揭秘未来世界的发动机固态电池

　　近日，中国科协主席万钢表示，＂新能源汽车相关企业和科研机构应前瞻布局全固态电池等新体系电池的研发＂，再次引发了业内对于固态电池的关注。
　　值得注意的是，今年2、3月，专注于国家战略新兴产业的私募股权投资机构——允泰资本前瞻性地完成了对固态电池领域代表企业卫蓝新能源的重磅投资，实现了新的一年里在新能源领域的首次布局。
　　固态电池是什么？它与液态电池有何区别？为何要发展固态电池？固态电池行业的发展现状如何？谁将是未来真正的＂动力电池之王＂呢？本期，允泰研究所将带您一起深入洞察固态电池的方方面面。固态电池是什么？
　　固态电池是指采用固态电解质的锂电池。
　　依据电解质分类，锂电池可分为液态、半固态、准固态和全固态四大类，其中半固态、准固态和全固态三种统称为固态电池。
　　固态电池的发展路线
　　根据电解质材料的不同，固态电池可以分为聚合物、氧化物、硫化物三种。
　　其中，欧洲侧重于聚合物固态电解质的研发，美国侧重于聚合物和氧化物固态电解质的研发，日本侧重于硫化物固态电解质的研发。
　　聚合物和氧化物固态电解质更易实现技术突破，硫化物固态电解质的技术难度最大、研发时间长。
　　各类型电解质的对比
　　锂电池具有能量密度高、使用寿命长的特点，主要应用在三大领域：以新能源电动车为代表的动力电池领域、储能电池领域以及消费电池（3C）领域。
　　2016-2019年全球锂电池出货量结构变化/GWh
　　（资料来源：GGII、CNESA）
　　其中，在手机、笔记本电脑等中小型3C领域应用广泛。但随着经济的发展和更多场景的应用，传统液态锂电池中的不足逐渐暴露，比如在新能源电动车、储能等大型电池领域的应用中存在着安全隐患，能量密度也逐渐接近极限。  固态电池与液态电池有何区别？
　　固态锂电池和传统液态锂电池在正极方面几乎一致，不同处在于中上游的负极材料和电解质，其中，电解质的不同是二者的最大区别。
　　传统液态锂电池采用的是有机电解液，有隔膜，易挥发、易燃烧、热稳定性差，易引发安全问题；同时，电池的能量密度已经接近了320Wh/kg-350Wh/kg的理论极限，而实际能实现的能量密度更是只能达到230Wh/kg。
　　中国工程院院士、卫蓝新能源创始人及技术带头人陈立泉曾表示：
　　目前的液态锂离子电池，其能量密度达到300Wh/kg或再高一点就已经到达极限。
　　而固态锂电池以不易燃的固态电解质替代了传统液态锂电池中易燃的液态电解液、电解质盐、隔膜，受热稳定、形变小，所以具有耐高温、不可燃、不腐蚀、不挥发、不漏液、稳定性强等优势。
　　能量密度上，随着正极材料的升级，固态电解质能够做出较好的适配，能良好提升电池系统的能量密度，所以固态锂电池的能量密度很容易达到300-400Wh/kg以上，理论上的能量密度能达到700Wh/kg。
　　动力电池的能量密度规划
　　同时，固态锂电池可以通过化学成分，减少40%的体积和25%的重量，在同样的电量下体积更小，封存更加容易，应用于汽车等大型设备时能有效减轻重量。
　　此外，在拓宽工作温度区间、延长使用寿命等方面，相较于液态锂电池，固态锂电池也有着更大的发展空间。
　　锂电池的技术发展路线
　　随着锂电池技术的进步，液态电解质的含量逐步下降，电池负极逐步替换成金属锂片，电池的能量密度不断提升，全固态电池将是最终形态。  ＂降碳＂大背景下，发展固态电池势在必行
　　近年来，气候变化已经成为了全球生态危机之首。
　　2015年，《巴黎协定》达成，提出了在本世纪下半叶实现全球温室气体的净零排放。
　　我国也将＂碳达峰、碳中和＂写进了政府工作报告，承诺力争于2030年前达到二氧化碳排放的峰值，争取2060年前实现碳中和。
　　锂电等新能源将替代煤炭、石油等传统能源
　　坚持绿色低碳转型、大力发展新能源技术是实现＂碳达峰、碳中和＂的必经之路。
　　而作为新能源技术的三大应用场景之一，以动力电池为代表的新能源电动车则是实现能源结构转型的必经之选。
　　动力电池是新能源电动车的核心零部件，在电动车成本中占比最高，约为30%。
　　数据显示，同样情况下，新能源电动车的二氧化碳排放量仅为燃油车的44%。
　　同时，新能源电动车改变了汽车对化石燃料的依赖，能有效缓解石油危机，对于我国这样人均油气资源相对较少的国家来说无疑是重大利好。
　　发展新能源电动车能有效缓解石油危机
　　在＂降碳＂大背景下，各国相继出台了一系列措施来推动新能源对传统能源结构的取代。我国也从锂电池、新能源汽车及乘用车燃耗量等不同角度，出台了一系列措施，来大力推动新能源特别是固态电池行业的发展。
　　我国各省、各车型传统燃油汽车退出时间表
　　（资料来源：中信证券研究部）
　　我国新能源汽车动力电池相关政策
　　近日，工信部装备工业一司副司长郭守刚还表示，未来工信部将会同各相关部门就中国新能源汽车和智能网联汽车发展的有关问题，着力提出解决方案，完善管理政策，助推汽车产业升级与发展。
　　中国科协主席万钢更是表示， 新能源汽车相关企业和科研机构应进一步提升锂离子动力电池的能量密度、寿命、安全性和环境适应性，前瞻布局全固态电池等新体系电池的研发；突破大功率长寿命燃料电池电堆及发动机关键瓶颈问题；开展碳化硅功率器件、新型永磁材料等关键技术开发，建立下一代驱动电机技术体系。
