米乐M6·锂电池的新浪潮：固态电池的突破与创新

　　围绕新能源发电、输电到用电端的上下游，诞生了风电、光伏、氢能、 核电、新能源汽车、动力电池、可再生能源等诸多细分领域，皆是价值万亿级的蓝海市场。

　　为此，维犀财经旗下「投资人说」、「科创最前线」联合启动新能源专题，挖掘新能源赛道中的先锋项目及投资人，并评选出三大专业榜单，在2022 WISH CHINA 新能源产业发展与投资峰会中，为新能源产业价值创造者、行业推动者加冕。

　　目前全球对绿色环保、可持续发展问题高度关注，各国大幅上调碳减排远景目标，中国明确提出“2030年碳达峰，2060年碳中和”的绿色发展目标。

　　得益于全球减碳行动和中国“双碳”计划实施，新能源行业高速发展，动力锂电池作为新能源产品的重要零部件，发展空间巨大。

　　随着下游应用领域的不断扩展和需求增长，对锂电池行业提出了愈来愈高的要求，锂电池技术不断进步，向更高性能及安全性进发。

　　其二是能量密度更高，理论上固态电池的能量密度可以达到400-500Wh/kg，进而提升电动车辆的续航能力；

　　此外，由于固态电解质取代正负极之间的隔膜电解液，使得电池更薄、体积更小，全固态电池技术也是电池小型化、薄膜化的必经之路。

　　当前锂离子电池的体系下，依赖高镍三元正极、硅碳负极和电解液的组合，即将达到350Wh／kg的理论极限。

　　随着锂电池正极材料继续向高镍方向发展，负极材料向硅碳、金属锂方向演化，固态电解质能够更好地匹配这些高性能的电极材料。

　　纵观锂电池的发展历史，从上世纪70年代末开始，随着锂离子电池的一系列创新理念（如“摇椅理论”）的提出，锂电池实现了初步应用，但是锂二次电池由于安全性问题等原因，一直未能推广，发展处于停顿状态。

　　正极材料方面，锂电池正极材料经历了三个发展阶段。第一阶段，受消费电池驱动，正极材料以钴酸锂为代表；第二阶段，随着新能源汽车市场放量，磷酸铁锂快速增长；第三阶段，受新能源乘用车对长里程需求与国家政策的推动，三元材料已成为市场需求主导。

　　钴酸锂：20世纪 90年代sony公司率先生产出第一块商业化的锂离子电池，选用的正极材料就是钴酸锂，从而掀开了钴酸锂在锂离子电池应用的篇章。钴酸锂正极材料作为第一代商品化的锂电池正极材料，具有较好的电化学性能和加工性能，以及比容量相对较高，在小型充电电池中应用广泛但钴酸锂材料成本高（金属钴价格昂贵）、循环寿命低、安全性能差，近年来被三元正极材料替代部分市场份额。钴酸锂的能量密度发展到当前在现有的化学体系及工艺装备下其压实密度已基本到极限由于当前整体的化学体系限制，尤其是电解液在高电压的体系下很容易分解；故通过提高充电截止电压提升比容量的方法受到了一定的限制，后续一旦电解液技术得到突破，其能量密度还会有提升的空间。

　　锰酸锂：锰酸锂是除钴酸锂之外研究最早的锂电池正极材料，相比钴酸锂，具有资源丰富、成本低、无污染、安全性能好、倍率性能好等优点；

　　锰酸锂电池将主要在物流车，以及在注重成本、对续航里程要求相对低的微型乘用车领域具有一定市场份额。

　　磷酸铁锂：磷酸铁锂的出现是锂电池正极材料的一项重大突破，低廉的价格、环境友好、较高的安全性能、较好的结构稳定性与循环性能，使其已形成了较广泛的市场应用。

　　三元材料：三元材料中三种元素的不同配比使得三元正极材料产生不同的性能，满足多样化的应用需求。

　　但高镍的热稳定性很差，在提高能力密度的同时，也意味着其稳定性的下降，安全隐患也会从而变成更大的问题。

　　负极材料方面，2000 年以前，日本企业垄断负极材料生产，主要应用材料先后从 Sony 公司研发的石油针状焦、HONDA 公司研发的中间相碳微球发展到三菱化学研发的改性天然石墨。

