2020年5月11日 13:54:47
本文源自微信公眾號「EBSCN電新研究」。
固態電池有望成為下一代高性能鋰離子電池。（1）固態電池將液態電解質替換為固態電解質，安全性高，大大降低了電池熱失控的風險；（2）固態電池電化學窗口可達5V以上，允許匹配高能正極，電池負極可以採用金屬鋰，提升理論能量密度，有望解決新能源汽車裡程焦慮問題；（3）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。目前，（1）聚合物固態電解質率先實現應用，但存在高成本和低電導率兩個致命問題；（2）氧化物固態電解質綜合性能好，LiPON薄膜型全固態電池已小批量生產，非薄膜型已嘗試打開消費電子市場；（3）硫化物固態電解質電導率最高，研究難度最高，開發潛力最大，如何保持高穩定性是一大難題。
固態電池領域進入「軍備競賽」階段，各企業期望搶佔先機以贏得市場份額。固態電池領域市場參與者眾多，車企、電池企業、投資機構、科研機構等在資本、技術、人才三方面進行博弈。隨著越來越多的企業加入，固態電池產業化進程不斷加速：（1）中國企業縱向聯合，高校及研究機構科技成果初嘗產業化；（2）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；（3）日本電池領域底蘊深厚，企業依靠自身優勢組建研發團隊攻克技術難關，同時車企橫向聯合共同開發電池技術，科研機構、車企、電池和材料企業等多行業抱團共同參與研究；（4）韓國電池企業選擇縱向聯合，共同開發固態電池技術。
固態電池的工藝路線尚不成熟，降本仍需過程，全面產業化預計需要5-10年。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》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%極高充放電效率，電池一次充電後可驅動汽車行駛800公裡。但生產環境要求苛刻，銀碳層大規模生產所需的貴金屬納米銀成本較高；短期產業化並不現實；目前，各家對固態電池的而研究仍在過程中，簡單將液態電解質替換為固態電解質並不能大幅提升電池能量密度，只有匹配高能電極材料才能實現能量密度的跨越。我們認為降本需要：（1）更低的物料價格；（2）穩定完善的供應體系（高質量鋰箔供應）；（3）工藝改進（bipolar stack工藝）。
投資建議：我們認為，向全固態鋰電池過渡是鋰電技術進步的重要趨勢；目前，全球都在加快固態電池的研發，雖然距離產業化尚需時間，但如電解質或負極材料選擇與改性、電池工藝革新都應是一步一步探索的過程；我們建議持續關注企業與科研單位的創新技術成果的發布、並持續關注龍頭公司的鋰電產品的研發進展。
風險分析：政策變化影響行業發展的風險；技術路線變更的風險；市場競爭加劇的風險；原材料價格大幅波動的風險。
研究背景
1991年索尼公司推出商業化液態鋰離子電池，隨後液態鋰離子電池進入快速發展階段。由於對更高能量密度和更高安全性電池的追求，各國加緊固態電池的研發，以期搶佔技術的制高點。
雖然實現全固態鋰離子電池產業化尚需時間，但過程中的技術創新仍將會給鋰電產業持續注入新動力，我們通過本篇報告全面梳理固態電池的技術、研發進展情況，希望可以給投資者建立相對完整的分析問題的框架。
我們的創新之處
（1）全面分析了固態電池的性能優勢及未來實現產業化待突破的技術困難；
（2）全面梳理中國、歐美、日韓對固態電池的支持政策以及研發進展；
（3）構建了液態鋰離子電池LIB（石墨負極）、LIB（矽碳負極），固態電池基於石墨負極的硫化物ASSB（簡稱SLIB）、基於鋰負極的硫化物ASSB（簡稱SLMB）的成本分析，並分析了未來降本路線。
投資觀點
