中國儲能網(wǎng)訊：經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，以鋰離子電池為代表的新型電池技術逐漸成熟。當下，液態(tài)電池技術效能臨近天花板，而固態(tài)電池則有望在能量密度、安全性方面突破局限。從液態(tài)逐漸過渡到固態(tài)，是鋰電池發(fā)展路徑的大勢所趨。
當今，固態(tài)電池尚未全面鋪開，行業(yè)尚處于半固態(tài)向全固態(tài)發(fā)展的階段，鈉離子電池市場完成起步，有蓬勃發(fā)展之勢。在這個從科研探索到大規(guī)模商業(yè)化邁進的過程中，存在結構性機遇，可以挖掘到大量投資價值。本篇研究是新能源電池系列的第二篇研究文章，將分享光源資本對于新型電解質(zhì)賽道投資思路的觀察與思考。
負責人 | 李昊，專注于大消費、碳中和、合成生物等行業(yè)
研究團隊 | 光源碳中和小組 欒聲遠、刁晨卓
01 新型電解質(zhì)行業(yè)概覽
新能源電池的電解液由溶劑、電解質(zhì)和添加劑組成。目前，由于重量、體積和安全性諸方面的瓶頸，技術已經(jīng)成熟的液態(tài)電解質(zhì)不再是最優(yōu)選項。相比之下，固態(tài)電池與鋰金屬負極兼容性好，模組空間利用率高、配組靈活，能量密度方面具有相當程度的提升空間，同時固態(tài)電池的性質(zhì)決定了它不存在電解液泄漏風險，且熱穩(wěn)定性好、不易燃燒，有更好的安全性。
基于前述性能上的優(yōu)勢，固態(tài)電池市場前景良好。據(jù)華泰研究測算，2030年全球固態(tài)電池市場總規(guī)模預計將達3,633.7億元；而由于鈉離子電池具備顯著的資源和成本優(yōu)勢，可匹配多個應用場景，其單獨構成的市場份額就非?？善?，東方財富證券研究所預測，2030年全球鈉離子電池市場規(guī)模將達3,077.9億元。鑒于固態(tài)電池中電解質(zhì)成本占比40-50%，鈉離子電池中電解質(zhì)成本占比約26%，根據(jù)光源資本的測算，新型電池技術體系下，2030年全球新型電解質(zhì)潛在市場規(guī)模近 2,500億元。 寬廣的市場空間之下，各路市場參與者在技術開發(fā)上相繼蓄能，行業(yè)拐點即將到來。 光大證券預計，2024年至2025年將會迎來半固態(tài)電池的商業(yè)化轉折點，固態(tài)電池將優(yōu)先 從高端應用市場開始商業(yè)化，例如無人機、醫(yī)用等領域，逐步向動力電池及消費電池領域擴展。
我國新型電池市場中，國產(chǎn)化率超過90%，其中，電解質(zhì)作為電池關鍵主材，需求可觀，其生產(chǎn)商享有高毛利、低資本投入的優(yōu)勢。 行業(yè)風口逐漸形成的背景下，資本愈發(fā)青睞這一尚未形成邊界的領域，多企業(yè)在研發(fā)生產(chǎn)上加速發(fā)力，大量可能產(chǎn)生高回報率的投資機會涌向其中。
02 行業(yè)驅(qū)動因素
在從液態(tài)向全固態(tài)轉型的過程中，半固態(tài)電池和準固態(tài)電池是技術升級中的中間階段。目前，半固態(tài)電池基本滿足商業(yè)化應用需求，其技術水平比全固態(tài)電池成熟。要實現(xiàn)全固態(tài)電池商業(yè)化，還存在許多瓶頸，比如能量密度和倍率性能有待進一步提高、離子導電率偏低、固-固界面難以充分貼合，而攻破這些難點的決定要素在于固態(tài)電解質(zhì)。新型固態(tài)電解質(zhì)解決前述問題的路徑主要為：
針對能量密度問題， 新型固態(tài)電解質(zhì)更穩(wěn)定、更安全，具有 5V 以上更寬的電化學窗口，可以兼容高比容量的正負極，如高電壓正極、富鋰錳基、硅負極、鋰金屬負極等材料，提升電芯能量密度；
針對倍率性能問題， 將固態(tài)電解質(zhì)用于正極包覆、極片摻混或隔膜涂覆，可以提升固態(tài)電池倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性；
