目前，全球範圍內約有50多家製造企業、初創公司和高校科研院所致力於固態電池技術。根據IDTechEx的一份報告，到2030年，固態電池的市場規模預計將超過60億美元。
作者｜高禾投資研究中心
來源｜高禾投資（ID：GHICapital）
導讀
傳統鋰離子電池主要由正負極材料、電解液和隔膜組成。固態電池則是使用固體電解質，替代了傳統鋰離子電池的電解液和隔膜。
就在這個月9日《日經新聞》報導，豐田目前正在開發的固態電池汽車，在同等條件下的續航裡程是採用傳統鋰離子電池的超過兩倍；而且充滿電只需要大約10分鐘，相比於傳統電動汽車縮減了至少三分之二。
如此具有戰略重要性的一個行業，背後都有哪些公司研發處於領先階段？
今天我們就來了解一下固態電池行業。
「固態電池」將成鋰電行業顛覆者，產業鏈上都有哪些投資機會？
行業市場綜述
（一） 行業定義及分類
1. 定義
固態電池是指採用固態電解質的鋰離子電池。與傳統鋰電池相比，全固態電池最突出的優點是安全性。固態電池具有不可燃、耐高溫、無腐蝕、不揮發的特性，固態電解質是固態電池的核心，電解質材料很大程度上決定了固態鋰電池的各項性能參數，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。
來源：OFweek維科網、高禾投資研究中心
2. 分類
按照電解質材料的選擇，固態電池可以分為聚合物、氧化物、硫化物三種體系電解質。其中，聚合物電解質屬於有機電解質，氧化物與硫化物屬於無機陶瓷電解質；按照正負極材料的不同，固態電池還可以分為固態鋰離子電池（沿用當前鋰離子電池材料體系，如石墨+矽碳負極、三元正極）和固態鋰金屬電池（以金屬鋰為負極）。
（二） 行業發展歷程
固態電解質鋰離子電池的理論研究可以追溯到1972年在貝爾吉拉泰（Belgirate）召開的北約「固體中的快速離子輸運」會議上，斯蒂爾（Steele）討論了合適的固態電解質的基本標準，並指出了過渡金屬二硫化物作為電池正極材料的潛力。同年，阿爾芒（Armand）將Li/TiS2應用於以固態b-氧化鋁為電解質的三元石墨正極中的Na+擴散，這是關於固態電池的第一份報告。
1. 萌芽階段（1970年-1990年）
1970年至1990年為固態電池的初始階段，在這一階段固溶電極和「搖椅電池」概念誕生，科學家選擇合適的電極和電解液。20世紀70年代，惠廷厄姆（Whittingham）提出並開始研究鋰離子電池，採用硫化鈦作正極、金屬鋰作負極，製成首個鋰電池；阿爾芒（Armand）提出「搖椅電池」的概念。20世紀80年代，古迪納夫（Goodenough）發現鈷酸鋰可以作為鋰離子電池正極材料；貝爾實驗室製成首個可用的鋰離子石墨電極；曼蒂蘭（Manthiram）和古迪納夫（Goodenough）發現採用聚合陰離子的負極能產生更高電壓；薩克雷（Thackeray）和古迪納夫（Goodenough）發現錳尖晶石是優良的正極材料。
2. 初始階段（1990年-2000年）
1990年至2000年為液態鋰離子電池的商業化階段，在這一時期內，索尼（Sony）公司發明商業化液態鋰離子電池；塔拉斯孔（Tarascon）和蓋約馬德（Guyomard）組裝了第一個石墨「LiMn204」搖椅電池，證明LiMn204作為有前景低成本鋰離子電池正極的可能性。
3. 發展階段（2000年至今）
2000年以來為固態電池的興起階段，在這一階段內，科學家也改進了液態鋰離子電池。帕迪（Padhi）和古迪納夫（Goodenough）發現具有橄欖石結構的磷酸鹽和磷酸鐵鋰比傳統的正極材料更安全、耐高溫、耐充電；塔拉斯孔（Tarascon）和蓋約馬德（Guyomard）提出了一種基於LiPF6的EC/DMC電解質，是目前電池製造的標準電解液配方高比容量（vs. LiCoO2）、高電壓（vs. LiFeP04）的NMC稱為最普遍的正極；阿爾芒（Armand）提出固態聚合物電解質基礎固態電池概念；同時他提出用於固態電池的新型亞胺基酸、鋰遷移、鋰負極保護方法固態電池技術。