目前全球都加快固態電池的研究，但實現產業化尚需時間，我們認為，在向全固態電池過渡的的過程中，應持續關注科研創新技術的發布及龍頭公司的研發進展，以及可率先在對成本不十分敏感的消費鋰電領域的應用。
技術革新無休止，攻堅固態電池是關鍵
1.1、固態電池有望成為下一代高性能鋰離子電池
鋰離子在正負電極間可逆嵌入是鋰離子電池的電化學基礎，其發展實際上是基於上世紀70年後一系列的創新理念和關鍵發現。
對於固態電解質鋰離子電池的理論研究可以追溯到1972年在Belgirate（義大利）召開的北約「固體中的快速離子輸運」會議上，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，Armand將Li||TiS2應用於以固態β-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導。
在科研過程中，實際上對於正負材料、電解質的材料選擇都是在探索中不斷推進的。1978年，「搖椅電池」模型清楚地闡述了鋰離子電池基本化學原理，為後續研究打下堅實的基礎。
1978年，Armand提出開創性的固態聚合物固態電池的概念；同時他的研究重心轉移至對石墨作為嵌入負極適用性的研究；在1979-1980年，Goodenough等發現了層狀氧化物-鈷酸鋰（LiCoO2），GoOrdulet等發現另一種錳酸鋰（LiMn2O4）正極材料。1983年，Yoshino等提出了以軟碳為負極、碳酸鹽溶液為電解液、LiCoO2為正極的電池，這是當今鋰離子電池的基本組成部分。
1991年索尼公司推出商業化液態鋰離子電池，隨後液態鋰離子電池進入快速發展階段。由於對更高能量密度和更高安全性電池的追求，固態電池重新引起了人們的關注。20世紀90年代，Armand先後提出Li+遷移原理、鋰負極保護等理論，固態電池不斷得到改進，2011年Bollore集團首次使用裝載固態電池的電動汽車，證明了固態電池應用的可行性。
動力電池市場是鋰電的重要應用領域，對長續航動力電池的追求不斷推動鋰電市場發展。在全球範圍內，汽車電動化的趨勢已不可避免，而新能源車近幾年在我國快速發展，也將逐步成為我國未來重要的支柱產業，為鋰電池的發展提供了重要的基礎。此外，對長續航、高安全性動力電池的追求將推動研發的持續投入和技術的不斷革新。
依靠現有動力電池體系，2025年後電池能量密度難以達到國家要求。目前，我國動力電池採用的正極材料已由磷酸鐵鋰轉向三元體系，逐漸向高鎳三元發展，負極材料當前產業化仍集中於石墨、矽基等材料領域。據一些電池供應商推測，未來五年鋰離子動力電池的單體能量密度有望提高至300Wh/kg以上，但依靠已有的三元體系難以實現電池單體能量密度高於350Wh/kg的目標。
固態電池或將被上升至國家戰略層面，核心技術研發進程將加速。2019年12月，工信部發布《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035年）》（徵求意見稿），在「實施電池技術突破行動」中，加快固態動力電池技術研發及產業化被列為「新能源汽車核心技術攻關工程」。
鋰電池理論能量密度主要取決於正負極材料克容量和工作電壓（電勢差）。
（1）正負極之間電勢差越大，工作電壓越高，電池能量密度越高。目前基於液態鋰離子電池的材料和使用安全性的需要，實際使用的正負極之間的電勢差不能超過4.2V。
（2）電極材料克容量越大，電池能量密度越高。正極材料克容量提升有限，傳統的石墨負極材料也遠遠無法滿足新一代高能量密度電池的設計需求，矽材料雖然比容量高，但是嵌鋰過程中體積膨脹大，導致循環壽命較差；因此負極材料改進的空間較大，金屬鋰負極克容量約為石墨的10倍，理論能量密度可大幅提升。
