新能源汽车系列研究之二：固态电池，能否成为下一代电池技术？.pdf

请务必阅读正文之后免责条款部分 Table_Summary 固态电池： 能否成为 下一代电池技术 ？ 新能源汽车系列研究之二 恒大研究院研究报告 科技行业 专题报告 2018/10/24 研究员 ： 连一席 联系人 ： 谢嘉琪 导读 ： 动力电池是新能源汽车的心脏，动力电池性能对整车性能起着决定性的作用。 在当前 锂离子电池体系下，依靠高镍三元正极、硅碳负极和电解液的组合将在 3-5 年内达到性能极限 （能量密度上限 350Wh/Kg） ， 但仍无法彻底满足动力电池对安全性 、 能量密度与成本的要求 。 而由于固态电池在安全性与能量密度方面具备更大潜力 ，近年来 受到了学术界与产业界的广泛关注 。 本文将对固态电池的原理、优点 、 研发现状 、前景 等方面进行系统梳理，揭示重视 固态 电池 的必要性 。 摘要： 固态锂电池即电解质采用固态材料的锂二次电池。 它与传统锂 离子电池的区别在于以固态电解质替代了传统锂离子电池的电解液、电解质盐、隔膜。 固态锂电池具有两方面潜在优势 。 一 、安全性高。 采用有机电解液的传统锂离子电池，在过度充电、内部短路等异常情况下容易导致电解液发热，有自燃甚至爆炸的危险。 而 全固态锂电池基于固态材料不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液问题 ； 二、能量密度高。 固态电解质无需隔膜与电解液， 可以节约 近 40%的体积和 25%的质量 。 如果 配套新的正负极材料 （锂金属负极） 可以使得电化学窗口达到 5V 以上，有望将能量密度提高至 500Wh/Kg。 当前新能源汽车行业主管部门对动力电池性能提出了非常高的要求 。 根据汽车产业中长期发展规划和节能与新能源汽车技术路线图的指引， 动力电池系统能量密度需要在 2025-2030 年达到 350Wh/Kg（对应单体能量密度 500Wh/Kg） 以满足普通电动汽车的续航里程要求 。 因此，固态电池 也被广泛认为是 下一代动力电池技术。 过去十年内固态电池领域专利数量增长超过 10 倍，固态 电池正逐渐受到业界重视 。 尤其是整车企业，开始通过内部研发、投资入股初创企业或合作研发等 多种 形式 加快布局整合。 其中 处于固态电池研发前沿的主要有两家代表 企业 汽车巨头 丰田和初创企业 Solid Energy。 这两家公司的固态电池产品能量密度已经显著优于当前的锂离子电池 ， 并已经有相关产品或明确的量产计划 。 丰田在固态电池领域 拥有大量专利 （ 252件，占比 13%，全球第一） ，同时计划在 2030 年前向电池领域投入研发资金 130 亿美元 。 目前丰田基于硫化物电解质 、石墨类负极 的锂离子电池路线推进固态电池产业化，实验室产品能量密度达到 400Wh/Kg，预计2022 年推出搭载全固态电池的电动车型， 2025 年实现量产。 Solid Energy 由麻省理工学院的技术人员创办 ， 目前获得了通用汽车 、上汽 、 淡马锡等机构的投资 。 与丰田不同， Solid Energy 目前基于半固态电解质和锂金属负极组合的路线，其产品为锂金属电池而非锂离子电恒大研究院研究报告 立足企业恒久发展 2 服务国家大局战略 池。 采用锂金属负极理论上可以实现更高的能量密度，但如果 组合液态电解质容易导致锂枝晶刺穿隔膜导致短路引发安全问题，组合全固态电解质则不易实现较高的离子导电率。 Solid Energy 采用折中的半固态电解质路线 ， 2017 年 从航空航天领域入手推出容量为 3Ah 的 Hermes电池，质量和体积能量密度分别达到 450Wh/Kg 和 1200Wh/L，目前以每月5000 个电池的速度量产，并且通过了第三方的检测。 其面向电动汽车领域的 Apollo电池 预计将于 2020 年推出。 中国在固态电池领域的研发目前与韩国 、 美国同处于第二梯队 （日本 为第一梯队），而且主要以中科院和高校等科研机构为主。 国内目前有三个团队在固态电池领域研发较为领先 。 