固態(tài)電池屬性解析與成本經(jīng)濟性分析課件

1、摘要固態(tài)鋰電池與傳統(tǒng)鋰電池最大的不同在于電解質(zhì)1傳統(tǒng)鋰電池采用隔膜+電解液中間含有液態(tài)物質(zhì)，而固態(tài)電池則使用固體電解質(zhì)。相比傳統(tǒng)鋰電池，固態(tài) 鋰電池的安全性更好，能量密度更高。目前已經(jīng)在使用或接近商用的固態(tài)電池的電解質(zhì)有：聚合物、硫化物和 氧化物三種，其中氧化物電解質(zhì)性能最優(yōu)氧化物電解質(zhì)的穩(wěn)定性好，循環(huán)壽命長（可達1000次以上），能量密度較高，倍率性能較好，同時成本 較低。主要缺陷是界面接觸問題尚未完美解決。氧化物電解質(zhì)比較適合動力電池，如今國內(nèi)企業(yè)大部分 選擇了金屬氧化物動力電池，其制造工藝和改性水平也在穩(wěn)步提升。固態(tài)電池在安全性和便利性上優(yōu)勢明顯理論上固態(tài)電池量產(chǎn)成本可以與液態(tài)電池相媲美

2、氧化物固態(tài)電池電解質(zhì)物料價格低廉且電芯易組裝，封裝成本低。只要解決氧化物電解質(zhì)大規(guī)模量產(chǎn)的技術(shù)問題，固態(tài)電池的量產(chǎn)成本或可以與液態(tài)電池相媲美。風險提示：固態(tài)鋰電池作為鋰離子電池的新技術(shù)，商業(yè)化應用時間尚不明確，存在長期無法大規(guī)模應用的風險。目錄什么是固態(tài)電池一便利性里程焦慮，我們到底在焦慮什么？二三安全性是增加安全性還是本身安全四經(jīng)濟性如何翻過成本這座山五2固態(tài)電池相關(guān)企業(yè)1.什么是固態(tài)電池3圖1：傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池結(jié)構(gòu)圖2：固態(tài)電池電池結(jié)構(gòu)4相較于傳統(tǒng)鋰離子電池，固態(tài)鋰電池安全性高，無自燃、爆炸風險； 氧化物和硫化物電解質(zhì)的固態(tài)電池能量密度高于采用相同正負極材料 的傳統(tǒng)鋰電池。固態(tài)電池：結(jié)構(gòu)

3、改性帶來性能升級固態(tài)電解質(zhì)：氧化物或成最優(yōu)解目前已經(jīng)在使用或者接近商用的固態(tài)鋰電池的電解質(zhì)有三種：聚合物、 硫化物和氧化物。表1:不同電解質(zhì)類型對比5類型優(yōu)點缺點GARNET空氣穩(wěn)定性好；室溫離子導電率高與金屬鋰電極浸潤性差LISICON較高的室溫離子導電率對水及二氧化碳敏感；對金 屬鋰的穩(wěn)定性也較差NASICON較高的室溫離子導電率，對 水、空氣具有優(yōu)異的穩(wěn)定性需要類似聚合物/陶瓷/聚合 物的復雜三層電解質(zhì)結(jié)構(gòu)才 能最大化其性能，不利于工 業(yè)化表2：不同氧化物型電解質(zhì)對比類型聚合物氧化物硫化物電解質(zhì)材料聚環(huán)氧乙烷LiPON、NASICON等LiGPS、LiSnPS、LiSiPS等主要優(yōu)點高溫