（3）提升能量密度時，同時要考慮安全性。磷酸鐵鋰電池安全性好、成本低，但能量密度不高，耐低溫性能差，目前比亞迪採用刀片電池改進；三元電池能量密度高，耐低溫，但存在安全性差，成本高的缺點。由於對能量和續航的更高要求，在小型乘用車領域，目前三元電池已佔據過半市場份額，但三元電池帶來的安全隱患不容忽視。
液態鋰離子電池存在安全隱患，矛頭指向液態電解質。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。
與液態鋰離子電池不同，固態電池中的固態電解質替代了液態鋰離子電池的液態電解質、隔膜。固態電池潛力巨大，有希望獲得安全性更高、單體能量密度更高（＞350 Wh/kg）和壽命更長（＞5000次）的動力電池。
（1）安全性高，降低電池自燃、爆炸風險。固態電池將液態電解質替換為固態電解質，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。
（2）能量密度高，有望解決新能源汽車裡程焦慮問題。固態電池電化學窗口可達5V以上，高於液態鋰離子電池（4.2V），允許匹配高能正極，提升理論能量密度。固態電池無需電解液和隔膜，縮減電池包重量和體積，提高續航能力。電池負極可以採用金屬鋰，正極材料選擇面更寬。
（3）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。
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。
1.2、電解質和界面雙管齊下，構建高性能固態電池
（1）構建高性能固態電解質，固態電解質和液態電解質的核心要求一致：
1）電導率高，一般商業化電解質電導率範圍在3×10-3~2×10-2 S/cm；
2）化學穩定性好，不與電池內部材料發生反應；
3）電化學窗口寬，在穩定的前提下電化學窗口越寬越好，以適配高能電極；
4）高鋰離子遷移數，離子遷移數達到1是最理想的狀態。
氧化物固態電解質各方面性能較為均衡，其他類型固態電解質普遍存在性能短板，尚不能達到大規模應用的要求。固態電解質是固態電池的核心部件，在很大程度上決定了固態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。固態電池距離高性能鋰離子電池系統仍有差距，聚合物、氧化物、硫化物三類固態電解質的性能參數各有優劣。
聚合物固態電解質率先實現應用，但存在高成本和低電導率兩個致命問題。目前主流的聚合物固態電解質是聚環氧乙烷（PEO）電解質及其衍生材料。2011年法國Bollore公司推出固態電池為動力系統的電動車，聚合物固態電池率先實現商業化。聚合物電解質在室溫下導電率低，能量上限不高，升溫後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。
氧化物固態電解質綜合性能好，LiPON薄膜型全固態電池已小批量生產，非薄膜型已嘗試打開消費電子市場。LLZO型富鋰電解質室溫離子導電率為10-4 S/cm、電化學窗口寬、鋰負極兼容性好，被認為是最有吸引力的固態電解質材料之一，制約其發展的重要因素是電解質和電極之間界面阻抗較大，界面反應造成電池容量衰減。
硫化物固態電解質電導率最高，研究難度最高，開發潛力最大，如何保持高穩定性是一大難題。LGPS電解質的離子電導率高達1.2x10-2 S/cm，可與液態電解質相媲美。雖然硫化物電解質與鋰電極的界面穩定性較差，但由於離子電導率極高、電化學穩定窗口較寬（5V以上），受到了眾多企業的青睞，尤其是日韓企業投入了大量資金進行研究。
我們認為，目前氧化物體系進展最快，硫化物體系緊隨其後，高能聚合物體系仍處於實驗室研究階段，硫化物和聚合物體系都已取得長足進展。