（三） 行業市場規模
由於固態電池當前還處於實驗室階段，尚未有企業完成商業化量產，因此市場暫未大範圍應用固態電池。因為固態電池和現有液態電池存在替換關係，我們將根據鋰電池現有市場規模估算固態電池潛在的市場規模。根據中國電子信息產業發展研究院的數據，2019年中國鋰電池產業規模為2058億元。假設未來固態電池滲透率分別為：5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%，根據高禾投資研究中心估算，固態電池市場規模可以分別達到：102.9、205.8、308.7、411.6、514.5、617.4、720.3、823.2、926.1、1029億元。
來源：中國電子信息產業發展研究院、高禾投資研究中心
（四） 行業產業鏈分析
固態電池產業鏈主要由正極、負極和電解質構成。固態電池產業鏈與液態鋰電池大致相似，兩者主要的區別在於上遊的負極材料和電解質不同，在正極方面幾乎一致。
來源：高禾投資研究中心
1. 上遊分析
1) 正極
與傳統鋰離子電池相似，固態電池正極材料一般採用複合電極，除了電極活性物質外還包括固態電解質和導電劑，在電極中起到傳輸離子和電子的作用。按正極材料分類，主要有三元鋰、磷酸鐵鋰、鈷酸鋰和錳酸鋰這四種。2019年，我國三元材料出貨量佔比最高，達47.5%；其次是磷酸鐵鋰，佔比為21.8%。具有能量密度優勢的三元材料預計進一步取代磷酸鐵鋰市場。
2) 負極
固態電池負極材料目前主要集中在金屬鋰負極材料、碳族負極材料和氧化物負極材料三大類，其中金屬鋰負極材料因其高容量和低電位的優點成為全固態鋰電池最主要的負極材料之一，採用金屬鋰做負極，有望提升40-50%的能量密度。目前，全球鋰鹽產能主要集中在我國，佔比約70%。2019年我國金屬鋰總產能約4700噸，產量2903噸，產能利用率為61.8%。全球金屬鋰主要廠商包括贛鋒鋰業、天齊鋰業和Livent，2018年這三大公司全球產能佔比達到79%。
3) 電解質
全固態鋰電池採用固態電解質替代傳統有機液態電解液，有望從根本處解決電池安全性問題，是電動汽車和規模化儲能理想的化學電源。固態電池的三大電解質體系各有優劣，目前全球固態電池企業都在不同的電解質體系上進行技術研發。其中，歐美企業偏好氧化物與聚合物體系，而日韓企業則更多致力於解決硫化物體系。
2. 中遊分析
固態電池產業鏈中遊為固態電池企業。目前固態電池企業主要集中在美國和中日韓。日本的固態電池企業包括豐田（Toyota）、出光興產（Idemitsu Kosan）、日立造船（Hitachi Zosen）。韓國的固態電池企業包括三星SDI（Samsung SDI）、LG化學（LG Chem）、現代（Hyundai）。中國的固態電池企業包括贛鋒鋰業、寧德時代、北京衛藍、清陶發展等。美國的固態電池企業包括Solid Power、Quantum Scape、Sakti3等。以上公司的主要區別為電解質的技術路線。從量產角度分析，Solid Power、Quantum Scape和豐田（Toyota）目前技術最為領先，最接近量產。
3. 下遊分析
1) 新能源汽車
隨著固態電池產品的成熟，未來有望在動力電池領域實現應用。受益於政策的優惠，我國新能源汽車市場從2014年開始快速發展，隨後2016、2017年受到騙補事件及補貼倒退的影響，產銷量增速放緩，2019年國內新能源汽車產量為124.2萬輛。目前，為了緩解疫情對新能源汽車行業的影響，我國推遲補貼政策至2021年，行業發展正逐漸恢復中。
2) 電化學儲能