中科院青岛能源所储能院崔光磊团队目前已研制出全海深高能量密度高安全固态锂电池动力系统，能量密度达 300Wh/Kg，并且 应用于 在马里亚纳海沟完成 1 万米的 深海高压环境 。中科院宁波材料所许晓雄团队已经开发出能量密度达到 260Wh/Kg 的10Ah 固态单体电池 ，目前与 赣锋锂业 合作推进产业化。中科院物理所李泓团队开发出 能量密度达 310-390Wh/Kg的 10Ah 软包电芯 ，目前正 与卫蓝新能源合作建设中试线 。 不过 也并非所有车企都在发力固态电池 。 作为电动汽车先驱 ， 特斯拉 目前还没有在固态电池方面拥有一件专利 ，特斯拉在电池领域拥有的 244件专利主要 集中在电池系统、电池包和充电领域，而在材料方面专利较少。 特斯拉选择的技术路线是 以 NCA 为正极材料、硅碳负极、电解液为组合 ， 通过大规模量产来 把成本降低至 $100/KWh，未来通过改良正极材料（如富锂锰基等）进一步达到 350-400Wh/Kg 的能量密度 。 对于固态电池技术 ， 特斯拉 CEO 马斯克 认为 “有一定前景”，但是距离技术成熟还需要时间，目前也不足以“改变特斯拉的战略” 。 综合 来看， 固态电池具备成为下一代动力电池技术的潜力，但是目前还没有成熟的产品能够在能量密度、安全性和循环寿命三方面 同时 显著优于当前的锂离子电池。 根据丰田等前沿企业的研发情况和计划， 我们预计固态电池技术真正成熟可能需要等到 2025 年前后， 真正具备量产能力可能需要等到 2030 年前后。 风险提示 ： 政策推动不及预期 等 恒大研究院研究报告 立足企业恒久发展 3 服务国家大局战略 目录 1 固态电池：下一代动力电池技术 . 5 1.1 固态电池的特点 . 5 1.2 固态电池能够满足 2030 年新 能源汽车技术政策目标 . 7 2 固态电池领域研发现状 . 8 2.1 固态电池领域专利情况 . 8 2.2 国外企业布局情况 . 10 2.2.1 整车与零部件企业 . 10 2.2.2 电池初创企业 .11 2.3 国内固态电池进展 . 13 恒大研究院研究报告 立足企业恒久发展 4 服务国家大局战略 图表目录 图表 1： 传统锂电池与固态电池 . 5 图表 2： 固态锂离子电池与传统锂离子电池对比 . 6 图表 3： 固态电池主要电解质类别 . 6 图表 4： EV 技术路线图 . 7 图表 5： 动力电池技术商业化时间表 . 8 图表 6： 固态电池及全固态电池专利数目 . 8 图表 7： 各国固态电池及全固态电池领域专利数量 . 9 图表 8： 固态电池专利的持有主体情况 . 9 图表 9： 全固态电池专利的持有主体情况 . 10 图表 10： 部分车企的固态电池研发进展与规划 . 10 图表 11： 固态电池初创企业融资情况 . 12 图表 12： 聚合物电解质体系代表企业 . 12 图表 13： Solid Energy 固态电池结构 . 13 图表 14： 相同容量的 3Ah 电池与 iPhone6 电池 . 13 图表 15： 氧化物电解质体系代表企业 . 13 图表 16： 国内部分机构的固态电池研发进展与应用情况 . 14 恒大研究院研究报告 立足企业恒久发展 5 服务国家大局战略 1 固态电池：下一代动力电池技术 1.1 固态 电池 的 特点 固态锂电池指电池电解质部分采用固态材料的锂二次电池 。 固态电池与传统锂离子电池不同在于固态电池以固态电解质替代了传统锂离子电池的电解液、电解质盐、隔膜。 传统锂电池与固态电池 资料来源： 恒大研究院 安全性 、 能量密度和循环寿命是对动力电池的三大要求 。 由于固态电池在这三方面均 具备 优于传统锂离子电池 的潜力 ， 因此也被视为下一代电池技术 。 固态电池 优点一 ： 安全性高 ， 无自燃 、 爆炸 风险 。 采用有机电解液的传统锂离子电池 ， 在过度充电 、 内部短路等异常情况下容易导致电解液发热 ， 有自燃甚至爆炸的危险 。 全固态锂电池基于固态 材料 不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液问题，且有望克服锂枝晶现象。 