1）近年多家中國企業建立氧化物固態電池生產線。2018年11月蘇州清陶固態鋰電池生產線在江蘇崑山建成投產，單體能量密度達400Wh/kg以上，擬於2020年進入動力電池應用領域。江蘇衛藍新能源電池有限公司也計劃於近期嘗試進一步探索。2019年4月輝能科技宣布與南都電源合作，計劃建立國內首條1GWh規模的固態電池生產線，2019年底，輝能科技宣布將於2020年建成固體電池生產線，2020年4月輝能科技完成D輪融資，本輪融資將用於加速固態電池商業化落地和工廠建設。
2） 2020年日本豐田計劃推出搭載硫化物固態電池的新能源汽車，並於2022年實現量產。十幾年前豐田已開展固態電池研發工作，不僅獲得了固態電解質材料、固態電池的製造技術等方面的專利，還研發了一整套的正極材料和硫化物固態電解質材料回收的技術路線和回收工序。
3）美國Sakti3宣布研發出超高能量密度聚合物固態電池。2019年12月，Sakti3號稱開發出了能量密度超1000 Wh/kg的固態電池，但該電池至今還未在實驗室之外進行過測試，絕大多數技術細節並未公開。
（2）提高界面相容性和穩定性
構建良好的界面接觸是提高固態電池電化學性能的有效策略。固相界面間無潤溼性，難以充分接觸，形成更高的接觸電阻，在循環過程中發生元素互擴散及形成空間電荷層等現象，影響電池性能。晶態電解質中存在大量晶界，高晶界電阻不利於鋰離子在正負極間的傳輸。
固態電解質晶界
晶界電阻決定材料的總離子電導率。提高緻密度、降低晶界數量是降低電解質內阻、提高電導率的有效途徑。複合型無機固態電解質的絕緣部分可以通過影響空間電荷區的載流子濃度進而影響材料的電導率。非晶型無極固態電解質結構中無晶界存在，但製備工藝會影響離子電導率。
電極/固態電解質界面
1） 電極/無機固態電解質界面
有效抑制固態電解質中空間電荷層的出現、元素互擴散及電極在充放電過程中的體積變化是降低界面電阻、提高固態鋰電池高倍率放電性能的核心。常見的界面問題包括空間電荷層、界面反應和界面接觸，正極/無機固態電解質界面對電池容量和高倍率性能有重大影響，界面穩定性是影響固態鋰電池電化學性能的關鍵因素之一。
有效阻止金屬鋰與電解質間發生化學反應是解決固態電池負極穩定性差的關鍵。金屬鋰具有低的氧化還原電位（-3.04V，vs.標準氫電極）和極高的理論比容量（3860mAh/g），是下一代高能鋰電池負極材料的最佳選擇，但金屬鋰過於活潑，易與電解質發生化學反應後造成電池失效。
界面接觸差、鋰枝晶也是困擾鋰負極應用的難題。固態電解質只能在一定程度上抑制鋰枝晶的生長並防止其穿透造成電池短路，對界面進行改性或製備一層固態電解質界面膜（SEI）能有效削弱鋰枝晶的影響。引入緩衝層填補界面間的空隙，可以改善界面接觸，同時避免界面反應的發生。
2）電極/有機固態電解質界面
提高有機固態電解質化學穩定性是改善固態電池循環性能的可行方法。傳統有機固態電解質材料（如PEO、PPC等）高壓條件下在界面易氧化分解，使電導率降低、界面阻抗增大，通過電解質改性能改善這一問題。
2.1、政府引導，推動固態電池領域快速發展
各國政府近年來陸續出臺政策措施，扶持新能源汽車行業發展。電動車的發展主要受政策和補貼驅動，各國出臺的電動車鼓勵措施涵蓋了生產、購置、使用、基礎設施、產業化支持等多個環節。
為實現節能減排目標，國家乘用車碳排放政策不斷收緊，促使車企電動化轉型。歐盟提出最嚴苛要求，2025年後歐盟新登記汽車碳排放量比2021年減少15%，2030年要求比2021年減少37.5%。嚴苛的碳排放標準驅動車企進一步轉型，電動車升級勢在必行。
