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去年研究湖南裕能时,和宁德、比亚迪的一些专家聊过固态电池的情况,也查阅了一些资料。个人对固态电池相对谨慎,因此一直没写过相关内容,结果最近半年固态电池相关企业股价一直涨。本文的固态电池指全固态电池。
首先我们来看看固态电池的进展。固态电池可不是图纸、规划阶段。宁德时代已经在合肥 5 吉瓦时中试线已投产,进行小批量生产。
比亚迪在重庆基地规划20吉瓦时,其中第一条线在2025年底落地,2026年规划达到10吉瓦时。当然,从整体规模上而言,2024年新能源车动力电池使用量为894.4吉瓦时,固态电池占比还很低。
按照宁德、比亚迪专家的说法,2027年,固态电池电动车装车量占比应该还在5%以内,2030年的目标达到10%以上;2035年目标达到30%-40%。从专家的说法来看,固态电池真正大规模应用,应该是在5年之后。
固态电池未来有多大的空间,我们需要先搞清楚,固态电池究竟在替代谁?
先从磷酸铁锂电池取代三元锂电池说起。2020年,三元锂电池的比例在70%以上,磷酸铁锂20%以上;而到了2024年,这个比例翻转了,磷酸铁锂70%以上,三元锂20%以上。
之所以出现这样的变化,在于这些年三元锂进步不大,而磷酸铁锂的性能有较大提升,比亚迪刀片电池、宁德时代神行电池的相继问世,磷酸铁锂的充电速度追上三元锂,安全性优于三元锂,电池管理系统也优化,价格比三元锂便宜;因此综合而言,磷酸铁锂电池性价比高,成为车企最爱。
这里又出现了一个问题:为何同一系列产品的高端车型往往配置三元锂电池呢?这就在于三元锂主要的优势:能量密度高于磷酸铁锂,三元锂电芯能量密度最高可以达到310瓦时每千克,磷酸铁锂电芯可以达到260瓦时每千克。
高端车型相较普通车型,往往配备了更多的电机,增加空悬、C D C减震,性能更优的卡钳通风盘,更大的轮胎轮毂,更豪华的座舱系统,这些都意味着质量的提升;而电池从磷酸铁锂升级为能量密度更高的三元锂,恰恰能把质量节省下来,留给增配。再或者,同样质量的电池包,三元锂电池电池容量更大。
消费电子领域里的手机、平板、笔记本电池等,目前主流是钴酸锂电池,价格高,主要特点是能量密度高于三元锂。未来也会全部被固态电池所取代。
其次,我们再来看看固态电池的优点。
固态电池目前最实质的优点在于能量密度高。目前乘用车领域,三元锂电芯能量密度最高可以达到310瓦时每千克,磷酸铁锂电芯可以达到260瓦时每千克,而固态电池可以达到500瓦时每千克。
电芯占电池包质量比例在70%左右,对应100度电池包的质量,磷酸铁锂550千克,三元锂需要461千克,而固态电池只需要285千克。可见,如果都是461千克电池包,三元锂是100度电,而固态电池可以做到162度电;又或者,同样是100度电池包,固态电池会轻176千克,可以用在车辆的增配上。
固态电池还有其他优点,比如充电速度更快,但我个人认为,伴随动力电池充电速度整体迈向5 C,以及超充桩相对不足,这方面的吸引力在减弱。理论上,固态电池不易燃爆,循环次数高,但应用初期可能恰恰相反。
说完优点,我们再来看固态电池的缺点。
固态电池目前最核心的问题是:初期技术不成熟。具体体现:价格高,循环次数低。
首先是价格:
目前,磷酸铁锂电芯价格在0.3元每瓦时,三元锂电池0.5元每瓦时,硫化物全固态电池1.5-2元每瓦时。电池包的成本大头是电芯,除了电芯外,另有管理与结构件、制造与集成成本等,这些合计在0.15-0.2元每瓦时。换算一下,100度电池的电芯价格,磷酸铁锂4.5万左右,三元锂7万左右,而硫化物全固态电池在17-22万。
再看循环次数。
目前三元锂的循环次数在2000-6000次,磷酸铁锂在4000-15000次,而固态电池,理论循环次数更高,但目前技术路径和制造水平下,大概在800-1000次,目前的技术不够成熟导致循环次数没有理想那么高。当然,按照每次循环400公里计算,800次循环,也可以达到32万公里。但实际行驶路况下,可能会缩水,使用过程可能易坏。
再看看固态电池的组成,固态电池是如何组成的。
首先是正极。固态电池正极和三元锂类似,主要采用高镍三元,长期方向是富锂锰基等锰系材料。严格意义上说,正极应该是正极组件,由正极材料层和集流体构成。三元锂电池正极集流体一般为铝箔,但硫化物固态电池集流体多采用不锈钢或镍基合金。
其次是负极,负极材料变更,是固态电池能量密度提升的关键。目前三元锂动力电池负极为天然石墨负极,理论比容量372毫安时每克;半固态电池主要采用石墨+高比例硅基;固态电池将逐渐转为硅基负极、锂金属负极,理论比容量达到4000毫安时每克左右。三元锂负极集流体材料一般为铜箔,但硫化物固态电池集流体多采用纯镍箔、镍基合金。
第三是固态电解质。三元锂电池使用六氟磷酸锂+溶剂+添加剂组成的液态电解液,固态电池没有电解液、隔膜,取而代之的是固态电解质。固态电解质主要分为聚合物、氧化物、硫化物、卤化物四大技术路径。目前全球研发的核心是硫化物路线,这是未来固态电池的核心路径。
然而这些组成部分,目前来说技术上还有很多难题需要攻克。所以固态电池任重道远,一来固态电池真正的爆发是在5年后,二来固态电池是替代三元锂电池,对很多锂电池产业链公司而言,其实并没有什么增量。设备公司可能业绩增量相对好一些。
从买车角度而言,很多朋友希望再凑合1-2年,买固态电池车辆,省的现在买完2年后就过时。我不赞同这种看法,未来5年固态电池会有个快速降本的过程,且目前技术还在快速发展,未来1-2年高价买固态电池车辆,很容易成为先驱。
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