云悦资本新能源&智能汽车系列研究（五）：固态锂电池是动力电池未来趋势，钠离子电池预计在储能领域快速普及

2021年，清陶新能源宣布世界第一款固态电池在江西省宜春市投入量产；合众也宣布，与清陶合作固态电池研发，哪吒U成首款固态电池量产车；天际汽车之前也曾经宣称2021年天际ME7车型将小批量搭载固态电池上市。以上事件，标志着固态电池技术于2021年进入发展元年。

云悦观点1：固态锂电池是最有希望的下一代电池，且固态锂电池技术对上游锂电池生产工艺和设备影响较为有限，预计2030年全球固态锂电池市场规模超1500亿人民币。

云悦观点2：目前固态锂电池尚不成熟，尚在市场培育期，要从比能量、寿命、快充、安全、成本等性能指标综合看待，预计2030年以后大规模商用，逐步占领液态锂电池的市场。

云悦观点3：近期半固态锂电池解决方案值得关注，除性能指标外还需要考虑：能否替代隔膜，能否抑制锂枝晶生长，能否利用现有生产线生产，满足上述三个方面的半固态锂电池方案具备较好的商业化条件和发展为全固态电池的基础。

云悦观点4：下游车载电池领域对固态锂电池需求最为迫切，将率先商用。而在启停、储能等领域钠离子电池更有希望。

一、固态锂电池即电解质全部为固态的锂电池

首先我们来了解一下现有的液态锂电池结构：

图1：液态锂电池结构

如上图所示，现有液态锂电池的核心就是四部分（粗体字）：正极（锂），负极（碳），隔膜（隔绝正负极），电解液。

正极：通常由锂、钴、镍等金属材料，与导电剂、粘结剂等加工而成，是决定电池性能的主要材料。

负极：主要作为储锂的主体，在充放电过程中实现锂离子的嵌入和脱嵌，目前锂电池负极材料主要是石墨。

隔膜：经特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔结构，可以让锂离子通过，而不让电子通过，实现在充放电过程中锂离子在正负极之间的迁移。

电解液：在电池内部正负极之间形成良好的离子迁移导体，一般由有机溶剂、电解质、添加剂等组成。

那么全固态锂电池，就是把电解液变成了固态的，同时，因为固态电解液也起到了隔膜的作用，因此全固态锂电池不需要现有的隔膜，结构变得更加简单：正极+固态电解液+负极。

二、固态锂电池的优劣势

固态锂电池具备：密、长、广、稳四个特点，对于电动汽车来讲意味着更高的续航里程和电池安全，因此今后可在电动汽车上广泛应用。

图2：全固态锂电池的优势

密：能量密度高

能量密度高是因为固态电解质一般拥有较宽的电化学窗口，因此可以装更多的高电压正极材料。加上固态电池体积小、稳定，可以让电池管理更为简化，能量密度自然会大大提高。

长：循环使用寿命长

固态电解质解决了液态电解质在充放电过程中形成的固体电解质界面膜的问题和锂枝晶现象，大大提升了锂电池的循环性和使用寿命，理想情况下循环性能表现优异，能够达到45000次左右。

广：适用范围广

固态电解质赋予固态锂电池结构紧凑、规模可调、设计弹性大等特点，即可应用于驱动微型电子器件，也可用于动力和储能领域。此外，固态电池也拥有更广的温度工作范围，目前基本保证－25℃—60℃的温度范围。

稳：安全性好

液态电解质易燃易爆，以及在充电过程中锂枝晶的生长容易刺破隔膜，引起电池短路，造成安全隐患。而固态电解质可以抑制锂枝晶、不易燃烧、不易爆破、无电解液走漏、不会在高温下发生副反应等，也就是说在大电流下工作不会因出现锂枝晶而刺破隔膜导致短路，不会在高温下发生副反应，不会因产生气体而发生燃烧，因此，安全性被认为是固态电池发展的最根本驱动力之一。