多個國家明確固態電池發展目標和產業技術規劃，現階段發展之路明晰，2020-2025年著力提升電池能量密度並向固態電池轉變，2030年研發出可商業化使用的全固態電池。美國能源部的部署著重於電池正負極材料的革新、電芯優化和降低成本或者解脫電池對重要材料如鈷的依賴，以及回收利用動力電池材料；德國政府的策略是加大資金扶持；日本為應對多元化的市場需求、保持在世界市場上的競爭力、降低技術發展的不確定性，汽車技術沒有集中在某一領域；中國著力於固態電解質的研發，2020年或將固態電池研發上升至國家戰略層面，加快固態電池發展。
2.2、企業積極布局，固態電池領域陷入「混戰」
中國提前布局，部分企業已進入固態鋰離子電池（半固態電池）中試階段，2025年前可能實現固態電池量產。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。
國內車企聯合電池企業，新興電動車製造商步伐較快，2025年前電動汽車有望搭載固態電池。造車新勢力憑藉自身強大的實力、多維度跨界與全方位創新嶄露頭角，大有領跑之態。天際、蔚來、愛馳都與輝能科技籤訂了戰略合作協議，側面說明輝能科技固態電池技術成熟度相對較高。
日韓企業抱團研發，豐田計劃2022年實現搭載固態電池的電動汽車量產。由於意識到固態電池潛力巨大，日本很早就開始進行研發，目前全球範圍內日本企業的固態電池技術較為領先。韓國技術領先的三大電池企業也選擇聯合研發固態電池。可以看出，日韓無論是電池企業還是車企，在保有獨立研發團隊的基礎上，在固態電池的研發方面大多採用「抱團取暖」方式。
歐洲謀求固態電池領域翻盤，歐美各大車企投資固態電池初創企業。2019年初，歐洲最大的應用科學研究機構德國弗勞恩霍夫矽酸鹽研究所和瑞士聯邦材料測試和研究實驗室合作固態電池戰略性項目「IE48」。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、Solid Energy Systems、Ionic Materials 、Quantum Scape等以獲得技術儲備。考慮到投資風險過大，博世2018年出售SEEO，取消電池生產並剝離相應資產。
固態電池領域進入「軍備競賽」階段，各企業期望搶佔先機以贏得市場份額。固態電池領域市場參與者眾多，車企、電池企業、投資機構、科研機構等在資本、技術、人才三方面進行博弈。隨著越來越多的企業加入，固態電池產業化進程不斷加速，按照目前的發展情況，2021-2025年固態電池將實現初步應用。
（1）中國企業縱向聯合，高校及研究機構科技成果初嘗產業化。
（2）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。
（3）日本電池領域底蘊深厚，企業依靠自身優勢組建研發團隊攻克技術難關，同時車企橫向聯合共同開發電池技術，科研機構、車企、電池和材料企業等多行業抱團共同參與研究。
（4）韓國電池企業選擇縱向聯合，共同開發固態電池技術。
3.1、三星率先實現技術突破，全固態電池量產仍有難點
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。
電池結構如下：
（1）正極：高鎳三元材料LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2 （NMC）
（2）正極塗層：5nm厚的Li2O-ZrO2（LZO）
（3）固態電解質：argyrodite型（Li6PS5Cl）硫化物電解質
（4）負極：5-10μm的超薄銀碳負極
（5）集流器：鋁箔、不鏽鋼（SUS）箔集流器
（6）無隔膜和液態電解質
三星袋式電池製備採用雙電芯（bi-cell）結構。兩片負極在雙面塗布的NMC正極兩側放置，NMC正極、銀碳複合層、固態電解質圍繞鋁集流器對稱放置，鋁塑膜軟包後，電池尺寸6.7x11.2cm2，電芯容量0.6Ah。
這項技術解決了困擾全固態電池性能的問題，即鋰枝晶與充放電效率。
（1）銀碳複合材料和SUS能夠減少鋰離子在負極的不均勻沉積，降低鋰枝晶生成的可能性；
