向固態鋰電池過渡是鋰電技術進步的重要趨勢，全球范圍內，各大車企、電池企業、投資機構、科研機構等在資本、技術、人才方面積極布局，以加速固態電池產業化進程。去年11月，由光源資本擔任獨家財務顧問的衛藍新能源宣布完成15億元 D 輪融資，我們看好衛藍新能源作為國內固態鋰電“國家隊”在助推固態鋰電池產業化、引領行業變革方面的深厚實力。本篇研究將分享光源資本對于固態鋰電產業未來發展的觀察與思考。
研究團隊 | 光源碳中和小組 李昊、欒聲遠、王慶雯、刁晨卓、紀鴻思
01 從液態走向固態，鋰電池技術迎來代際升級
對于固態電解質鋰離子電池的理論研究可以追溯到 1972 年，英國科學家 Stanley Whittingham 首次提出固態電解質的基本標準。1991年 Sony 公司成功開發首款商業化液態鋰離子電池，其面世率先革新了消費電子的產品形態，大大降低了移動電話、筆記本電腦等消費電子的重量和體積，并大幅延長了電池的使用時間。隨后液態鋰離子電池進入快速發展階段。
走過半個多世紀的發展歷程，鋰電池技術不斷迭代，使用場景也愈發豐富。以電動汽車為代表的新能源需求旺盛，帶動動力電池出貨量大幅提升。此外，隨著光伏、風電等清潔能源在能源結構中的占比不斷提升，對儲能電池的需求也與日俱增。預計至2025年，全球鋰電出貨量將達到1926GWh。當前，受重量、體積、安全性等因素限制，液態鋰電池已接近能量密度天花板，技術迭代成為動力電池行業焦點議題。而儲能系統的復雜性則對電池循環壽命、安全性、系統兼容性，及電池供應商技術和項目能力提出更高要求。固態電池技術因其高安全性、高能量密度等優勢引起了人們的關注，并將成為未來重要的電池發展方向。
1）固態電池可突破液態電池安全性與能量密度的局限
目前主流的鋰電池產品采用的主要為液態電解質，其問題主要是兩方面：安全性和能量密度。
安全性問題頻出，引發公眾疑慮：近年來，隨著鋰電池的大規模應用，液態電池的安全隱患也逐漸突顯。液態電池的電解液溶劑具有易揮發、低閃點的特點，在較高溫度下易燃易爆，且具有一定毒性。此外，液態電池的負極表面容易形成鋰枝晶，刺穿隔膜造成正負極短路，導致電池起火。這些都將矛頭指向液態電解質。
液態電池能量密度臨近上限，亟需技術迭代升級：液態鋰電池的能量密度在350Wh/kg已到達瓶頸，目前水平已接近天花板，難以獲得進一步的突破。有機電解液無法兼容金屬鋰等高比能量電極材料，且圓柱、方形鋰電池還需要堅固的金屬外殼，這使得電池的形狀、尺寸、比能量等均受到很大限制。
固態電池有望從根本上解決鋰離子電池的安全性和能量密度等問題，顛覆現有的電池體系。從安全性來看，固態電解質耐高溫、耐擠壓針刺，同時無腐蝕性，不易揮發，不存在漏液問題，鋰枝晶在固態電解質中生長緩慢且難刺透，極大降低了電池熱失控風險，電池自燃或者爆炸的概率顯著減小。而從能量密度來看，固態電池允許適配高能正極與鋰金屬負極，目前固態電池的實驗室數據已超過400Wh/kg，突破傳統液態鋰電池的能量密度天花板。此外，固態電池還擁有更簡化的電池系統、寬工作溫度范圍、可柔性制備等優勢，都使得固態電池較傳統液態電池擁有更豐富的應用場景，能滿足更多樣的市場需求，且性能指標更優。
2）固態電池不同技術路線各有優劣
全球范圍內，各車企和電池企業都在積極布局固態電池技術。固態電池的技術發展采用逐步顛覆策略，從發展路線來看，液態電解質含量逐步下降，從傳統液態電池到最終全固態電池的發展可以分為五大階段：（1）傳統液態電池；（2）凝膠態電池；（3）半固態電池；（4）準固態電池；（5）全固態電池。
全固態電池尚存在諸多技術難題有待解決，短期內實現產業化及商業化仍面臨較大的挑戰。目前行業尚處于半固態向全固態發展的階段，半固態電池基本滿足當前商業化應用需求，有望率先實現量產，根據技術發展和市場需求逐步調整向全固態迭代。業內預計全固態鋰電池將在2020-2025年期間實現小批量生產，大規模商業化則需等到2030年左右。