但是，固态电池也有它的缺点，需要克服的问题也比较多，产业化的路还比较长，主要体现在：

界面阻抗过大。固态电解质与电极材料之间的界面是固-固状态，因此电极与电解质之间的有效接触较弱，离子在固体物质中传输动力学低。

快充比较难。电池的阻抗、电导率等问题表现出来就是内阻大，就会阻碍充电，而且因为内阻大，在充电过程中会造成能量的损失，这部分能量的浪费是无法忽视的问题。

成本价格高。固态电池制备工艺不够成熟，电池使用数据收集不全面，产业化程度低，成本价格高，成本是阻止商业化的最大因素，没有利润，自然没有市场。

三、如何看待目前推出市场的固态电池？

关于固态锂电池不断地有好消息释放出来，那对于这些消息，我们该怎么看呢？

电池材料创新，其实是非常厚积薄发的一件事情，是需要长期努力的。因为我们要平衡比能量、寿命、快充、安全、成本等相互矛盾的性能指标。如果某一位说，它既能跑1,000公里，又能几分钟充满电，而且还特别安全，成本还非常低。这个很难让人相信，因为近年来没有特别大的技术突破。基本上，市面上的消息只是批露了一两个指标，比方说可以续航1000公里，充电只需要15分钟等。很显然，一个需要五根柱子支撑的桌子，不可能只靠一两根柱子来支撑。

图3：固态锂电池需要平衡的性能指标

四、固态锂电池商业化进程及市场空间

对于固态锂电池而言，业界预测：

⬛ 全固态锂电池，由于技术问题(导电性能差，充电时间长)，经济成本高，加工困难等原因，2025-2030年依然难以取代液态锂电池市场。

⬛ 2019年将是固态锂电池起步年，满足车用技术要求的固态锂电池小批量面世，部分技术领先主机厂会率先搭载应用研究；

⬛ 2021年将成为固态锂电池元年，固态锂电池比能量达到290Wh/kg，接近高镍三元体系，但安全性非常好；

⬛ 2021-2025年则进入市场培育期，电池能量密度从300Wh/kg达到400Wh/kg，届时普通的纯电动轿车的里程达到300-500公里，这期间固态锂电池会获得一部分车用电池市场；

⬛ 2030年有望步入市场成熟期，预计固态锂电池大规模产业化，单体电池比能量有望冲击500Wh/Kg，常规的性价比车型应该可以达到500公里以上。这期间，固态电池占车用电池市场主流，和车用燃料电池共存，液态电池基本退出车用动力市场。

目前，全球一些大型企业开始加大固态锂电池方面的研究和布局，包括海外巨头大众、宝马、丰田等，以及国内巨头宁德时代、赣锋锂业等，这些措施有望加快固态锂电池产业化进程。根据中银国际测算，全球固态锂电池的需求量在2020年、2025年、2030年分别有望达到1.7GWh、44.2GWh、494.9GWh，2030年全球固态电池市场空间有望达到1500亿元人民币以上。

五、固态锂电池技术发展趋势，新能源汽车电池应用需求最为迫切

近年来，下游应用领域的不断革新对锂电池行业提出了愈来愈高的要求，尤其是新能源汽车不断增长的续航要求，锂电池技术也由此不断进步，向更高的比能与安全性进发。从锂电池技术发展的路径来看，液态锂电池能够实现的能量密度已经逐渐接近了它的极限，固态锂电池将是锂电发展的必经之路。

图5：锂电池发展技术路径

技术进步无法一蹴而就，固态锂电池也需要从液态电解质电池逐渐演变，在演变过程中，一些材料被逐渐替代，一些新材料也得以应用。

从固态锂电池技术发展路径来看，固态锂电池在其发展过程中，负极与电解质的材料产生了较大的变化，隔膜也逐渐被剥离，但正极材料的变化不大，NCM、LCO等材料仍然在固态电池中应用。由于固态锂电池的性能优势，车载电池将会率先使用固态锂电池；随着技术和产业的成熟，固态锂电池成本下降，其它应用场景逐步跟进。

六、固态锂电池对上游生产工艺和生产设备影响有限

从固态锂电池的构成和生产过程来看，对正极材料、负极材料影响较小；对隔膜、电解液的影响较大，其中完全的固态电池并不需要隔膜，而电解质也从液态变为固态；对设备影响较小，除注液机等个别设备外，整体与液态锂电池对设备的需求基本一致。

七、半固态锂电池不失为一种可行的过渡方案，目前值得关注

固态锂电池看起来很美，但是还比较遥远，而作为一个过渡产品，半固态锂电池其实也是可以接受的，它解决了界面阻抗过大，快充比较难的问题，但还是需要谨慎对待，除了性能指标外，还要从以下三个方面来考虑是否具备发展前景。