4、工作性能很好循環(huán)性能良好工作性能參數(shù)表現(xiàn)優(yōu)異主要缺點室溫離子電導率很低，電化學窗口窄，易被電解材料總體電導率較低；界面問題界面問題；穩(wěn)定性和機械強度較弱成本高低較低安全性：新能源汽車放量的必 要條件便利性：新車型基本滿足了便 利性條件6經(jīng)濟性：新技術(shù)的應用不能阻 礙購買平價安全、便利、 經(jīng)濟新能源汽車作為具有公共屬性的代步工具，放量需要具備三個條件：安全性是滿足公共屬性代步工具最基礎(chǔ)的要求，也是新能源汽車放量的必要條件。 便利性是與傳統(tǒng)汽車相比，滿足出行需求的基本能力。經(jīng)濟性是新能源汽車進入大眾消費領(lǐng)域的充分條件。固態(tài)電池不但是安全性問題的解決方案，也能通過提升續(xù)航帶來便利性的提升，如 果在經(jīng)

5、濟性上可以與傳統(tǒng)電池評價，固態(tài)電池的時代可能加速來臨。72固態(tài)電池：是增加安全性還是本身安全？新能源汽車大國：保有量已超417萬輛429115326138141708100200300400500圖3：中國新能源汽車保有量情況600201520162017201820192020Q2新能源汽車保有量（萬輛）新能源汽車保有量超過400萬輛。截至2020年6月，我國新能源汽車保有量417 萬輛；2019年我國新能源汽車產(chǎn)量381萬輛，保有量增加36萬輛。2019年我國 新能源汽車保有量增加120萬輛。保有量超千萬已經(jīng)不遠。9時間地點電池類型事故起因2019.02.12深圳不明行駛中自燃2019.0

6、3.08上海三元18650充電自燃起火后蔓延2019.03.27廣州三元18650無故自燃后蔓延且復燃2019.04.07杭州三元電池充電時自燃并蔓延2019.04.21上海三元18650停放時猛烈自燃并蔓延2019.04.22西安三元方殼地盤被撞擊致電池短路2019.04.23杭州三元方殼原因不明2019.04.24湖北磷酸鐵鋰后備箱起火，電池完好無損2019.07.11金華不明等待紅綠燈時起火2019.07.12江西不明停車時自燃2019.07.18北京三元電池擱置時發(fā)生自燃2019.07.25西安不明行駛過程中自燃2019.07.25宜春疑似圓柱停車時自燃事故頻發(fā)，動力電池路在何方？根據(jù)

7、清華大學電池安全實驗室發(fā)布的2019年動力電池安全性研究報告，2019年以來電動汽車自燃起火事故仍然頻發(fā)。據(jù)不完全統(tǒng)計，19年1月至7月國內(nèi)外媒體所報道的與動力電池相關(guān)的電動汽車安全事故達到40余起。表3：電動汽車自燃起火事故統(tǒng)計圖4：2019年新能源汽車召回情況：動力電池成為主要隱患之一102019年國家市場監(jiān)督管理總 局要求召回33281輛新能源汽 車。因動力電池問題而召回的新能源汽車數(shù)量有6217輛，占今年新能源汽車總召回量的18.68%。在電池失控的主要觸發(fā)條件 當中，短路占絕大多數(shù)（90%）。短路可以由多種可能的情況 造成，是電池熱失控過程中 普遍的共性特征，短路原因 可大致分為：電

8、池系統(tǒng)浸水 非純水為導電介質(zhì)導致外短 路；電池機械壓穿刺導致隔 膜機械破壞電池正負極搭接 引發(fā)內(nèi)短路；析鋰導致枝晶 生長枝晶刺穿隔膜誘發(fā)內(nèi)短 路也稱自引發(fā)內(nèi)短路。隨著 電池能量密度的提升，短路 問題越發(fā)明顯。事故頻發(fā)，動力電池路在何方？鋰電池快充帶來的安全隱患：熱效應大電流充電，內(nèi)阻 的增大會導致焦耳 發(fā)熱效應加劇帶來 副反應，如電解液的反應分解、產(chǎn)氣 等一系列問題。在快充或低溫條件 下，鋰離子可能會 在表面析出形成枝 晶鋰。當鋰晶體達 到一定量后就會從 負極向隔膜生長，造成電池短路的危險。析晶圖5：電池負極形成枝晶11資料來源：D1EV，天風證券研究所圖6：輝能LCB電池安全性能測試12實驗

