中國儲能網訊：經過半個多世紀的發(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 新型電解質行業(yè)概覽
新能源電池的電解液由溶劑、電解質和添加劑組成。目前，由于重量、體積和安全性諸方面的瓶頸，技術已經成熟的液態(tài)電解質不再是最優(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)電池中電解質成本占比40-50%，鈉離子電池中電解質成本占比約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，國產化率超過90%，其中，電解質作為電池關鍵主材，需求可觀，其生產商享有高毛利、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)生產上加速發(fā)力，大量可能產生高回報率的投資機會涌向其中。
02 行業(yè)驅動因素
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。新型固態(tài)電解質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來實現(xiàn)聚合物固態(tài)電解質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、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。
03 當前新型電解質的技術路線及壁壘
我們認為，關注電解質技術的演進模式，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業(yè)戰(zhàn)略價值。
1）固態(tài)或半固態(tài)電池電解質
對于固態(tài)或半固態(tài)電池電解質，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)電解質體系主要分為氧化物、硫化物、聚合物等。各類固態(tài)電解質的性能表現(xiàn)各有所長，但是任何單一固態(tài)電解質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自身的優(yōu)化，固態(tài)電解質和電解液協(xié)同應用也至關重要，固態(tài)電解質的開發(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)電池電解質體系的優(yōu)化方式可主要分為兩個維度：其一是在電解質及添加劑方向上發(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、全固態(tài)電池箭在弦上的態(tài)勢。 目前已經實現(xiàn)半固態(tài)電池量產的企業(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月投產國內首條半固態(tài)電池量產線，預計2023年7月滿產，2023-2024年產能規(guī)劃 10GWh，2024-2026年設計產能預計達 26GWh；清陶能源首條設計產能 1GWh 的生產線于2023年4月投產，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)電解質將成為主流，聚合物在復合固態(tài)電解質市場中也具備一定空間。固態(tài)電解質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。當前鈉電池產業(yè)鏈還不夠成熟，處于產業(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)及產業(yè)化進展處于國際領先地位，并陸續(xù)有產品發(fā)布和產線落地。國內布局鈉電的企業(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 級鈉離子電池生產線產品下線；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，產業(yè)鏈缺口有望迅速補齊。
和鋰電池類似，鈉電池的電解質包括有機系、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。但考慮到電池內部有厚度和深度，加熱過程中保證內外溫度一致、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。
行業(yè)先發(fā)優(yōu)勢。 電解質固態(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)長期合作經驗的轉型中企業(yè)。
2）對于鈉電電解質制造企業(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結構和效果之間構效關系的自有數(shù)據(jù)庫，其內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工藝總體來講比較接近，生產線之間可以根據(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)內諸多正極和負極的數(shù)據(jù)，在既有的成熟產品基礎上，通過評測，橫向縱向對比，創(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，最終產品無法滿足需求。此外，安全生產問題也必須被高度重視，此前行業(yè)內發(fā)生過一些六氟磷酸鋰生產過程中的安全事故，多數(shù)是因為員工違規(guī)操作；
對于添加劑， 其市場規(guī)模雖不及電解質和溶劑，但由于其在整個產業(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，新型電解質是其中非常優(yōu)質的機會，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)，首先需要實打實的扎實技術，能夠真正解決能量密度、安全性、壽命、兼容性等需求痛點，并與整個產業(yè)鏈上其他產品高度適配，用技術實力支撐其市場化發(fā)展。