半固态、准固态电池仍存在一定的可燃风险，但安全性也较液态电解液电池提高。 固态电池 优点二 ： 能量密度高 ， 有望彻底解决电动汽车里程焦虑 。 目前技术体系下锂离子电池已经接近性能极限，特斯拉 NCA 18650 电芯 能量密度达到 250Wh/Kg， 应用于 Model 3的 21700电芯能量密度约 300Wh/Kg，支持的续航里程约 400 至 500 公里，仍无法彻底解决里程焦虑。 而对于固态电池而言， 一方面固态电解质无需隔膜与电解液，这两部分在 传统锂离子电池中加起来占据近 40%的体积和 25%的质量，另一方面由于没有漏液、腐蚀等问题，可以简化电池外壳及冷却系统模块，进一步减轻电池系统重量。 此外 ，配套新的正负极材料可以使得电化学窗口达到 5V以上，可以从根本上提高能量密度，有望达到 500Wh/Kg，同等电池容量的情况下有望 将续航里程提高到 600 至 700 公里。 此外 ， 固态电池还具有循环寿命长 、 工作温度范围宽 、 可快速充电等优点 。 恒大研究院研究报告 立足企业恒久发展 6 服务国家大局战略 固态 锂离子 电池 与传统锂离子电池对比 类别 全固态锂离子电池 传统锂离子电池 电池结构 电解质 无机类材料（氧化物、 硫化物等） 聚合物材料（ PEO基等） 有机电解液（ PC 等聚碳酸酯 +六氟磷酸锂 等） 聚合物浸润有 机电解液 优点 安全性极高 循环寿命长 适合长时间储存 能量密度高 高温适应发性好 安全性较高 可卷对卷生产 具有柔性加工特性 广泛适用于 3C 产品 储能领域有示范应用 在小型电子产品有应用 缺点 功率密度偏低 成本偏高 功率密度偏低 成本偏高 温度适应性不佳 循环寿命待提升 含有电解液，高温下有挥发与燃烧可能 因有电化学位窗口限制，放电电压无提升空间 资料来源： 全固态锂电池技术的研究现状与展望 ， 恒大研究院 按照电解质材料的不同，固态电池可以分为聚合物、氧化物和硫化物三大体系。 其中聚合物电解质属于有机电解质，氧化物和硫化物属于无机陶瓷电解质。总体来说， 聚合物电解质技术最成熟，已经率先实现小规模量产，但是理论能量密度不及其他两类电解质；氧化物电解质性能优于聚合物电解质，但薄膜型 氧化物 电池容量较小、只能应用于消费类电子领域，非薄膜型 氧化物 电池技术相对还不够成熟；硫化物电解质理论上最适合于电动汽车领域，但是开发难度最大。 按照正负极材料的不同，固态电池还可以进一步分为固态锂离子电池（沿用当前锂离子电池材料体系，如石墨 +硅碳负极、三元正极等）和固态锂金属电池（以金属锂为负极）。 由于固态锂离子电池与当前的电池体系最为接近，日韩本身又拥有成熟的锂电产业链，因此目前日 韩企业大多采用硫化物 +固态锂离子电池的路线。而欧美初创企业则立足于颠覆性的技术，大多采用聚合物 /氧化物 +固态锂金属电池的路线。 固态电池 主要电解质类别 类别 细分 主要 成分 代表企业 优点 缺点 有机电解质 聚合物 聚环氧乙烷 （ PEO）等 Bollor、SEEO、SolidEnergy 技术最成熟、率先小规模量产 室温离子电导率低；理论能量密度上限低 无机电解质 氧化物 薄膜（ LiPON） Sakti3 电池倍率及循环性能优异 容量小，主要应用于微型电子、消费电子领域；量产成本高 非薄膜 QuantumScape 离子电导率高于聚合物电解 质；电池容量大，可量产 能量密度不如硫化物 电解质电池 硫化物 硫硅酸锂等 丰田、 三星SDI、松下 离子电导率最高，最有希望 应用于电动车 开发难度最大，对生 产环境要求严格 资料来源：恒大研究院 恒大研究院研究报告 立足企业恒久发展 7 服务国家大局战略 1.2 固态电池能够满足 2030 年新能源汽车技术 政策 目标 近年来 ， 新能源汽车补贴政策经历多次调整 ， 且将于 2020 年后完全退出。 从政策历次调整的导向来看，对高续航里程、高能量密度技术路线的支持力度没有减弱甚至有所加大。 补贴政策完全退出后，双积分制度仍可能通过对不同能量密度、不同续航里程设置差别化的积分来实现对行业技术升级的导向作用。 