9、證實，死折、撞擊、穿刺及剪切 后LCB仍可放電。甚至在更嚴苛的槍 擊測試后，LCB溫度僅上升3C5C，無起火或冒煙且可持續(xù) 使用。此外，LCB防爆等級通過認證， 安全性毋庸置疑。固態(tài)電池無疑是鋰電池安全性的關(guān)鍵 解決方案之一。固態(tài)電池：安全性能卓越安全性的靈魂拷問：降低風險概率還是本質(zhì)安全3.270.40.721.181.934.791022010201120122013201620172018201920142015World BEV13圖7：全球新能源汽車保有量情況（百萬輛）6543關(guān)于電池安全性有兩種可選模式：第一種，雖然電池可能出現(xiàn)安全問題，但是 通過增加安全性設(shè)計，降低出問題的概率，

10、達到安全性標準。第二種，選用不 會起火燃燒的電池。年產(chǎn)百萬輛新能源汽車，迫切需要本質(zhì)安全的電池。汽車在國內(nèi)新能源汽車年 產(chǎn)量達到百萬輛，保有量已經(jīng)突破400萬輛，未來幾年突破千萬輛是大概率事件。 電池出現(xiàn)問題的小概率事件，也可能在大基數(shù)下變得常態(tài)化。車廠對于安全性 的要求會越來越高，選擇不會起火燃燒電池可能成為車廠的一致選擇。142固態(tài)電池：當談?wù)摾锍探箲]的時候，我們 到底在焦慮什么？為何會有里程焦慮？15從鹽湖城到丹佛的距離是525英里（845公里），傳統(tǒng)燃油車續(xù)航275英里（442.5公里）加一次油再行駛250英里（402公里）歷程8小時23分鐘可以到丹佛。如果新能源汽車的續(xù)航里程可以達到

11、300英里（482.8公里），同時支持3C以上快充， 從鹽湖城到丹佛的時間可以控制在8小時31分鐘，便利性和燃油車幾乎一樣。高續(xù)航里程和快充是解決新新能源汽車便利性的最重要方式。圖8：快充和高續(xù)航是滿足便利性需求的最佳途徑固態(tài)電解質(zhì)-突破能量密度天花板300250195400450400350300250200150100500液態(tài)鋰離子電池NCM523/石墨贛鋒量產(chǎn)一代贛鋒研發(fā)一代贛鋒探索一代NCM523/碳負極高鎳三元/含Li負極高鎳三元/金屬鋰15723125027028831433538655063070075881889301000LCO/石 墨NCM811/SiOx(14%)NCM

12、811/SiOx(28%)NCM811/SiOx(46%)（NCM811/SiOx 63%（NCM811/SiOx 80%NCM811/SiOx(100%)20192020）2023E）2024E2025E能量密度(Wh/L)16固態(tài)電解質(zhì)體系因為減少了電解液和隔膜（換成了固態(tài)電解質(zhì)），贛 鋒采用同樣正負極的固態(tài)電池能量 密度高于傳統(tǒng)電池。圖10：輝能固態(tài)能量密度研發(fā)情況圖9：與相同電極材料的液態(tài)電池相比，贛鋒固態(tài)電池能量密度更高(單位：wh/kg)2021E2022E能量密度(Wh/kg)而且固態(tài)電池可以采用能量密度更 高的金屬鋰作為負極，從而進一步 提升電池能量密度。贛鋒預計第三代固態(tài)電池

13、可以將電芯能量密度提升到400WH/KG。表4：不同正極/負極的比容量對比17正極活性物質(zhì)分子式縮寫比容量/mAhg-1平均電壓（vs.Li）VLiCoO2140LCO-1401403.8LiCoO2180LCO-1801804.3LiCoO2220LCO-2202204.4LiMn2O4LMO1304.05LiFeP04LFP1603.4LiCoPO4LCP1304.8LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2NCM3331603.7LiNi0.5Mn0.2Co0.3O2NCM5231803.7LiNi0.8Mn0.1Co0.1O3NCM8112203.7負極活性物質(zhì)分子式縮寫比容量/mA