全固態電池被公認有望突破電化學儲能技術瓶頸，滿足未來發展需求的新興技術方向之一。在電化學儲能方面，目前鋰電池佔電化學儲能比重達80%。而結合國家對能源發展的指導方針，電化學儲能在用戶側、可再生能源併網配套等領域的需求有望迎來快速增長，固態電池發展前景明朗。備用電源是電化學儲能的另一大重要應用。隨著5G基站建設的大力推進，備用電源的需求也有望迎來快速增長。根據工信部數據統計，截至2019年底我國共建成5G基站超13萬個；截至2020年5月，工信部表示已開通5G基站超過20萬個，每周新增5G基站超過1萬個，到2020年年底，我國5G基站數可達65萬。
行業驅動因素
（一） 固態電池將打破消費者對新能源汽車的裡程焦慮
固態電池的技術潛能將打破消費者對新能源汽車的裡程焦慮，使新能源汽車實現對燃油車的無縫替代。燃油車的油箱容量通常在55L左右，按照百公裡8L的耗油量，大概可以行駛600公裡。因此，新能源汽車廠商為了實現對燃油車的無縫替代，基礎目標為充一次電行駛600公裡。電池系統容量的核心是電芯，電芯的能量密度由Wh/kg來衡量，就是每公斤的電芯，能夠產生多大功率的能量。目前市場公認的答案是，現有電動車的電池系統能量密度翻一倍半，從普遍的160Wh/kg，到400Wh/kg，才是電動車徹底取代燃油車的開始。當下主流的動力電池，無論是磷酸鐵鋰電池，還是三元鋰離子電池，都是液態電解液的鋰離子電池，理論的最高能量密度為350Wh/kg。因此，固態電池為解決電池能量密度問題的最佳方案，固態鋰電池技術採用鋰、鈉製成的玻璃化合物為傳導物質，取代以往鋰電池的電解液，能量密度通常為液態鋰離子電池的兩倍。
（二） 固態電池安全性優於液態電池
液態鋰離子電池存在安全隱患，固態電池安全性更高，電池自燃、爆炸風險更低。據不完全統計，截至2019年10月，我國一共發生了79起電動汽車的安全事故，涉及車輛達到了96輛。引發電動汽車安全事故的主要原因是熱失控導致電池爆炸或自燃。電池自燃的原因是在過充電、低溫或高溫環境下動力電池發生短路，短時間內電池釋放大量熱量，點燃電池內部的液態電解質，最終導致電池起火。固態電池將液態電解質替換為固態電解質，這大大降低了電池熱失控的風險。半固態、準固態電池仍存在一定的可燃風險，但安全性優於液態鋰電池。
（三） 固態電池封裝更簡易，體積能量密度大幅提升
固態電池可簡化封裝、冷卻系統，電芯內部為串聯結構，在有限空間內進一步縮減電池重量，體積能量密度較液態鋰離子電池（石墨負極）可提升70%以上。液態鋰離子電池以並聯結構相接，封裝複雜且體積龐大；固態電池無漏液風險，可簡化冷卻系統，電池以多電芯串聯結構相接，優化電池封裝，電池的體積能量密度大幅提升。
行業制約因素
（一） 固態電池量產仍有難點
技術不成熟、生產條件受限，固態電池量產依舊有難點。三星固態電池最新科研成果發布，全固態電池性能出現重大突破。2020年3月初，三星高等研究院（SAIT）與三星日本研究中心（SRJ）在《自然能源》（Nature Energy）雜誌上發表《High-energy long-cycling all-solid-state lithium metal batteries enabled by silver–carbon composite anodes》，介紹了其在固態電池領域的最新進展，銀碳基全固態電池能夠實現900Wh/L高能量密度、1000圈以上長循環壽命及99.8%極高庫倫效率（充放電效率），電池一次充電後可驅動汽車行駛800公裡。技術不成熟、生產條件受限，固態電池量產對於三星產業化而言仍有難點。硫化物固態電解質對生產環境要求苛刻，需隔絕水和氧氣；銀碳層大規模生產所需的貴金屬納米銀成本較高。發表論文的SAIT和SRJ均為科研機構而非主攻工藝的三星SDI，文章僅闡明了新電池的原理、結構和性能，初步判斷該電池仍處於實驗室階段，短時間內難以量產。