固態電解質是固態電池的核心，電解質材料對電池的各項性能參數有著決定性影響，如功率密度、循環穩定性、安全性能、高低溫性能以及使用壽命。目前比較成熟的固態電解質分為三類：聚合物、氧化物、硫化物。從技術路線上看，三種技術路線皆有企業布局，其中歐美企業偏好聚合物與氧化物體系，而日韓企業則更多致力于研發硫化物體系。
聚合物是最早實現固態電池裝車測試的技術路線，已實現小規模量產，但其離子導電能力率低，有待向高能聚合物電解質方向發展。2011年法國公司 Bolloré 率先實現固態電池電動車的商業化應用，生產出負極采用金屬鋰、正極采用 LFP、電解質采用 PEO 等聚合物薄膜的固態電池（LMP?），并批量應用于自主開發的電動汽車 Bluecar 和 Bluebus。聚合物固態電池的界面相容性好，具備較好的機械性能和韌性，制備工藝較為簡單，但其劣勢在于室溫下離子電導率低，需要加熱到60度高溫才能正常工作，升溫后離子電導率大幅提高，但既消耗能量又增加成本，增大了商業化的難度。并且穩定性較差，難以匹配適用于高電壓的正極材料，限制能量密度，性能上限不高。
氧化物固態電池綜合性能較為優異，在微型電子、消費電子等領域已有應用，其研發成本和難度較低，缺點為界面阻抗嚴重。相較于聚合物，氧化物的優勢在于離子電導率較高，環境穩定性好，同時電化學窗口寬，適用高電壓電極材料。但氧化物為陶瓷材料，存在剛性界面接觸問題，造成界面阻抗較大，而且加工難度大，機械性能差，倍率性能低。
硫化物是三種固態電解質中電導率最高、開發潛力最大的材料，但該技術路線穩定性較差，易氧化問題突出，研究難度最高。硫化物電解質的離子電導率可與液態電解質相媲美，電化學窗口寬，質軟易加工，力學性能較好，受到諸多企業青睞。但其缺點也很明顯：穩定性差，硫化物與水接觸會產生有毒氣體H?S，對生產使用環境要求高；機械強度較弱；開發難度大；原材料成本高。因此硫化物電池的技術難度最高，商業化進展也是當前三種技術路線中最慢的。
固-固界面接觸對電池的倍率性能和循環性能有較大影響，是固態電池邁向商業化途中最大的技術難題之一。除了高能量密度、高安全性以外，新一代鋰電池對高倍率性能及長循環壽命同樣具有強烈需求。然而由于存在固-固界面問題，固態電解質的離子電導率比液態電解液低1-2個數量級，同時固態電解質和電極之間難以保持長期穩定的接觸，導致電池內阻較大。此外，固態電池的電極在充電時會膨脹，放電時收縮，固-固界面在這個過程中可能會造成電解質破裂或分離，對電池的循環性能帶來挑戰。
總體上，單一的電解質技術路線很難解決所有的問題，因此很多企業尋求復合路線。衛藍新能源基于原位固態化技術，采用聚合物和氧化物的復合技術路線，可在短期內實現規模化量產，并持續探索優化固態電池技術方案。衛藍新能源已申請國家專利400余項，授權100余項，涉及固態電池復合正極、固態電解質、隔膜和負極等核心材料和技術，目前已攻克固態電池界面、安全、能量密度三大核心問題，聚焦高能量密度、高安全、高功率、寬溫區、長壽命的固態電池產品，持續在高端動力、儲能等領域推出技術和經濟性同步領先的系列產品，率先實現商業化應用。
02 技術變革重塑鋰電產業格局，新材料、新技術進入高速發展階段
1）固態電池處于商業化早期，產業鏈完善需要時間
固態電池對現有液態電池體系有著較好的兼容性。在材料上，固態電池與液態電池的正極材料體系基本相同，同時由于固態電解質擁有高電化學窗口，可兼容更高電壓的正極材料，如高鎳層狀氧化物、富鋰錳基、高電壓鎳錳尖晶石型等；負極可以兼容現有材料體系，也能逐步衍變到克容量更高的硅基負極以及金屬鋰；隔膜是液態電池的必備材料，可以隔絕正負極材料，防止電池短路，當前在半固態鋰電池體系下仍存在，但全固態時代下將被逐步替代。