　　以动力电池为代表的，固态电池行业市场空间广阔
　　在一系列政策东风的吹拂下，新能源汽车的销量不断增长，动力电池的市场规模也不断扩大。
　　2012年，全球新能源汽车的销量为11.6万辆，2020年为319万辆，预计2022年将达到600万辆；全球新能源汽车动力电池的规模也随之从2012年的2.7GWh增至2020年的136.3GWh，年复合增长率高达63.26%。
　　全球新能源汽车销量快速增长/万辆
　　（资料来源：GGII）
　　其中，中国是全球最大的新能源汽车市场。2020年，中国新能源汽车的销量高达136.7万辆，占全球总销量的42.9%左右，排名第一。
　　中国新能源汽车的销量约为2-7名的总和
　　（资料来源：GGII）
　　根据国务院印发的《新能源汽车产业发展规划》，预计到2025年，中国新能源汽车的销量将达到汽车新车销量的20%。
　　《节能与新能源汽车技术路线图》（2.0版）中更是详细指出，2030年，中国新能源汽车的销量要占到总销量的40%，2035年，要占到总销量的50%以上。
　　可以想见，未来，在新能源汽车的进一步覆盖下，动力电池行业将迎来爆发式增长。
　　目前，国内动力电池的市场占比最大。
　　2019年，国内动力电池的出货量为71.4GWh，占比66%，预计2025年能达到395GWh，占比78%。
　　储能电池市场增长迅速，目前为7.6GWh，占比7%，预计2025年能达到77GWh，占比15%。
　　3C市场趋于稳定，高端数码占比增大。
　　国内锂电池出货量/GWh
　　（资料来源：GGII、中商产业研究院）
　　即使自去年以来遭遇了新冠肺炎疫情的冲击，国内动力电池的强劲增长态势也丝毫不减。
　　国内动力电池装机量变化
　　（资料来源：GGII）
　　与此同时，据SNE research统计，2020年，全球新能源汽车动力电池的出货量达到193GWh，预计2025年将达到1396GWh。
　　2020年，全球储能电池的装机量达到26.3GWh，预计2025年将达到140.3GWh。
　　（资料来源：SNE、GGII）
　　到2025年，全球动力电池的需求量有望超过1000GWh，进入TWh时代。
　　固态电池领域群雄逐鹿
　　固态电池领域的万亿级大市场即将开启，吸引了多家企业和研究机构竞相角逐。
　　目前，全世界共有几十家企业和研究机构致力于固态电池技术的研究。
　　日本拥有上千件固态电池相关专利，占据行业的半壁江山，领先优势明显；美国、中国拥有的专利数位列第二、第三。
　　在研究特点上，欧美各大车企热衷于投资固态电池初创企业，日韩的车企和电池企业热衷于抱团研发。
　　5月，德国宝马与福特向Solid Power投资1.3亿美元用于固态电池的进一步研发。宝马计划于2022年采购测试用电池，2025年之前开始对配备全固态电池的车辆进行路测，2030年之前上市。
　　大众正在加紧推进全固态电池的实用化，将在今年内确定与Quantum Scape合资设置试生产线的地点。
　　丰田拥有固态电池领域的最多专利，目标是2020年代前半期将全固态电池推向实用化，目前正在讨论2021年内公开试制车。据测算，在与现有电池尺寸相同的情况下，丰田开发的全固态电池可使续航距离延长至2倍以上。
　　本田宣布将在2040年实现在售车型全电动，将会使用固态电池与氢燃料电池。
　　现代汽车与三星SDI、SKI和LG等电池企业达成了合作，计划在2025年试生产配备固态电池的电动车，在2030年实现全面批量生产。
　　国内企业和机构早在十年前就已着手布局固态电池行业，但仅少数几家才是其中的佼佼者，比如比亚迪、宁德时代、卫蓝新能源、中航锂电。
　　其中，清陶能源早在2018年底就已正式投产固态电池，主要应用于特种安全领域。
　　比亚迪、宁德时代在2019年就申请了固态电池相关专利，比亚迪预计最早于今年实现量产。
　　宁德时代在今年年初公开了两种与固态电池相关的专利，研发的全固态电池预计2030年后实现商业化。
　　1月，蔚来发布了首款150kWh固态电池，宣称能量密度达到360Wh/kg。
　　5月，赣锋锂业表示研发的第一代混合固液电解质电池产品已经通过了多项第三方安全测试和多家客户送样测试，能量密度达235-280Wh/kg，第二代产品的能量密度超过350Wh/kg。
　　国轩高科表示研发的半固态电池已经实现了中试，预计到2025年实现规模化商用。
　　上汽集团宣布将于2025年投产固态电池。
　　卫蓝新能源是国内少数几家掌握300Wh/kg电芯制备技术的企业之一，已于2020年实现了半固态电池的量产，5年内可以实现大规模量产；研发的全固态电池需要5-10年实现规模量产。
　　随着更多＂造车新势力＂的登场，以及更多电池企业、科研机构、投资机构的布局，固态电池行业的产业化进程正不断提速，预计到2025年，全固态锂电池将最终实现产业化。
　　综上所述，从自身优势来看，以固态电池为代表的新能源技术必将成为未来世界的＂发动机＂，推动全球经济的发展。
　　据富士经济预测，到2035年，全球全固态电池的市场规模将达到2.1万亿日元（按现有汇率计算，约合12251亿元人民币）。
　　可以想见，在新能源重塑世界经济和地理格局的未来，固态电池行业必将进一步爆发，而早早布局相关赛道的企业和投资机构也将迎来更加光明的前景。