（二） 固態電池相比較於液態電池製造成本高昂
固態電池要想與傳統液態鋰離子電池一較高下，電池降本至關重要。根據材料成本和加工成本（包括人工、折舊、利息、能源、維護和工廠面積成本等）來估算固態鋰電池和液態鋰電池的製造成本，固態電池（石墨負極）成本為158.8$/kWh，液態電池（石墨負極）成本為118.7$/kWh，固態電池（石墨負極）比液態電池（石墨負極）高約34%，主要原因為固態電池材料成本高昂和加工工藝複雜。考慮到新能源汽車平均50%的成本來自於動力電池，車企對電池的價格極為敏感，固態電池相較於液態電池高昂的製造成本將制約行業的發展。
行業相關政策分析
我國直接針對固態電池行業的相關政策較少，對固態電池行業影響較大的政策主要圍繞「推動鋰電池行業的發展」以及「促進新能源汽車動力電池升級」這兩方面展開。相關政策通過制定產業規劃、規範行業標準、修改補貼制度等方式，間接地對固態電池行業施加影響。
1) 鋰離子電池相關政策分析
鋰離子電池及相關產品的製造技術屬於我國優先發展的技術領域。近年來，我國出臺了一系列政策規劃以推動鋰離子電池製造水平及技術的發展。固態電池作為新型鋰離子電池，其能效更加符合我國對於鋰離子電池的期望，其相關產品與技術的發展也受到了我國鋰電池相關政策的深刻影響。
來源：高禾投資研究中心
2) 新能源汽車相關政策分析
在相關政策上，我國不僅對於新能源汽車動力電池產業及技術的發展制定了規劃與要求，還對新能源汽車的補貼和積分情況進行了大規模的調整，迫使相關產業不斷追求動力電池能量密度和續航能力的提升，間接推動了擁有高能量密度和強續航能力的固態電池的產業發展。
來源：高禾投資研究中心
行業發展趨勢分析
（一） 液態電解質含量逐步下降，全固態電池為最終形態
固態電池的技術發展採用逐步顛覆策略，液態電解質含量逐步下降，全固態電池是最終形態。依據電解質分類，鋰電池可分為液態、半固態、準固態和全固態四大類，其中半固態、準固態和全固態三種統稱為固態電池。固態電池的迭代過程中，液態電解質含量將從20wt%降至0wt%，電池負極逐步替換成金屬鋰片，電池能量密度有望提升至500Wh/kg，電池工作溫度範圍擴大三倍以上。預計在 2025 年前後，半固態電池可以實現量產，2030 年前後實現全固態電池的商業化應用。
（二） 固態電池製造成本下降
固態電池要想與傳統液態鋰離子電池一較高下，電池降本至關重要。近兩年內固態電池生產線迎來一輪不小的投產潮，清陶、衛藍新能源、輝能科技等企業將建固態電池生產線，雖然目前各企業均未公布固態電池成本，但此前已有預測固態電池成本遠高於鋰離子電池，未來固態電池若想實現產業化，降本則成必然。
行業競爭格局分析
（一） 行業競爭格局概述
目前，全球範圍內約有50多家製造企業、初創公司和高校科研院所致力於固態電池技術，固態電池尚未實現大規模商業化。全球預計2020年準固態鋰電池會實現產業化，到2025年全固態鋰電池將最終實現產業化。其中，歐美企業偏好氧化物與聚合物體系，而日韓企業則更多致力於解決硫化物體系。
1) 歐美地區
歐美車企對固態電池初創企業關注度較高。車企通過收購、投資在固態電池領域中美國高校衍生的初創企業如Solid Power、SolidEnergy Systems、Ionic Materials、Quantum Scape等以獲得技術儲備。
2) 日韓地區
日本車企在固態電池上的研發起點相對較早，最早入局的豐田在2008年就與固態電池創企伊利卡（Ilika）展開了合作，2019年初，宣布與松下合作。三菱、日產、松下等大部分企業紛紛加速布局固態電池行業，爭取早日實現量產。
3) 中國