固態電池的制備也應用了一批特有的新材料。例如，在固態電池中，現有的液態溶劑會被完全取代，聚合物固態電池則需要以 PEO 或類 PEO 聚合物作為固體溶劑，溶質則會被 LiTFSI/LiFSI 或新合成的容易解離的大陰離子基團型鋰鹽來替代。而對于氧化物/硫化物電池來說，相應的固態電解質需要通過溶膠凝膠法、高溫固相法、高溫燒結法等來制備。
在生產工藝方面，不同技術路線的固態電池，對液態電池的生產工藝兼容性差距較大。聚合物電解質的成膜性好，可直接使用液態電池凝膠涂布法來制備；氧化物電解質因韌性差，電池組裝難度大，需要開發新的特殊工藝；而硫化物則介于兩者之間，其機械強度適中，電解質粉末經冷壓即可制備。未來，固態電池的技術發展還有很大空間，生產工藝亦有可能出現革新，如鋰金屬負極的應用、固態電解質混料與包覆就需要額外的工藝流程。
2）政策引導+企業積極布局，固態電池商業化提速
全球范圍內，各國政府陸續出臺政策措施，推動固態電池領域快速發展。例如，美國在2021年發布《鋰電池2021-2030年國家藍圖》，并宣布撥款2.09億美元支持相關技術研究；歐洲則推出了《電池2030規劃》及《2030電池創新路線圖》，并批準了歐洲固態電池投資專項計劃，由歐盟多國共同出資32億歐元用于發展固態電池。歐美多國政府撥款助力固態電池研發，科研機構及固態電池初創企業是主力，各大車企紛紛投資；日韓企業則是在保有獨立研發團隊的基礎上，大多采用抱團研發的方式，車企、科研機構、電池和材料企業共同開發固態電池技術。
中國早在十年前已著手布局固態電池產業，多家電池廠商固態電池技術領先，越來越多的企業參與固態電池研究。受新能源車的旺盛需求拉動，中國政府也加大了對固態電池的前瞻性投入，加速布局。國內車企聯合電池企業，新興電動車制造商步伐較快，預計2023年電動汽車有望搭載固態電池。隨著政策扶持、車企布局、資本涌入，固態電池產業化進程不斷加速，行業必將進入高增長期。
03固態電池產業化提速，新玩家如何前瞻性布局？
全球范圍內都在積極推進固態電池的研發和產業化，固態電池前景廣闊。隨著固態電池技術成熟，將加速其在動力電池和儲能電池市場滲透，預計2030年全球固態電池市場將有千億空間。我們認為，對于希望在固態電池產業鏈上搶占市場的企業而言，技術創新、產品矩陣、產業鏈布局與商業化應用缺一不可。
1) 領先的技術創新
固態電池是技術創新驅動的新型電池路線，在材料和結構層面均有對于現有傳統液態電池體系的創新顛覆，并且目前仍然存在固-固界面問題等限制產業化的難點。我們認為，優秀的固態電池公司必須具備頂尖科研人才儲備，領先行業攻克核心難點，并通過專利布局，構建堅實技術壁壘。
2) 清晰的產品布局
固態電池具備高安全性、高能量密度、高功率、寬工作溫區、長循環壽命等多維度的性能優勢，不同細分市場所看重的性能指標有所差異，并且各性能之間可能存在此消彼長的關系，需要進行平衡設計。我們認為，如何基于目標市場需求分析，布局清晰的梯度化產品矩陣，將是固態電池企業在未來推進商業化時的核心競爭力。
3) 穩定的產業鏈布局
當前固態電池規模化應用的難點之一在于產業鏈不成熟帶來的成本高企，核心原材料和設備與液態電池存在差異，尚未大規模生產導致供應不確定性。我們認為，固態電池公司應當與原材料廠商、設備廠商等產業方建立深度合作關系，通過成立合資公司或簽訂戰略合作協議的方式，鎖定關鍵材料和核心設備，并具有定制化合作開發的能力，保障在持續擴產過程中的供應鏈安全和穩定。
4) 明確的商業化應用
現階段固態電池仍在市場導入期，距離大規模商業化仍需數年時間，且在獲得確定訂單之前需經歷較為漫長的送樣測試流程。我們認為，固態電池企業在推進批量生產的同時，需要積極綁定下游新能源汽車企業和儲能企業，驗證自身產品與下游需求的匹配性，并鎖定訂單資源，代表性客戶的訂單達成也有利于形成市場口碑，加速商業化進程搶占市場份額。