14、hg-1平均電壓（vs.Li）V石墨/3650.1軟碳-250容量SC-2502500.5軟碳-400容量SC-4004000.5硬碳HC2500.5SiOx-420容量SiOx-4204200.2SiOx-1000容量SiOx-100010000.4Si-C-450容量Si-C-4504500.2Si-C-1000容量Si-C-100010000.4Si-C-2000容量Si-C-200020000.4金屬LiLi38600固態(tài)電池：解放電極表5：輝能固態(tài)電池成組效率領(lǐng)先同業(yè)2019正負極材料Cell ED質(zhì)量能量密度成組效率Pack ED對比公司NCM811+Gr245Wh/kg73%17

15、5Wh/kg輝能NCM811+Gr215Wh/kg82-85%176-183Wh/kg18固態(tài)電池成組效率高固態(tài)電池適合采用CTP刀片電池的布局，成組效率高于傳統(tǒng)鋰電 池，成組階段還能再次提升能量密度。固態(tài)電解質(zhì)同樣支持快充。鋰離子電池充電分三部分，電量最低時的涓流充電（0.1C最慢），電量中等時的恒流充電（可以快充），和電量快滿時的恒壓充電（較慢）。恒流充電階段實現(xiàn)快充相對簡單，固態(tài)電池在恒流充電中做到快充并不 困難。根據(jù)輝能此前提供的數(shù)據(jù)來看，2019年實現(xiàn)已經(jīng)實現(xiàn)了5C倍率12分鐘充電91.70%。93.10%82.10%72.20%65.50%59.20%90.30%84.50%80.

16、00%78.40%92.80%87.80%84.80%82.50%80.40%77.20%92.80%90.10%96.20%98.00%91.70%0.40.200.60.81圖11：輝能固態(tài)電池快充能力逐年上升1.260mins 1C30mins 2C20mins 3C15mins 4C12mins 5CPLG(2017)RatioPLG(2018)RatioPLG 2019 (T-)PLG 2020 (T)19固態(tài)電池-充電能力穩(wěn)步提升截至6月底，全國已累計建設(shè)充電站3.8萬座、換電站449座，建成各類充電 樁132.2萬個，其中公共樁55.8萬個、私人樁76.4萬個。同時，還建成“十縱

17、 十橫兩環(huán)”4.9萬公里高速公路快充網(wǎng)絡(luò)。充沛的充電樁資源也為新能源汽 車實現(xiàn)便利性提供了基礎(chǔ)。我國在充電樁保有量上優(yōu)勢明顯圖12：中國新能源汽車充電樁數(shù)量領(lǐng)先全球20213固態(tài)電池什么時候可以比傳統(tǒng)電池便宜25萬以下為電動汽車主力市場13.8%15.7%23.1%18.8%28.7%40萬以上25-40萬18-25萬12-18萬12萬以下22新能源汽車本質(zhì)仍然是交通工具。 大部分消費者選用新能源汽車并不 能讓上下班的時間縮短。國內(nèi)新能 源補貼帶動新能源汽車銷量也同樣 說明了消費者對新能源汽車的需求 仍然是代步工具。和傳統(tǒng)汽車平價 仍是關(guān)鍵。售價決定總的銷量。2019年國內(nèi)消費者購車價格需求中

18、，25萬以下的車型占比超過70%。新 能源汽車的售價目前降至25萬左右， 市場已經(jīng)逐步打開，但如果希望市 場達到千萬輛級別仍需要同級別的新能源汽車售價降低至18萬元以下。圖13：2019年消費者購車價格需求品類價格（元/噸）氧化鋯平均(ZrO2+HfO2)99.9%,100目:浙江56,000氧化鑭:99.999%:中國平均18,000氫氧化鋰56.5%:國產(chǎn)49,00023成分物料密度/質(zhì)量單位價格單位液態(tài)LiPF6 EC DMC1.3g/cm11.7$/kwh電解質(zhì)固態(tài)LLZO5.1g/cm7.3$/kwh氧化物電解質(zhì)理論成本低廉表7：LLZO成本低于液態(tài)電解質(zhì)成本所以固態(tài)電池的應用不能大

