导读
目前，全球范围内约有50多家制造企业、初创公司和高校科研院所致力于固态电池技术。根据IDTechEx的一份报告，到2030年，固态电池的市场规模预计将超过60亿美元。
传统锂离子电池主要由正负极材料、电解液和隔膜组成。固态电池则是使用固体电解质，替代了传统锂离子电池的电解液和隔膜。
此前《日经新闻》报道，丰田目前正在开发的固态电池汽车，在同等条件下的续航里程是采用传统锂离子电池的超过两倍；而且充满电只需要大约10分钟，相比于传统电动汽车缩减了至少三分之二。
如此具有战略重要性的一个行业，背后都有哪些公司研发处于领先阶段？
今天我们就来了解一下固态电池行业，enjoy：
一、 行业市场综述
（一） 行业定义及分类
1. 定义
固态电池是指采用固态电解质的锂离子电池。与传统锂电池相比，全固态电池最突出的优点是安全性。固态电池具有不可燃、耐高温、无腐蚀、不挥发的特性，固态电解质是固态电池的核心，电解质材料很大程度上决定了固态锂电池的各项性能参数，如功率密度、循环稳定性、安全性能、高低温性能以及使用寿命。
来源：OFweek维科网、高禾投资研究中心
2. 分类
按照电解质材料的选择，固态电池可以分为聚合物、氧化物、硫化物三种体系电解质。其中，聚合物电解质属于有机电解质，氧化物与硫化物属于无机陶瓷电解质；按照正负极材料的不同，固态电池还可以分为固态锂离子电池（沿用当前锂离子电池材料体系，如石墨+硅碳负极、三元正极）和固态锂金属电池（以金属锂为负极）。
（二） 行业发展历程
固态电解质锂离子电池的理论研究可以追溯到1972年在贝尔吉拉泰（Belgirate）召开的北约“固体中的快速离子输运”会议上，斯蒂尔（Steele）讨论了合适的固态电解质的基本标准，并指出了过渡金属二硫化物作为电池正极材料的潜力。同年，阿尔芒（Armand）将Li/TiS2应用于以固态b-氧化铝为电解质的三元石墨正极中的Na+扩散，这是关于固态电池的第一份报告。
1. 萌芽阶段（1970年-1990年）
1970年至1990年为固态电池的初始阶段，在这一阶段固溶电极和“摇椅电池”概念诞生，科学家选择合适的电极和电解液。20世纪70年代，惠廷厄姆（Whittingham）提出并开始研究锂离子电池，采用硫化钛作正极、金属锂作负极，制成首个锂电池；阿尔芒（Armand）提出“摇椅电池”的概念。20世纪80年代，古迪纳夫（Goodenough）发现钴酸锂可以作为锂离子电池正极材料；贝尔实验室制成首个可用的锂离子石墨电极；曼蒂兰（Manthiram）和古迪纳夫（Goodenough）发现采用聚合阴离子的负极能产生更高电压；萨克雷（Thackeray）和古迪纳夫（Goodenough）发现锰尖晶石是优良的正极材料。
2. 初始阶段（1990年-2000年）
1990年至2000年为液态锂离子电池的商业化阶段，在这一时期内，索尼（Sony）公司发明商业化液态锂离子电池；塔拉斯孔（Tarascon）和盖约马德（Guyomard）组装了第一个石墨“LiMn204”摇椅电池，证明LiMn204作为有前景低成本锂离子电池正极的可能性。
3. 发展阶段（2000年至今）
2000年以来为固态电池的兴起阶段，在这一阶段内，科学家也改进了液态锂离子电池。帕迪（Padhi）和古迪纳夫（Goodenough）发现具有橄榄石结构的磷酸盐和磷酸铁锂比传统的正极材料更安全、耐高温、耐充电；塔拉斯孔（Tarascon）和盖约马德（Guyomard）提出了一种基于LiPF6的EC/DMC电解质，是目前电池制造的标准电解液配方高比容量（vs. LiCoO2）、高电压（vs. LiFeP04）的NMC称为最普遍的正极；阿尔芒（Armand）提出固态聚合物电解质基础固态电池概念；同时他提出用于固态电池的新型亚氨基酸、锂迁移、锂负极保护方法固态电池技术。
（三） 行业市场规模