图4：半固态锂电池考虑的三个方面

1. 是否能替代隔膜？

理论上，电解液当中只要含一点点固态成分，就可以叫做半固态，哪怕仅仅只有1%，固态电解液的好处之一就是可以隔绝正负极，阻挡电子，替代隔膜。那所谓的半固态电解液，则需要重点关注其中的固态成分是否能替代隔膜，阻拦电子。

2. 是否能抑制锂枝晶生长？

充电时，锂离子从正极跑到负极，在负极与电子合成锂原子，因为各种因素，总有一部分不会还原成锂离子跑回正极，而是在负极沉积下来，在负极表面结晶并生长成为锂枝晶。沉积的锂越多，则电池的储电能力越差。而当锂枝晶生长到一定程度，刺破隔膜，则会引起短路，引燃引爆易燃易爆的电解液，酿成恶性事故。

固态锂电池的好处之一是可以抑制锂枝晶的生长，从而提高了电池的安全性。那么当我们看到一种半固态锂电池时，则需要关注，它是否还是给锂枝晶生长留下了空间？锂枝晶会不会从缝隙，或者从边缘生长？还是有可能造成短路？

3. 是否能利用现有生产线生产？

固态锂电池和液态锂电池差别并不大，半固态差异则更小，如果能够利用现有生产线来进行生产，则意味着量产及成本上的巨大优势，有较好的商用前景。

满足上述三个条件的半固态电池，不仅仅是拥有较好的性能，并且也能较快实现商业化，从技术发展的角度来讲，也具备发展成为全固态电池的基础。是在全固态电池之前值得关注的标的。

八、新能源汽车电池以外的领域，钠离子电池值得期待

由于金属锂的价格一路上涨，锂离子电池成本越来越高，钠离子电池逐步进入视野。地球上锂资源的储量有限，锂元素在地壳中的含量仅为 0.0065%。但是钠资源储量非常丰富，地壳丰度为 2.64%，是锂资源的 400多倍，且钠资源分布广泛、提炼简单。

那么钠离子电池有什么特点呢？钠离子电池跟当前电动汽车行业普遍使用的铅酸电池和锂离子电池的特性差异大致可以总结为几点：

（1）能量密度方面：铅酸电池＜钠离子电池＜锂离子电池

钠离子电池的电芯能量密度为100-160Wh/kg， 循环寿命方面，钠电池在3000次以上，仅从能量密度和循环寿命考虑，钠电池有望首先替代铅酸和磷酸铁锂电池主打的启停、低速电动车、储能等市场，但较难应用于电动汽车和消费电子等领域，在这两大领域锂离子电池仍将是主流选择。

（2）安全性高，高低温性能优异

钠离子电池的内阻比锂离子电池高，在短路的情况下瞬时发热量少，温升较低，热失控温度高于锂电池，具备更高的安全性。因此针对过充过放、短路、针刺、挤压等测试， 钠电池能够做到不起火、不爆炸。另一方面，钠离子电池可以在-40℃到 80℃的温度区间正常工作，-20℃的环境下容量保持率接近 90%，高低温性能优于其他二次电池。

（3）快充倍率高，有补能优势

依赖于开放式 3D 结构，钠离子电池具有较好的倍率性能，能够适应响应型储能和规模供电，是钠电在储能领域应用的又一大优势。在快充能力方面，钠离子电池的充电时间只需要 10 分钟左右，相比较而言，目前量产的三元锂电池即使是在直流快充的加持下，将电量从 20%充至80%通常需要 30 分钟的时间，磷酸铁锂需要 45 分钟左右。

对于钠离子电池的应用前景，主要有几点值得关注：

（1）钠离子电池的可预期成本优势明显

根据平安证券发布的研究数据显示，钠离子电池比锂离子电池的材料成本降幅高达30~40%，其中成本优势主要由正极材料和集流体结构部分贡献。但是，由于钠离子电池上下游产业链尚未完善，产业链仍处于前期阶段，电池材料成本的优势并没有充分体现。这也是宁德时代在发布钠离子电池时呼吁号召上下游共同开发钠离子电池的主因。

