下國內(nèi)的CATL。早在2016年，CATL就宣布在硫化物固態(tài)電池上的研發(fā)路徑。但是有關(guān)其固態(tài)電池的信息一直處于保密狀態(tài)，公開信息相當少，直到今年一月份，方才主動公開"一種固態(tài)電解質(zhì)的制備方法"和"一種硫化物固態(tài)電解質(zhì)片及其制備方法"兩種固態(tài)電池相關(guān)專利，從專利摘要顯示，上述專利旨在提高固態(tài)電解質(zhì)的電導率和降低固固界面的阻抗，也就是前文中提到的固態(tài)電池短板問題。

CATL一直未透露固態(tài)電池的量產(chǎn)時間。過去的一年，CATL在動力鋰電池產(chǎn)量上瘋狂加碼，已公布的長期規(guī)劃總產(chǎn)量接近500GWh，部分產(chǎn)量已經(jīng)排到2025年之后。從這點推測，寧德的固態(tài)電池同樣在短時間內(nèi)不是量產(chǎn)的重點。

圖10：CATL有關(guān)固態(tài)電池的公開專利，資料來源：企查查

03

未完待續(xù)的結(jié)尾

不可否認，動力鋰電池的技術(shù)日新月異，對電動汽車的發(fā)展可謂功不可沒。伴隨著新能源汽車的滲透率不斷提升，市場關(guān)于動力鋰電池的要求越來越高，有著明顯短板的傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池已經(jīng)很難適應未來的節(jié)奏。

作為業(yè)內(nèi)公認的下一代電池路線，固態(tài)電池可以完美解決傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池的缺點，國內(nèi)外的公司都對其寄予厚望，紛紛加快固態(tài)電池的研發(fā)速度，希望搶占市場先機。

如今固態(tài)電池已經(jīng)有了不少實質(zhì)性的進展，但是技術(shù)和成本仍舊是擋住固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化道路的兩座大山，這不是短時間內(nèi)能跨越的，參照主流固態(tài)電池公司的規(guī)劃，量產(chǎn)時間普遍在2025年之后，固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化估計是10年之后的事情。

回顧歷史，10年其實其實也是一個并不長的維度。10年前我國的純電動汽車銷量還不足1萬輛，到了2020年，我國純電動汽車銷量已超過100萬輛。如今在行業(yè)看好和各路公司布局之下，固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化進程有望獲得超預期發(fā)展，在靜待固態(tài)電池的同時，我們也懷揣著信心。

關(guān)于下場的玩家來說，不得不直面的問題是：固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化將會重塑現(xiàn)有的鋰電池供應鏈，像隔膜和液態(tài)電解質(zhì)公司，假如不能及時轉(zhuǎn)型升級，將面對被"顛覆"的結(jié)局。

寫在最后，技術(shù)的發(fā)展從來都是百花齊放。未來的電動化之路，除了固態(tài)電池，同時還有氫燃料動力電池這條路線。雖然現(xiàn)階段同樣存在不少產(chǎn)業(yè)化的難點，仍然可見其未來在重卡和等領(lǐng)域的廣闊發(fā)展空間。有關(guān)氫燃料動力電池的研究，錦緞研究院會在后續(xù)的文章中再做探討。