針對離子電導率偏低的問題， 可通過對電解質(zhì)鏈段接枝或交聯(lián)、添加鋰鹽或增塑劑的方式提高聚合物固態(tài)電解質(zhì)的離子電導率，或通過添加涂層或平衡鋰離子含量來改善氧化物固態(tài)電解質(zhì)離子電導率表現(xiàn)；
針對固-固界面難以充分貼合的問題， 可通過采用紫外固化法制備新型聚合物電解質(zhì)來實現(xiàn)聚合物固態(tài)電解質(zhì)和電極之間良好的界面接觸。
在鋰離子電池的體系之外，鈉離子電池也在未來市場格局中占有一席之地。 鈉離子電池的優(yōu)勢在于，鈉金屬的儲備資源豐富，價格低廉，而且離子電導率相同時，鈉鹽比鋰鹽電解液的濃度低，因此成本更低。此外，鈉離子還具有更好的界面動力學能力。盡管當前鈉離子電池的很多優(yōu)勢還停留在概念階段，但這一細分領域無疑蘊藏巨大商業(yè)潛力。
當前，鈉離子電池市場處于多種材料體系并行發(fā)展狀態(tài)： 正極路線主要包括金屬氧化物路線、聚陰離子路線、普魯士藍/白路線；負極材料有碳基材料、過渡金屬化合物、合金類、有機類；而電解液體系則包括有機系、水系和固態(tài)。不同正負極材料體系需要適配不同的鈉電電解液，電解液配方和電芯性能之間存在復雜的構效關系，電解液方案中不同溶質(zhì)、溶劑、添加劑配方極大影響電芯性能，目前鈉離子電池技術迭代方式盤根錯節(jié)，較為復雜，但歸納來說，性能上主要存在兩個優(yōu)化方向：
一是能量密度方面， 目前氧化物路線通過降低鈉電電壓，犧牲部分能量密度來提高循環(huán)壽命，未來為了充分發(fā)揮氧化物材料的容量優(yōu)勢，鈉電需要逐步提升電壓，在這樣的趨勢下，研發(fā)出適配高電壓的鈉電電解液是核心技術難點；
二是安全性方面， 金屬鈉比鋰更活潑，鈉電能量密度的提高隨之帶來安全性問題，解決方案是將鈉電池體系向固態(tài)化方向設計，其中技術關鍵是鈉離子固態(tài)電解質(zhì)。
03 當前新型電解質(zhì)的技術路線及壁壘
我們認為，關注電解質(zhì)技術的演進模式，無論對于固態(tài)或半固態(tài)鋰離子電池、鈉離子電池的產(chǎn)業(yè)成熟化，還是既有液態(tài)鋰電池的性能進一步提升，都具備至關重要的產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略價值。
1）固態(tài)或半固態(tài)電池電解質(zhì)
對于固態(tài)或半固態(tài)電池電解質(zhì)，和慣常電解液一樣，都應考慮離子導通、電子絕緣、和電極的物理接觸、抗正極氧化、抗負極還原、電化學穩(wěn)定、熱穩(wěn)定、空氣穩(wěn)定、機械穩(wěn)定等諸多因素，前述各個指標的對應溫度特性等性能需求，以及綜合成本低廉的規(guī)模推廣需求。
當前固態(tài)電解質(zhì)體系主要分為氧化物、硫化物、聚合物等。各類固態(tài)電解質(zhì)的性能表現(xiàn)各有所長，但是任何單一固態(tài)電解質(zhì)均無法取得令人滿意的綜合性能。比如，硫化物電導率可媲美液態(tài)電解液，但穩(wěn)定性較差；氧化物熱穩(wěn)定性較好，但抗還原能力、物理性較弱；聚合物抗還原性和物理接觸較好，但電導率較弱。除了考慮單一或復合電解質(zhì)自身的優(yōu)化，固態(tài)電解質(zhì)和電解液協(xié)同應用也至關重要，固態(tài)電解質(zhì)的開發(fā)是非常系統(tǒng)的工作，企業(yè)若想成為行業(yè)龍頭，在科研和制造實力上都需要較長久和深厚的積淀。
目前來看，對于固態(tài)或半固態(tài)電池電解質(zhì)體系的優(yōu)化方式可主要分為兩個維度：其一是在電解質(zhì)及添加劑方向上發(fā)力創(chuàng)新，其背景是近年來隨著雙氟磺酰亞胺鋰鹽(LIFSI)為代表的工藝逐步成熟，多種新型鋰鹽和添加劑得到了應用；其二是固態(tài)電解質(zhì)氧化物、聚合物、硫化物、鹵化物等多路線的復合應用，例如氧化物配合聚合物材料，用組合拳均衡優(yōu)劣勢，實現(xiàn)應用方面的更優(yōu)解。