（2）硫化物電解質鋰離子遷移數接近1，是固態電解質中最高的，在電池循環過程中鋰離子不易沉積因而抑制鋰枝晶的生成；
（3）LZO塗層有效降低界面阻抗從而提升電池系統的充放電效率，同時隔絕正極和電解質，避免了副反應，最大限度保證電池的循環次數。
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。
3.2、固態電池的工藝路線尚不成熟，產業化仍需時間
各類型固態電池的電芯封裝技術大同小異，差別主要體現在電極和電解質的製備工藝。全固態鋰電池根據電池形態可以分成薄膜型和大容量型兩大類。
大容量全固態電池適合規模化生產的技術路線仍在研究中，塗布法最為常見，預計2025年固態電池可規模化生產，2030年全固態電池實現商業化應用。
（1）製備氧化物電解質時，塗布後需燒結以提高緻密度，但高溫燒結消耗大量能源並需補充大量鋰鹽以補償鋰損失，成本高昂。目前多採用摻雜方法降低燒結溫度；
（2）硫化物電解質製備不需燒結步驟，適合採用塗布法生產。但電池界面接觸差，通過塗布+多次熱壓、添加緩衝層可適當改善界面性能；
（3）聚合物固態電池可採用卷對卷生產方式，技術相對成熟，成本低廉，法國Bolloré公司已在2011年實現小規模量產；
（4）鋰箔（鋰負極）要求厚度在50μm以下，壓延次數越多，厚度越小，難度越大，成本越高；
（5）固態電池電芯裝配無需注液步驟，簡化了生產過程。
薄膜型全固態電池製備成本高、工藝難度大，但性能較好，已在微型電子、消費電子領域實現較初級、小範圍應用。薄膜化的電池片倍率性能和循環性能優異，但薄膜結構使其容量上限較低（達不到mAh級別），只能用於微型電子、消費電子領域。薄膜型固態電池多採用真空鍍膜法生產，工藝要求苛刻、生產成本高昂，難以大規模製備，而微型電子、消費電子對價格要求不敏感，Cymbet Corporation、Infinite Power Solution、ULVAC等國外企業已率先實現了薄膜型全固態鋰電池在無線傳感器、射頻識別標籤等低容量需求電子設備上的應用。
固態電池的生產可組合傳統鋰離子電池產業鏈。與傳統鋰離子電池相比，固態電池電芯製備不存在革命性創新，只是電極和電解質製造環境要求更高，需要在惰性氣體保護下或在乾燥間內進行，這與製造超級電容器、鋰離子電容器等空氣敏感儲能器件的生產環境相似。
固態電池產業化的實現取決於電池技術和工藝的突破。一旦電池體系、電極與電解質相匹配的工藝確定，可以較快實現產業化。
3.3、固態電池的成本拆分以及未來的降本路徑
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。為定量研究固態電池成本，參考Joscha Schnell的文獻，依據研究成果、專家訪談和供應商報價，結合電池性能和成本，設定具體的參數，建立自下而上的計算模型。
測算只考慮電芯組裝的成本，不涉及電池包pack環節。電芯成本包括材料成本和加工成本（人工、折舊、利息、能源、維護和工廠面積成本等）。
依據鋰電池技術發展路線進行四類電池對比。
兩種液態鋰離子電池：LIB（石墨負極）、LIB（矽碳負極）。
兩種固態電池：基於石墨負極的硫化物ASSB（簡稱SLIB）、基於鋰負極的硫化物ASSB（簡稱SLMB）。
電池設計
（1）材料層面
常見的電池體系包括NCA、NCM(811/622/523/333)、LFP等，四類電池均採用NCM811體系。正極材料的參數和假設：
1）正極比容量5.64mAhcm2；
2）活性材料/粘結劑/導電劑質量比例94：3：3，剩餘30%為液態或固態電解質，液態鋰離子電池LIB的孔隙率30%。
負極材料的參數和假設：