在固態電池研究方面，國內企業不及日本、德國、美國等起步早，但越來越多的企業已經參與其中。參與主體包括中科院化學所、中科院青島能源所、中科院寧波材料所等研究機構，贛鋒鋰業、寧德時代等電池企業；更有其他領域企業看好固體電池跨界投資，如以汽車零部件為主的萬向集團、新能源汽車比亞迪等。
來源：前瞻產業研究院、高禾投資研究中心
（二） 核心企業分析
1. 寧德時代（300750.SZ）
1) 公司概況
寧德時代新能源科技股份有限公司（以下簡稱「寧德時代」）成立於2011年，總部位於福建寧德，是全球領先的鋰離子電池研發製造公司，專注於新能源汽車動力電池系統、儲能系統的研發、生產和銷售，致力於為全球新能源應用提供一流解決方案。寧德時代於2018年6月11日在深交所掛牌上市，截止至2020年12月30日，寧德時代市值8037億元。
來源：寧德時代官網、高禾投資研究中心
2) 核心產品
寧德時代涉及四個核心業務，分別為：乘用車、商業應用、儲能系統、循環回收。乘用車業務涉及純電動私家車解決方案、純電動運營車解決方案、混合動力私家車解決方案。商業應用業務涉及道路客運解決方案、城市配送解決方案、重載運輸解決方案、城市道路清潔解決方案、工程機械解決方案、二輪車解決方案、船舶解決方案、特種應用解決方案。儲能系統業務涉及發電側儲能、電網側儲能、用電側儲能。循環回收業務主要依託子公司廣東邦普打造電池生產、使用、梯次利用、回收與資源再生閉環。
3) 業績表現
根據寧德時代2017至2019年報，2017、2018、2019年營業收入分別為199.97億元、296.11億元、457.88億元，同比增長分別為34.40%、48.08%、54.63%。營業利潤分別為48.32億元、41.68億元、57.59億元，同比增長分別為50.43%、-13.73%、38.15%。2020年前三季度營收入315.22億元，同比增長-4.06%，營業利潤為44.28億元，同比增長-0.4%。
2. 比亞迪（002594.SZ）
1) 公司概況
比亞迪股份有限公司（以下簡稱「比亞迪」）是一家致力於「用技術創新，滿足人們對美好生活的嚮往」的高新技術企業。比亞迪成立於1995年2月，經過20多年的高速發展，已在全球設立30多個工業園，實現全球六大洲的戰略布局。比亞迪業務布局涵蓋電子、汽車、新能源和軌道交通等領域，並在這些領域發揮著舉足輕重的作用，從能源的獲取、存儲，再到應用，全方位構建零排放的新能源整體解決方案。比亞迪是香港和深圳上市公司，截止至2020年12月30日，比亞迪在深交所市值4908億元。
來源：比亞迪官網、高禾投資研究中心
2) 核心產品
比亞迪核心業務涉及乘用車、商用車、軌道交通、電池和電子。比亞迪乘用車現已構建起傳統燃油、混合動力、純電動車全擎全動力產品體系。比亞迪商用車產品實現了城市公交、計程車、道路客運、城市商品物流、城市建築物流、城市環衛，以及倉儲、港口、機場、礦山等10個領域的全市場覆蓋。「雲軌」屬於跨座式單軌一種，是比亞迪軌道交通產品品牌。為解決城市交通擁堵問題，比亞迪組建1000多人的研發團隊，歷時5年，累計投入50億元，成功打造跨座式單軌「雲軌」。電池業務涉及電池、太陽能和儲能產品。電子業務包括電子產品金屬、玻璃、陶瓷、複合板材等結構件，充電器、二次充電電池等零部件製造及整機設計、組裝等。
3) 業績表現
根據比亞迪2017至2019年報，2017、2018、2019年營業收入分別為1059.15億元、1300.55億元、1277.39億元，同比增長分別為2.36%、22.79%、-1.78%。營業利潤分別為54.11億元、42.42億元、23.12億元，同比增長分別為-7.5%、-21.6%、-45.49%。2020年前三季度營收入1050.23億元，同比增長11.94%，營業利潤為58億元，同比增長182.15%。
3. 贛鋒鋰業（002460.SZ）
1) 公司概況