2）鈉離子電池
鈉離子電池的研發(fā)某種程度上可以說是“站在鋰離子電池的肩膀上”，在工藝控制標準上有很多可以向已經(jīng)較為嚴苛成熟的鋰電電解液借鑒，但由于配方、添加劑，鈉電正極和負極體系發(fā)展不成熟，很多問題待解決。
正如本文第二部分所述，鈉離子電池核心技術難點主要存在于能量密度與安全性兩個方面。目前鈉電池能夠達到數(shù)千次充電壽命的方式都是犧牲能量密度，將鈉電正常電壓 4.0V 降到 3.90-3.95V，降電壓后副反應減少，從而循環(huán)壽命提升。目前電芯廠對于鈉電電壓有 4.2V 的更高標準，從而將氧化物質(zhì)的容量充分發(fā)揮出來，將能量密度從現(xiàn)在的 120-140Wh/kg 提高到 160Wh/kg 以上。電壓提升后，隨之而來的安全性問題迫切呼喚更加成熟的鈉離子電解質(zhì)固化技術。
3）液態(tài)鋰電池
對于液態(tài)鋰電池，鋰電高壓、富鋰錳基正極等體系發(fā)生切換，電解液體系也會發(fā)生重大的變化。目前，配方公開的僅限于普通的磷酸鐵鋰體系和鎳、鈷、錳三元體系。而如果要求更高電壓，更高能量密度，電解液開發(fā)就變得十分關鍵。
當下液態(tài)鋰電池電解液體系的優(yōu)化方向主要基于以下兩類：其一配合新型正極材料，如 5V 尖晶石、富鋰錳基、磷酸鐵錳鋰等。例如，當電芯正極材料由 5V 尖晶石組成時，常規(guī)的碳酸酯溶劑無法滿足如此高電壓，電解液溶劑體系需要隨之徹底迭代。其二是下游電芯廠基于實踐需求，在現(xiàn)有液態(tài)技術路線上微調(diào)電芯各項性能，并不斷開發(fā)新材料或者新工藝，這些舉措都會驅(qū)動電解液領域出現(xiàn)創(chuàng)新性機會。
04 競爭格局與未來發(fā)展趨勢
從國際范圍內(nèi)的競爭格局來看，全球固態(tài)電池研發(fā)可分為日韓、歐美以及中國三大板塊。日韓起步最早，并選擇了硫化物固態(tài)電解質(zhì)路線，目前持有的固態(tài)電池專利數(shù)量全球領先，其開發(fā)模式主要采取車企、電池和材料企業(yè)以及高校等科研機構聯(lián)合研發(fā)。而歐美則以氧化物固態(tài)電解質(zhì)路線居多，主要采取大型車企投資入局、自主開發(fā)的模式。我國當前市場較為活躍，布局固態(tài)電池的企業(yè)既包括老牌電池企業(yè)，也有上游原材料企業(yè)和背靠大學研究所的科研專門機構。我國制造商選擇的路線也非常豐富：硫化物路線代表企業(yè)有寧德時代、蜂巢能源等；氧化物路線代表企業(yè)有贛鋒鋰業(yè)、輝能科技等。同時，由于單一的電解質(zhì)技術路線很難解決所有的問題，因此很多企業(yè)尋求復合路線，例如衛(wèi)藍新能源則以氧化物和聚合物為主。
近兩年中，我國新型電池主要處于半固態(tài)電池陸續(xù)量產(chǎn)、全固態(tài)電池箭在弦上的態(tài)勢。 目前已經(jīng)實現(xiàn)半固態(tài)電池量產(chǎn)的企業(yè)有衛(wèi)藍新能源、清陶能源、太藍新能源、輝能科技、贛鋒鋰業(yè)、國軒高科、億緯鋰能等。其中，衛(wèi)藍新能源首顆半固態(tài)電池于2022年11月下線，能量密度達 360Wh/kg；太藍新能源2022年10月投產(chǎn)國內(nèi)首條半固態(tài)電池量產(chǎn)線，預計2023年7月滿產(chǎn)，2023-2024年產(chǎn)能規(guī)劃 10GWh，2024-2026年設計產(chǎn)能預計達 26GWh；清陶能源首條設計產(chǎn)能 1GWh 的生產(chǎn)線于2023年4月投產(chǎn)，首批半固態(tài)電池將在郫都工廠下線。全固態(tài)電池仍處于研發(fā)階段，預計2030年后實現(xiàn)商業(yè)化，此后仍需一定時間才能完全量產(chǎn)落地。