此外， 当前 行业主管部门对动力电池技术提出了非常高的目标 。 2017年 工信部、 发改委 、 科技部 联合发布 汽车产业中长期发展规划 ，其中“ 新能源汽车研发与推广应用工程” 专栏要求： 到 2020 年，动力电池单体比能量达到 300 瓦时 /公斤以上、 力争实现 350 瓦时 /公斤，系统比能量力争达到 260 瓦时 /公斤； 到 2025 年，动力电池系统比能量达到 350瓦时 /公斤。 受工信部、国家制造强国建设战略咨询委员会委托，由中国汽车工程学 会 研 究 编制 的 节能 与 新 能源 汽 车 技术路 线 图 则要 求 ：2020/2025/2030 年单体比能量分别达到 350/400/500 瓦时 /公斤，系统比能量分别达到 250/280/350 瓦时 /公斤 。 EV 技术路线图 资料来源： 中国汽车工程学会 ， 恒大研究院 中科院院士、 国家“ 863”计划节能与新能源汽车重大项目总体专家组组长 欧阳明高教授 指出， 2020 年的目标可以依靠 高镍三元正极材料与硅碳 负极材料的组合 实现， 2025 年的目标可以依靠正极材料由高镍三元向高容量富锂锰基 材料转变实现，但基本到达极限。 而 要实现 2030 年目标，固体电解质层面 的突破是一条必由之路 。 恒大研究院研究报告 立足企业恒久发展 8 服务国家大局战略 动力电池技术商业化时间表 资料来源： IEA， 恒大研究院 2 固态电池 领域 研发现状 2.1 固态电池领域专利情况 根据德温特数据库 ， 1990 年至今固态电池领域已经公开的专利数目达到 1926 件，其中全固态电池领域专利数目达到 871 件 ，占比约 45%。 从数量 上来看 ，固态电池领域专利数目由 2007 年 26 件增长至 2017年 273 件，增长超过 10 倍，同时全固态电池专利数目占比由零提升至近一半， 说明固态电池尤其是全固态电池的研发越来越受到各方面的重视。 固态电池及全固态电池专利数目 资料来源： Derwent Innovations Index，恒大研究院 从地域上看 ， 日本目前拥有固态电池专利 916 件，占比接近一半，领先优势较大 。 其次美国和中国分别拥有 398 件、 362 件，身位接近。韩国拥有 100 件位居第四。 全固态电池方面，日本拥有专利 657 件，占比75%，领先优势更加明显。 中国 、韩国分别拥有专利 128 件、 37 件 ；美国在全固态电池领域稍弱，仅拥有 29 件专利 。 3 1 5 0 425 3141 5089 95117140 143 12764749826 27557199 991471711972622732630102030405060700501 0 01 5 02 0 02 5 03 0 01990-19951995-20002001-20062007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018固态电池专利总数（件）全固态电池专利数目（件）固态电池专利中全固态电池比例（ % ，右轴）恒大研究院研究报告 立足企业恒久发展 9 服务国家大局战略 各国固态电池及全固态电池领域专利数量 资料来源： Derwent Innovations Index，恒大研究院 从专利主体来看 ， 作为全球第一大车企的丰田拥有固态电池专利 252件，数量远超其他车企与 电池企业 ，同时日本其他消费电子及汽车零部件企业如富士、村田制造所、松下也在固态电池领域有广泛布局。总体来看，日本固态电池的研发以产业界为主导。 美国固态电池专利分布比较分散，而且其持有主体多为 Quantumscape（ 21 件）、 Sakti3（ 17 件） 等初创企业 。 中国固态电池专利分布也很分散 ， 但与美国不同 的是 中国专利持有主体以科研机构与大学为主 ， 如中科院青岛能源所 （ 13 件）、哈工大（ 13 件）等。韩国虽然总量不及中国，但是专利分布相对集中，如三星电子（ 35 件）、LG 化学 （ 29 件）、现代汽车（ 25 件）。