江西贛鋒鋰業股份有限公司（以下簡稱「贛鋒鋰業」）成立於2000年3月2日。贛鋒鋰業是全球領先的鋰化合物生產商及金屬鋰生產商。贛鋒鋰業是鋰行業唯一同時擁有「滷水提鋰」、「礦石提鋰」和「回收提鋰」產業化技術的企業，鋰化合物產能全球第三、中國第一，金屬鋰產能全球第一；擁有完整的電池製造及回收技術，為電池生產商及電動汽車生產商提供可持續的增值解決方案。贛鋒鋰業於2010年8月10日登陸深交所中小板，截止至2020年12月30日，贛鋒鋰業市值1292億元。
來源：贛鋒鋰業官網、高禾投資研究中心
2) 核心產品
贛鋒鋰業業務貫穿資源開採、提煉加工、電池製造回收全產業鏈，產品被廣泛應用於電動汽車、儲能、3C產品、化學品及製藥等領域。
3) 業績表現
根據贛鋒鋰業2017至2019年報，2017、2018、2019年營業收入分別為43.82億元、50.04億元、53.42億元，同比增長分別為54.12%、14.15%、6.75%。營業利潤分別為17.55億元、13.71億元、4.75億元，同比增長分別為208.56%、-21.89%、-65.32%。2020年前三季度營收入38.93億元，同比增長-7.54%，營業利潤為4.13億元，同比增長-2.89%。
4. 國軒高科（002074.SZ）
1) 公司概況
國軒高科股份有限公司（以下簡稱「國軒高科」）是國內最早從事新能源汽車用動力鋰離子電池（組）自主研發、生產和銷售的企業之一。國軒高科成立於1995年1月23日，總部位於安徽合肥。國軒高科是中國動力電池產業最早進入資本市場的民族企業，於2015年5月成功上市，截止至2020年12月30日，公司市值477.1億元。
來源：國軒高科官網、高禾投資研究中心
2) 核心產品
國軒高科主要產品為磷酸鐵鋰材料及電芯、三元電芯、動力電池組、電池管理系統及儲能型電池組。產品廣泛應用於純電動商用車、乘用車、物流車和混合動力汽車等新能源汽車領域，並與國內多家主要新能源整車企業建立了長期戰略合作關係。
3) 業績表現
根據國軒高科2017至2019年報，2017、2018、2019年營業收入分別為48.38億元、51.27億元、49.59億元，同比增長分別為1.68%、5.97%、-3.28%。營業利潤分別為10.10億元、6.39億元、0.59億元，同比增長分別為-8.6%、-36.71%、-90.79%。2020年前三季度營收入40.77億元，同比增長-20.85%，營業利潤為1.10億元，同比增長-82.78%。
5. 珈偉新能（300317.SZ）
1) 公司概況
珈偉新能源股份有限公司（以下簡稱「珈偉新能」）成立於1993年7月17日，總部位於廣東深圳。珈偉新能是全球太陽能結合LED商業化應用的先行者和開拓者，中國規模化出口太陽能LED應用產品的企業，全球太陽能LED景觀燈具的領導者，對世界光伏照明行業的發展和中國光伏照明產業的形成做出了卓越的貢獻。珈偉新能於2012年5月11日登陸創業板，截止至2020年12月30日，珈偉新能市值66.44億元。
來源：珈偉新能官網、高禾投資研究中心
2) 核心產品
珈偉新能的核心業務包括：鋰電儲能、光伏電力和智慧照明。鋰電儲能業務涉及高性能鋰離子電池及系統的研發、生產和銷售。光伏電力業務涉及光伏電站領域的EPC建設與投資運營。智慧照明業務涉及庭院照明、LED照明及智能家居。
3) 業績表現
根據珈偉新能2017至2019年報，2017、2018、2019年營業收入分別為33.10億元、16.9億元、8.41億元，同比增長分別為13.32%、-48.96%、-50.23%。營業利潤分別為3.81億元、-19.26億元、-10.38億元，2017年同比增長為-3.03%。2020年前三季度營收入5.83億元，同比增長-12.10，營業利潤為0.45億元。