1） 負極容量和正極容量比值N/P為1.1，對於液態鋰離子電池LIB和固態電池SLIB來說從正極脫嵌的鋰可以完全儲存於負極，由於循環中不可逆損失，對於固態電池SLMB來說儲鋰容量有50%剩餘；
2）液態鋰離子電池LIB石墨負極/粘結劑質量比例19：1，孔隙率30%；液態鋰離子電池LIB矽碳負極/粘結劑容積比例19：1，孔隙率50%。
隔膜/集電器/電解質的參數和假設：
1）負極為15μm鋁集電器，負極為10μm銅集電器，隔膜厚度20μm；
2） LIB採用LiPF6+EC+DMC液態電解質，SLIB和SLMB採用LPS固態電解質。
（2）電芯設計
電池外型為方形鋁殼電池，電芯採用平行堆疊方式。電芯能量密度和比能量按照插電式混合動力汽車（PHEV）計算，容積利用率85%。
物料成本
電芯主要由正極材料、負極材料、隔膜、電解質、集電器、殼體等組成。
生產成本
（1）工廠設計
為研究生產成本，假設工廠年產能6GWh，由於各類電池能量不同，電芯年產量也有所差異，液態鋰離子電池LIB（石墨負極）、液態鋰離子電池LIB（矽碳負極）、固態電池SLIB和固態電池SLMB分別為3170萬隻、2490萬隻、3170萬隻、1970萬隻。
（2）廠房、能源及人員
各組件化學性質存在差異， 應特別注意處理不同組件的環境條件，下表總結了乾燥室和惰性氣體外殼（手套箱）的建模參數。考慮到內部物流和中間存儲的額外空間等，乾燥室面積假定為機器基礎面積的4.4倍，手套箱的體積按照機器的基礎面積乘以平均機櫃高度1.50m計算。
（3）生產工序
對於帶有液態電解質的LIB，可以在正常環境中進行石墨和矽碳負極的生產，而NMC 811陰極對溼度敏感，正極生產和電池組裝需要在乾燥室內進行。鋰負極的製造需要乾燥的氣氛以避免鋰降解或自燃。由於涉及形成有毒的H2S的風險，涉及硫化物電解質的所有工藝步驟都將需要使用惰性氣體外殼（手套箱）。
成本匯總
將物料成本和生產成本匯總即為電池生產的總成本。
（1）簡單將液態電解質替換為固態電解質並不能大幅提升電池能量密度，只有匹配高能電極材料才能實現能量密度的跨越。
（2）固態電池SLIB（石墨負極）總成本最高，達158.8＄/kWh。這是由於固態電池材料成本高昂，比LIB（石墨負極液態鋰離子電池）高約34%，同時加工工藝複雜共同造成的。
（3）固態電池SLMB（鋰負極）理論總成本最低，僅需102＄/kWh。雖然正極材料成本較高，但鋰負極材料成本低廉，同時簡化的電芯裝配過程降低了加工成本，因此電池總成本低於液態鋰離子電池，但依然存在技術問題。
（4）我們認為，雖然固態電池SLMB（鋰負極）理論總成本最低，但仍存在技術難題，阻礙產業化進程。首先，採用鋰負極的固態電池如何保持界面的良好接觸、循環過程中保持穩定的問題還未解決。其次，商業化使用的鋰負極厚度應在50μm以下，需多次壓延才能達到這一要求，但鋰化學性質活潑，壓延次數越多對技術的要求也越高，要想穩定供應符合要求的鋰箔並不容易。
拆分電池組件和生產階段， 固態電池總成本受材料成本影響最大。
（1）固態電池SLIB的正、負極漿料混有部分電解質，材料成本是四種電池中最高的。固態電池SLIB的正極生產要求惰性氛圍，加工成本（4.6＄/kWh）略高於LIB（4.1-4.3＄/kWh）；
（2）固態電池SLMB正極漿料混有部分電解質，材料成本僅次於SLIB；鋰負極材料成本低於矽碳負極；電芯產量低，設備需求少，加工成本不高（3.8＄/kWh）；
（3）液態鋰離子電池LIB電池的隔膜製造成本在9.6-10.3＄/kWh，固態電池SLIB和SLMB隔膜成本略高於LIB，分別在14.1＄/kWh和13.6＄/kWh；
（4）固態電池不需電解質填充步驟，液態鋰離子電池SLIB和固態電池SLMB電芯組裝成本明顯低於LIB。
降本路徑
根據建立的成本模型，固態電池成本下降主要依賴：
（1）更低的物料價格；