（2）新能源汽车需求激增+双碳下储能板块对电池需求的叠加催生钠离子电池

2020 年全球新能源汽车的销量比2019 年增长了 43.36%。动力电池成本占比将近 40%。销售大幅提升，直接推动动力电池市场规模持续扩大。

除了新能源汽车市场，双碳背景下的储能板块对电池的需求也异常疯狂。宁德时代半年报显示，2021 年上半年，储能业务收入同比增长 7 倍，在整体收入的占比升至 10.6%；特斯拉也有太阳能电池板和储能业务，2021 年第二季度，收入同比增长超过 60%。储能的甜头，触动了电池企业异常敏感的神经。

在这种供不应求的情况下，锂资源稀缺且昂贵，钠离子上位也就是必然的结果了。

（3）钠离子电池能量密度低，使用场景受限

钠离子电池可预期的成本优势显著，相比锂离子电池安全性和高低温性能优异，但是能量密度偏低。当前电动汽车对于动力电池的能量密度要求较高，因此钠离子电池的使用主要还是倾向于对能量密度要求不高的低速电动车和储能领域。

（4）钠离子电池还处于产业发展初期阶段

现在钠离子电池还是更偏实验性质，还没有建立起和锂离子电池一样成熟的上下游产业链体系。整个产业化尚处于发展初期阶段，当前钠离子电池的生产成本偏高，除非国家和企业大力发展推广，待整个产业链发展完善后，成本优势才能显现出来。

九、石墨烯电池名不副实，路途遥远

技术的突破，很多的时候，其实是受益于材料的突破。那么当技术难以突破的时候，可能就是材料的性能已经到顶了，需要更加优质的材料了。而石墨烯，毫无疑问，是一个非常有想象空间的优质材料。

但直接谈石墨烯电池，这个有点名不副实，虽然学术上对电池命名没有严格的规范，但是一般原则是哪种成分起主要作用，就以哪种成分来定义，例如：钴酸锂电池、磷酸铁锂电池等，或简化为锂电池，钠电池。但目前的石墨烯，在电池中的应用只是作为导电添加剂和正负极功能涂层，并不是起到主要作用的成分，所以不应该被称为石墨烯电池，石墨烯加上锂电池，并不等于石墨烯电池，还是只能称之为锂电池。

那么对于这个名字的追究，也就说明了一点，目前石墨烯对于锂电池的某些性能，有一定的改善，但没有颠覆性的作用，并且，也一样遇到很多技术上的挑战。

石墨烯作为导电剂，可以促进快速充放电，但对于制作工艺提出了更高要求，常温下，石墨烯也不是超导体，与更廉价的添加剂相比，未必有什么优势。用石墨烯替代石墨作为负极材料，理论上应该是可以提升容量，但性能很容易受到表面状态的影响，并且未必会比硅基负极材料好用，而且硅基负极材料更容易制备。

广汽新能源基于三维结构的石墨烯材料的“超级快充电池”，可能正是基于上述考虑，并不直接命名为“石墨烯电池”，至于外界怎么解读，就不是他们的责任了。但是，他们也只是讲到一个性能指标，那就是8分钟充电到85%。而在本文前面提到了，考虑一款电池是否能商用时，至少要考虑比能量，快充，寿命，成本，安全五个指标的平衡，只谈一个指标，避而不谈其他指标，本身就能说明问题。

尽管如此，石墨烯由于其独特的性能，在电池领域的应用还是值得期待，只是技术研究不可能一蹴而就，需要长期积累，石墨烯材料真正在电池领域大放光芒，还有一段遥远的路要走。

十、总结

固态锂电池是最有希望的下一代电池，能够满足新能源汽车更高续航里程和安全性的需要，但是短期内技术难以取得重大突破，因此2030年以前难以大规模商用，预计2030年以后将逐步取代液态锂电池，市场规模将达到1500亿人民币以上。目前可以重点关注有前景的半固态电池方案。固态锂电池由于和液态锂电池区别不大，仅仅是电解液变为固态，并取消了隔膜，因此对锂电池生产工艺和生产设备还有上下游影响有限。而在汽车启停电瓶，低速电动车，以及储能领域，钠离子电池同样值得期待。另外，石墨烯材料在电池领域的应用，有希望大幅提升电池的性能指标。