19、幅增加汽車的成本。氧化物電解質(zhì)（鋰鑭鋯氧）本身的原材料價格較低，如果 加工成本低于4.4美元/千瓦時，就可以實現(xiàn)電芯成本低于 傳統(tǒng)電池。表6：LLZO原材料價格布切布切燥布合切焊接接接測切擠壓正極負極正極電解質(zhì)負極24固態(tài)電池加工中沒有注液等工藝， 加工成本比傳統(tǒng)鋰電池低4.6$/Kwh。 即固態(tài)電解質(zhì)的加工成本低于9$/Kwh時，固態(tài)電池的電池成本低于傳統(tǒng)電池。262.24049.1335.83062.45000.04000.03000.02000.01000.00.0液態(tài)鋰電池設(shè)備價值/萬美元氧化物固態(tài)電池 額外投資/萬美元25圖14：6GWh生產(chǎn)線成本對比，氧化物優(yōu)勢明顯所以固態(tài)電池加工

20、中沒有注液等工藝，電 池產(chǎn)線投資也低于傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池，按照10年折舊計算，固態(tài)電池每千瓦時折舊較Cell產(chǎn)能Cell成本Pack成本1GWh160%130%10GWh130%105%20GWh110%98%傳統(tǒng)鋰電池少$0.1。根據(jù)輝能測算，按照目前的技術(shù)在固態(tài)電 池產(chǎn)能超過20Gwh時，固態(tài)電池在PACK時 的成本將低于傳統(tǒng)電池。目前企業(yè)和科學家也在尋找進一步降低成本的技術(shù)和工藝。表8：輝能電池包成本有望繼續(xù)降低264固態(tài)電池：國內(nèi)外各企業(yè)已邁出第一步固態(tài)電池國內(nèi)外代表企業(yè)，國內(nèi)企業(yè)遙遙領(lǐng)先 /石墨復合物27公司名稱BolloreToyota贛鋒鋰業(yè)臺灣輝能清陶能源寧德時代電解質(zhì)類型聚合物硫

21、化物氧化物氧化物氧化物硫化物能量密度115Wh/kg2025年預計達到450Wh/kg240Wh/kg182Wh/kg400Wh/kg理論可達400Wh/kg循環(huán)壽命4000400010001300未披露300充電倍率0.5C4C5C5C未披露未披露正負極材料負極金屬鋰未披露高鎳三元/硅碳負極NCM811未披露未披露圖15：全球固態(tài)電池企業(yè)分布表9：海內(nèi)外固態(tài)電池企業(yè)工藝對比粗略來看，歐洲固態(tài)電池主要是聚合物體系，美國 是固液混合，在亞洲中日 韓主要是氧化物。型號Blue LMP 250Blue LMP 400電量252 kWh392 kWh電壓821 V958 V尺寸1,995 x 2,31

22、0 x 1,026 mm2,220 x 2,870 x 1,026 mm質(zhì)量2080 kg3062 kg工作溫度-20C65C-20C65C電池降溫系統(tǒng)無需冷卻系統(tǒng)無需冷卻系統(tǒng)循環(huán)圈數(shù) 4,000 圈 4,000 圈表10： Bollore最新LMP 四代電池：循環(huán)性能較好，能量密度仍需提升裝載Blue LMP電池的電動汽車Blue Car最高時速可以達到130km/h； 勻速行駛可續(xù)航250km。6米長Bluebus公交車可以實現(xiàn)140-180km最大續(xù)航，12米長Bluebus最大續(xù)航 可達到220-280km。Bollore在法國和加拿大 建設(shè)有兩座共48,000m2工廠，可年產(chǎn)200輛