与日本相似， 韩国在固态电池领域的研发也是以产业界为主导，且电池企业与整车企业均有布局。 固态电池 专利的持有主体情况 资料来源： Derwent Innovations Index，恒大研究院 全固态电池专利的持有主体情况与固态电池基本类似 ， 日本、韩国均以产业界为主导。中国全固态电池 研发仍然以科研机构与高校为主导 ，专利持有数量排名前五的主体分别为中科院宁波材料所 （ 6 件） 、青岛能源所 （ 6 件） ，及三所高校哈工大、中南大学、宁波大学 。 916398362100421086572912837 2002 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 0日本 美国 中国 韩国 德国 其他 日本 美国 中国 韩国 其他固态电池 其中：全固态电池25262 5852 453728 27 26 26 2117 14 13 1235 292513 13 13 120501 0 01 5 02 0 02 5 03 0 0丰田富士村田制造所出光兴产松下电器日本碍子日立NIIT-CTDK 日立造船QuantumscapeSakti3CymbetNanotekPolyplus三星电子LG化学现代汽车青岛能源所哈工大清陶新能源中南大学日本 美国 韩国 中国恒大研究院研究报告 立足企业恒久发展 10 服务国家大局战略 全固态电池专利的持有主体情况 资料来源： Derwent Innovations Index，恒大研究院 2.2 国外企业布局情况 2.2.1 整车与零部件企业 整车企业在固态电池领域的布局可以分为内部研发和对外投资两类 。前者以丰田为代表，后者以宝马 、大众 为代表。可以看到 2017 年以来 不论是哪种路线，整车企业的动作都有所加快 ，而 造成两者策略差异 的主要原因在于整车企业前期积累的多少。 部分车企的 固态电池研发进展与 规划 企业 研发进展 研发规划 技术方向 丰田 实验室全固态锂离子电池产品能量密度达到 400Wh/kg；目前与松下、 NEDO 合作开发 2022 年 推出 使用全固态电池的电动车型， 2025 年实现量产 硫化物 电解质 本田 与日立造船合作研发出 Ah 级电池 预计三年后量产 硫化物 电解质 大众 向 QuantumScape 投资 1 亿美元，合作组建固态电池合资企业； QuantumScape 为 斯坦福大学前研究人员成立的初创企业， 正在申请的全固态电池专利数量约 200 件 2025 年前 建立固态电池生产线 氧化物 +硫化物电解质 宝马 与 Solid Power 合作研发固态锂电池； 2 亿欧元在慕尼黑建立电芯研发中心 新型固态锂离子电池或在 2026年量产 无机物电解质 比亚迪 2016 年确定固态电池为发展方向 ， 已经开始小规模尝试使用 ； 2017 年 8 月申请了 一项全固态锂离子电池正极材料 发明专利 在未来 10 年、最快 5 年内提供该类型产品 / 宁德时代 设计制作了容量 325mAh 的聚合物电芯 / 聚合物 +硫化物 资料来源：恒大研究院 丰田历来在电池技术上有着深厚的积累。从普锐斯 镍氢电池到 Mirai燃料电池，丰田都是业界最早将新能源技术应用于整车层面 的车企。 在固态电池领域，丰田目前 凭借 三方面 战术 进一步巩固先发优势 ： 1）内部研发积累大量专利，在新技术上有绝对的自主权，同时 丰田 表示 将在 2030年之前投资在相关电池研发的资金可能超过 130 亿美元； 2）由日本新能源产业技术综合开发机构（ NEDO）牵头投资 100 亿日元， 丰田 、 本田 、 日产 、 松下等 23 家日本汽车、电池和材料企业，以及京都大学、日本理化学研究所等 15 家学术机构将共同参与研究， 计划到 2022 年全面掌握全1935951443225 25 22 2216 16 17 135 6 6 6 6 50501 0 01 5 02 0 0丰田富士村田制造所出光兴产日本碍子日立NIIT-C富士通日立造船TDKZeon三星电子现代汽车LG化学宁波材料所青岛能源所哈工大中南大学宁波大学日本 韩国 中国