　　2000年之后，随着贝特瑞掌握天然鳞片石墨的球形化技术，实现了天然石墨国产化，全球的负极产业逐步向国内转移。

　　石墨负极工艺成熟，高端天然和人造石墨均能做到 360mAh/g 以上容量，比能量已经接近理论极限。

　　而硅基负极材料和金属锂负极材料凭借 400-4000mAh/g 的超高容量成为未来发展方向。

　　二、固态电池的发展驱动力从固态电池本身来说，其在能量密度及安全性方面具有独特的核心优势。一方面是固态电池的能量密度更高。相比三元电池在 4.2-4.5V的电化学稳定窗口，固态电池的电化学稳定窗口能达到 5V以上，因此固态电池能匹配高性能电极材料，可使用超高镍三元材料或搭载 LCO及富锂材料，且能兼容液态体系难以实现的金属锂负极。据估计固态电池单体能量密度最高能达到900Wh/kg以上，有望彻底解决里程焦虑问题；另一方面，固态电池的安全性更高。许多无机固体电解质材料不可燃，聚合物固体电解质即使存在一定可燃风险，但相较于电解液的风险，安全性也大幅提高。从国家战略层面看，中国计划2030年达到能量密度目标500 Wh/kg，而液态锂电池能量密度低（300 Wh/kg）,无法满足战略需求，因此未来10年着眼于固态电池具有解决目前液态锂离子电池技术瓶颈、达成战略目标的发展潜力。

　　从整体业内环境来说，动力电池行业对安全性的要求将逐步提升，基于三个方面来讲：从需求端出发，电池安全已成为车企除续航和快充之外的新一轮宣传点；从供给端来看，电池企业为抢占市场份额并避免后期高额赔偿，因此开发高安全电池已成为业内共识；另外，从政策端来看，安全国标升级，行业监管趋严，安全性俨然成为整体行业的基本要求。而固态电池的研发方向恰好吻合行业宏观发展趋势。

　　提升电解质技术是为了提高安全性和配适更高能量密度的正负极，电解质材料很大程度上决定了固态锂电池的各项性能参数， 如功率密度、循环稳定性、安全性能、高低温 性能 以及使用寿命。

　　锂是化学元素周期表中原子量最小的金属元素 (6.94)，也是密度最小(0.534 g/cm3，20 ℃)、电化学当量最小(0.26 g/Ah)及电极电势最低(－3.045 V)的金属。锰酸锂电池的循环次数在 500 次以上，而磷酸铁锂电池的循环次数在 2 000 次以上，一般铅酸蓄电池循环次数在 400～600次左右，远低于锂电池；锂电池的倍率放电要高于铅酸蓄电池，普通锂电池可实现 2 C～3 C 放电，一些具有高倍率放电能力的锂电池甚至可以实现 20 C～30 C 放电。固态电池的工作原理与传统锂电类似，金属被用作为电极材料，离子通过电解质在正负极之间移动，从而产生电的流动。传统电池在充放电过程中存在电势差，在电势差的驱动下通过锂离子以电解液作为介质在电池内部正负极之间移动产生电流的过程，就是锂电池的应用原理。

　　固态电池的结构：固态电池的本质仍是锂电池，区别于液态锂电池的电解质为固态而非液态：从组成部分来讲，传统锂电池由正极、负极、隔膜电解液构成，正负极和隔膜均浸泡在液态电解液中。而固态电池仅将电解液与隔膜替换为固态电池质，隔膜更新为固态的锂离子导电陶瓷，锂金属和铜板组成新的电池负极，全新的固态电解质和铝板组成电池正极；使用固态电解质替代液体电解质和隔膜，固态电解质燃点非常高，提高电池热稳定性能；固态电池的电压平台是5V，高于液态电池的4.3V，能够匹配高压电极材料，电池能量密度和比容量都要优于液态电池；固态电解质不具有流动性，因此不存在漏液现象。固态电池的结构特点简化了电池成组设计，降低电池的重量和体积，使得能量密度得到进一步提升。由于全固态电池无需使用隔膜，内部本身为串联结构，在系统集成端无需外部线束进行串联。同时因其较高的安全性，可以简化冷却系统，在 PACK 层面成组效率优于现有体系，液态锂离子电池以并联结构相接，封装复杂且体积庞大；

　　固态电池无漏液风险，可简化冷却系统，电池以多电芯串联结构相接，优化电池封装，电池的体积能量密度大幅提升。

　　在新能源汽车、汽车电动化的大趋势浪潮之下，国家政策层面对于固态电池的重视程度与日俱增，核心规划层和高层次专家都认为固态电池将是未来的发展趋势。

　　并最先向性能要求较低的消费电子领域渗透，根据伍德麦肯兹（Wood Mackenzie）、GGII、Bloomberg等机构预测，2030年固态电池出货量约150GWh，市场规模预计达到1500亿元人民币，至2030年，固态电池出货量复合增速将高达到80%。

　　一、行业政策1）鼓励新能源汽车行业发展各国政府近年来陆续出台政策措施，扶持新能源汽车行业发展。电动车的发展主要受政策和补贴驱。