（2）穩定完善的供應體系（高質量鋰箔供應）；
（3）工藝改進（bipolar stack工藝）。
目前市場還沒有固態電解質產品，如果技術問題得到解決，硫化物固態電解質降本至約50＄/kg後價格將優於鋰離子電池。採用雙極堆疊法封裝電池，當生產成本從100＄/kg降至10＄/kg，硫化物固態電池SLMB製造成本從132＄/kg到86＄/kg，降低35%，與LIB相比價格具有競爭力。
即使材料成本降低，氧化物固態電池仍不具價格競爭力，但氧化物固態電池在保證高能量密度的同時安全性優於硫化物固態電池，可以犧牲一部分成本。氧化物固態電池SLMB製造成本從267＄/kg到123＄/kg，成本降幅超過50%，但即使材料成本降低10倍，氧化物固態電池SLMB成本仍不及液態鋰離子電池LIB，其優勢在於保證高能量密度的同時，安全性優於硫化物固態電池SLMB。
鋰箔（鋰負極）要求厚度在50μm以下，壓延次數越多，厚度越小，生產難度越大，成本越高，提高加工水平、保證高質量鋰箔穩定供應是降本良方。鋰價格波動較大，原料鑄錠價格在50-130＄/kg，添加加工助劑和多步輥壓可以得到厚度小於20μm的鋰箔，預估成本250-1000＄/kg。假定材料成本130＄/kg，擠壓成本11.1＄/kg，每壓延一次成本增加16.9＄/kg，相當於總成本僅增加0.5%，但直接購買鋰箔將使成本增加3.3-30%。
電芯stack工藝改進，雙極堆疊法生產的硫化物固態電池，成本比平行堆疊法高4.1%，而體積能量密度提升了17.6%，雙極堆疊法性價比更高。雙極堆疊法能節省電池空間，同一電池內填放電芯數更多，基本的固態電池SLMB電池包含141個串聯的電芯，平均放電電壓536V，雙極堆疊法製造電池的成本比平行堆疊法高4.1%，而體積能量密度提升了17.6%。
雙極堆疊法生產氧化物固態電池價格高昂，降低電解質成本、改進燒結工藝是解決之道。氧化物固態電池成本高昂是由於各成分體積分數一定的情況下，氧化物電解質密度大，正極和隔膜中質量佔比大，材料成本高，同時氧化物電解質需高溫燒結，加工成本較高，導致總成本明顯高於硫化物固態電池。
平行堆疊（parallel stack）：常見於液態鋰離子電池。電池總容量的增加依靠所有正極和負極集電器箔片的堆疊。具體結構為每個負極集電器（通常為銅箔）三明治式夾在兩片負極中間，正極集電器（通常為鋁箔）三明治式夾在兩片正極（雙面塗層）中間。
雙極堆疊（bipolar stack）：常見於固態電池。一個電芯的正極和相鄰電芯的負極共享相同的雙極集電器，電池堆內部串聯連接，層數越多電壓越高，電流從最外層流入，集電器和接線片焊接所需空間縮小，電池空間利用率更高。
我們認為，向全固態鋰電池過渡是鋰電技術進步的重要趨勢；目前，全球都在加快固態電池的研發，雖然距離產業化尚需時間，但如電解質或負極材料選擇與改性、電池工藝革新都應是一步一步探索的過程；我們建議持續關注企業與科研單位的創新技術成果的發布、並持續關注龍頭公司的鋰電產品的研發進展。
（1）政策變化影響行業發展的風險：新能源汽車行業的發展仍屬於早期階段，政策會對行業產生較大影響，若監管部門發布相關政策，可能會衝擊行業發展。
（2）技術路線變更的風險：技術進步是新能源汽車行業發展的驅動力之一，新產品的產業化可能會對上一代產品產生衝擊，進而替代原有的技術路線。
（3）市場競爭加劇的風險：新能源汽車行業擁有很大發展空間，有大量企業參與競爭，行業產能可能在短期內超過需求，從而出現產能過剩的風險。
（4）原材料價格大幅波動的風險：鈷、鋰是動力電池的重要原材料，如果價格大幅波動，會影響電池材料的價格，進而導致動力電池成本發生預期之外的變動。
(編輯：宇碩)
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