2022年以來，面對廣闊的發(fā)展前景，PE/VC 資金密集流向固態(tài)電池賽道，鋰礦、動力電池、車企等產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的上市公司更是加快了對固態(tài)電池的布局，市場整體看好固態(tài)電池企業(yè)的未來發(fā)展。
在今后行業(yè)趨勢上，未來氧化物和硫化物材料的固態(tài)電解質(zhì)將成為主流，聚合物在復合固態(tài)電解質(zhì)市場中也具備一定空間。固態(tài)電解質(zhì)加速滲透會給電解液和隔膜企業(yè)帶來難以逆轉的利空，同時，目前固態(tài)電解質(zhì)涂覆隔膜是半固態(tài)的主流應用方案，但未來隨著固態(tài)電池鋪開，其市場空間將被逐步取代。
在新能源電池需求爆發(fā)的浪潮下，鈉離子電子因其顯著的資源和成本優(yōu)勢，近十年來相關研究迎來井噴式增長。尤其對于鋰資源儲量較少的中國來說，發(fā)展鈉電成為解決鋰電“卡脖子”問題的重要突破口。當前鈉電池產(chǎn)業(yè)鏈還不夠成熟，處于產(chǎn)業(yè)化初期，距離商業(yè)化落地仍需要一定時間。
當前我國鈉電池領域研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化進展處于國際領先地位，并陸續(xù)有產(chǎn)品發(fā)布和產(chǎn)線落地。國內(nèi)布局鈉電的企業(yè)既包括以中科海納為代表的初創(chuàng)公司，也包括以寧德時代、多氟多、比亞迪為代表的鋰電池龍頭企業(yè)。2022年，中科海納阜陽全球首條 GWh 級鈉離子電池生產(chǎn)線產(chǎn)品下線；2023年4月，寧德時代在發(fā)布第一代鈉離子電池一年半后，宣布其鈉離子電池落地奇瑞車型，并計劃在2023年形成基本的產(chǎn)業(yè)鏈；截至2023年3月，多氟多已有多款鈉離子電池在多家車廠進行車載測試。隨著越來越多的傳統(tǒng)鋰電池廠商加大鈉電布局力度，產(chǎn)業(yè)鏈缺口有望迅速補齊。
和鋰電池類似，鈉電池的電解質(zhì)包括有機系、水系和固態(tài)。由于金屬鈉比鋰更活潑，考慮到安全性問題，當前的解決方案是將鈉電池體系往固態(tài)化方向設計。
05 優(yōu)秀企業(yè)的衡量標準
綜合各類電池的技術特點及對市場的判斷，我們認為相關企業(yè)應在以下方面持續(xù)構建優(yōu)勢：
1）對于固態(tài)電解質(zhì)賽道，應重點關注具有以下優(yōu)勢的企業(yè)：
多路線優(yōu)勢。 鑒于固態(tài)電池路線百花齊放，固守一種路線的制造商難以拓展市場邊界，因而在固態(tài)電解質(zhì)方面有能力將固液兼容性、固液混合、原位固態(tài)化等多種技術歸結在一起的企業(yè)具有更大的競爭優(yōu)勢，值得投資人關注。
技術及工藝優(yōu)勢。 舉例來說，對于原位固態(tài)化工藝，如果能夠增加引發(fā)劑和聚合單體的量，配方反應之后基本沒有液體剩余，這樣的技術路線實現(xiàn)起來會較為快捷。但考慮到電池內(nèi)部有厚度和深度，加熱過程中保證內(nèi)外溫度一致、不同地方的固化程度和速度一致所需的工藝，都可以形成技術壁壘，相應企業(yè)需具備足夠的工程化能力，找尋到突破前述瓶頸的工藝并實現(xiàn)量產(chǎn)。
行業(yè)先發(fā)優(yōu)勢。 電解質(zhì)固態(tài)化無法一夜之間達到終點，是一個需要時間的過程，半固態(tài)將在相當長的時間周期中存在。在此過程中，半固態(tài)要解決的核心問題是固態(tài)電解質(zhì)與液態(tài)之間的協(xié)同。前者是無機的粉體材料，后者是液態(tài)材料，相互之間有副反應也有協(xié)同作用。傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)公司或新進入的公司可能并不具備相應的工藝，因此在這方面領先的公司通常是具有行業(yè)先發(fā)優(yōu)勢的企業(yè)或者擁有與固態(tài)或半固態(tài)企業(yè)長期合作經(jīng)驗的轉型中企業(yè)。