23、6米長公交車和200輛12米長公交車。28法國Bollore，聚合物固態(tài)電池開發(fā)遇阻表11：Bollore科研開支逐年遞減法國Bollore，聚合物固態(tài)電池開發(fā)遇阻單位：百萬歐元Change 2019/201820192018201720162015Bollore Films0%0.60.60.60.60.5Blue Solutions-20.40%1620.119.733.533.3Capacitor Sciences Inc-27.91%3.14.37.51.3Bluecar-29%19.327.228.677.748.5Bluestorage-76.42%2.510.613.715.52

24、9.2Bluetram/Blueboat-100%00.40.81.77.2Bluebus-47.41%7.113.519.925.624.8IER-8.16%99.810.612.314.3Bollore Telecom0%19.219.219.617.214.9TOTAL-27.34%76.8105.7121185.4172.7200180160140120100806040200201820172016Blue SolutionsBluecarBluestorageBluebusTOTAL292019Toyota & Panasonic，硫化物電池或在2025年面世目前，這款固態(tài)電池正在

25、豐田與松下合資的公司進行研發(fā)，預計2025年量產(chǎn)。在充電速度方面，據(jù)豐田內(nèi)部人士透露，固態(tài)電池原型產(chǎn)品在充電速度上相較于現(xiàn)有鋰電池具有明顯優(yōu)勢，電量從0到100%僅需15分鐘。在電池壽命方面，豐田汽車計劃其生產(chǎn)的固態(tài)電池在使用30年后仍保持90%以上的性能。如果該 技術(shù)能盡快實現(xiàn)，那么循環(huán)性能將超越近期特斯拉、寧德時代、通用等宣傳的百萬公里電池。在能量密度方面，根據(jù)豐田的規(guī)劃，計劃到2025年將固態(tài)電池能量密度提升到現(xiàn)有鋰電池能量密 度的2倍以上，預計可達到450Wh/kg。屆時，搭載固態(tài)電池的電動汽車，續(xù)航里程將大幅提升， 可與目前燃油車相媲美。不過，盡管已推出固態(tài)電池原型產(chǎn)品，但真正市場化

26、應用，豐田認為也要到2025年前后：一方面 是因為技術(shù)還需要不斷完善；另一方面是成本還比較高。30贛鋒鋰業(yè)，氧化物固態(tài)電池科技逐漸成熟300250195400450400350300250200150100500液態(tài)鋰離子電池NCM523/石墨贛鋒量產(chǎn)一代贛鋒研發(fā)一代贛鋒探索一代NCM523/碳負極高鎳三元/含Li負極高鎳三元/金屬鋰圖16：與相同電極材料的液態(tài)電池相比，贛鋒固態(tài)電池能量密度更高圖17：3D固態(tài)鋰電池結(jié)構(gòu)示意圖31根據(jù)贛鋒鋰業(yè)2019年12月11日投資者關(guān)系活動記錄，公司固態(tài)鋰電池的中試線正在 進行單機調(diào)試，目前積極與下游車企對接， 送樣測試。2019年5月，贛鋒鋰業(yè)與德國大眾

27、達成 戰(zhàn)略合作，公司未來十年將向德國大 眾及其供應商供應鋰化工產(chǎn)品；同時， 德國大眾還將與公司在電池回收和固 態(tài)電池等未來議題上進行合作。臺灣輝能，固態(tài)電池技術(shù)領(lǐng)先PLCB產(chǎn)品47255AANA4360ASAAMA36D3L8AAJA尺寸(mm)52x5560 x105133x218額定電壓(V)3.753.753.75最大電壓(V)4.354.354.35額定電容量(mAh）77019508300厚度（mm）4.84.53.7體積能量密度（Wh/L）210.34257.94290.1315723125027028831433538655063070075881889301000LCO/石 墨NCM811/SiOx(14%)NCM811/SiOx(28%)NCM811/SiOx(