2）對于鈉電電解質(zhì)制造企業(yè)，我們認為最應被看重的兩方面能力是：
深厚的技術數(shù)據(jù)積累。 在該方面達到成熟狀態(tài)的企業(yè)應當有實力建立起一個反映鈉電電解質(zhì)結構和效果之間構效關系的自有數(shù)據(jù)庫，其內(nèi)容需要涵蓋大量被實驗驗證的技術數(shù)據(jù)，例如一個結構式在電解液中能夠產(chǎn)生何種效果，應與何種正負極匹配，最終會帶來怎樣的電池性能。目前，整體來看，鈉電市場的科研仍處于人工實驗為主的中間階段，距離標準化運行仍有待時日。我們認為，一套高通量計算、篩選以及實驗系統(tǒng)的開發(fā)，結合從化合物結構設計一直向后兼容到電芯實驗設計流程的建立，才有可能真正打通從研發(fā)到應用的每個環(huán)節(jié)。
超脫于鋰電體系的配方創(chuàng)新力。 當前技術模式下，鈉電電解質(zhì)可以部分借鑒鋰電電解液，六氟磷酸鋰和六氟磷酸鈉的生產(chǎn)工藝總體來講比較接近，生產(chǎn)線之間可以根據(jù)市場需求實現(xiàn)便捷的切換。但鈉電添加劑配方完全不同于傳統(tǒng)鋰電，這些添加劑對鈉離子電池性能起到關鍵作用，因而生硬地復制鋰電體系配方會帶來諸多問題。針對前述問題的一個解決思路是，早期介入鈉電電芯廠的研發(fā)，獲得行業(yè)內(nèi)諸多正極和負極的數(shù)據(jù)，在既有的成熟產(chǎn)品基礎上，通過評測，橫向縱向?qū)Ρ?，?chuàng)新電解液配方的研發(fā)，磨煉出超脫鋰電體系的配方能力。
3）如果繞開固態(tài)電池或者鈉離子電池，在現(xiàn)有液態(tài)鋰電池賽道加速的關鍵是需要在電解液的迭代上發(fā)力。
我們認為，實現(xiàn)前述目標的核心在于使用多配方去適配下游場景，具體體現(xiàn)在鋰鹽和添加劑兩個方面：
對于核心成分鋰鹽， 目前的液態(tài)鋰電配方中，六氟磷酸鋰和雙氟磺酰亞胺鋰在處于并存狀態(tài)。在動力電池和電子產(chǎn)品電池上，二者平分秋色，儲能電池方面主要使用六氟磷酸鋰。六氟磷酸鋰技術進入門檻較高，重研發(fā)，且需要穩(wěn)定磨合，如果對于方程式研究不透徹，最終產(chǎn)品無法滿足需求。此外，安全生產(chǎn)問題也必須被高度重視，此前行業(yè)內(nèi)發(fā)生過一些六氟磷酸鋰生產(chǎn)過程中的安全事故，多數(shù)是因為員工違規(guī)操作；
對于添加劑， 其市場規(guī)模雖不及電解質(zhì)和溶劑，但由于其在整個產(chǎn)業(yè)鏈中也具有重要地位，是電解液企業(yè)的兵家必爭之地。在添加劑的優(yōu)化方法上，有諸多方面值得關注：實現(xiàn)良好的化學穩(wěn)定性能方面，可通過配方調(diào)控選擇特定添加劑在金屬鋰表面形成致密保護層，提高電池穩(wěn)定性；在實現(xiàn)較寬的液程范圍和良好的熱穩(wěn)定性方面，可通過調(diào)控不同溶劑和鹽，形成不同溶劑化鋰離子結構，同時開發(fā)新型低阻正極成膜添加劑，達到高低溫性能兼顧；在實現(xiàn)較高的離子電導率方面，可通過調(diào)控不同溶劑和鹽，形成不同溶劑化鋰離子結構，在低溫下具有較高的離子電導率；在實現(xiàn)阻燃性能方面，可開發(fā)含氮、磷、氟等元素的阻燃添加劑，在安全性能和電化學性能之間尋求得以平衡的立足點。
如今，新能源汽車逐漸步入增速放緩的成熟期，接下來的增長點將有賴于新技術的滲透，新型電解質(zhì)是其中非常優(yōu)質(zhì)的機會，當前市場還沒有完全形成某幾家企業(yè)獨大的局面，也暫時沒有形成絕對優(yōu)勢地位的技術路線，地位沉浮與彎道超車都存在可能。這一賽道投資風口的底層邏輯在于，能夠在紛繁形勢中脫穎而出的企業(yè)，首先需要實打?qū)嵉脑鷮嵓夹g，能夠真正解決能量密度、安全性、壽命、兼容性等需求痛點，并與整個產(chǎn)業(yè)鏈上其他產(chǎn)品高度適配，用技術實力支撐其市場化發(fā)展。