由于固态电池当前还处于实验室阶段，尚未有企业完成商业化量产，因此市场暂未大范围应用固态电池。因为固态电池和现有液态电池存在替换关系，我们将根据锂电池现有市场规模估算固态电池潜在的市场规模。根据中国电子信息产业发展研究院的数据，2019年中国锂电池产业规模为2058亿元。假设未来固态电池渗透率分别为：5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%，根据高禾投资研究中心估算，固态电池市场规模可以分别达到：102.9、205.8、308.7、411.6、514.5、617.4、720.3、823.2、926.1、1029亿元。
来源：中国电子信息产业发展研究院、高禾投资研究中心
（四） 行业产业链分析
固态电池产业链主要由正极、负极和电解质构成。固态电池产业链与液态锂电池大致相似，两者主要的区别在于上游的负极材料和电解质不同，在正极方面几乎一致。
1. 上游分析
1) 正极
与传统锂离子电池相似，固态电池正极材料一般采用复合电极，除了电极活性物质外还包括固态电解质和导电剂，在电极中起到传输离子和电子的作用。按正极材料分类，主要有三元锂、磷酸铁锂、钴酸锂和锰酸锂这四种。2019年，我国三元材料出货量占比最高，达47.5%；其次是磷酸铁锂，占比为21.8%。具有能量密度优势的三元材料预计进一步取代磷酸铁锂市场。
2) 负极
固态电池负极材料目前主要集中在金属锂负极材料、碳族负极材料和氧化物负极材料三大类，其中金属锂负极材料因其高容量和低电位的优点成为全固态锂电池最主要的负极材料之一，采用金属锂做负极，有望提升40-50%的能量密度。目前，全球锂盐产能主要集中在我国，占比约70%。2019年我国金属锂总产能约4700吨，产量2903吨，产能利用率为61.8%。全球金属锂主要厂商包括赣锋锂业、天齐锂业和Livent，2018年这三大公司全球产能占比达到79%。
3) 电解质
全固态锂电池采用固态电解质替代传统有机液态电解液，有望从根本处解决电池安全性问题，是电动汽车和规模化储能理想的化学电源。固态电池的三大电解质体系各有优劣，目前全球固态电池企业都在不同的电解质体系上进行技术研发。其中，欧美企业偏好氧化物与聚合物体系，而日韩企业则更多致力于解决硫化物体系。
2. 中游分析
固态电池产业链中游为固态电池企业。目前固态电池企业主要集中在美国和中日韩。日本的固态电池企业包括丰田（Toyota）、出光兴产（Idemitsu Kosan）、日立造船（Hitachi Zosen）。韩国的固态电池企业包括三星SDI（Samsung SDI）、LG化学（LG Chem）、现代（Hyundai）。中国的固态电池企业包括赣锋锂业、宁德时代、北京卫蓝、清陶发展等。美国的固态电池企业包括Solid Power、Quantum Scape、Sakti3等。以上公司的主要区别为电解质的技术路线。从量产角度分析，Solid Power、Quantum Scape和丰田（Toyota）目前技术最为领先，最接近量产。
3. 下游分析
1) 新能源汽车
随着固态电池产品的成熟，未来有望在动力电池领域实现应用。受益于政策的优惠，我国新能源汽车市场从2014年开始快速发展，随后2016、2017年受到骗补事件及补贴倒退的影响，产销量增速放缓，2019年国内新能源汽车产量为124.2万辆。目前，为了缓解疫情对新能源汽车行业的影响，我国推迟补贴政策至2021年，行业发展正逐渐恢复中。
2) 电化学储能
全固态电池被公认有望突破电化学储能技术瓶颈，满足未来发展需求的新兴技术方向之一。在电化学储能方面，目前锂电池占电化学储能比重达80%。而结合国家对能源发展的指导方针，电化学储能在用户侧、可再生能源并网配套等领域的需求有望迎来快速增长，固态电池发展前景明朗。备用电源是电化学储能的另一大重要应用。随着5G基站建设的大力推进，备用电源的需求也有望迎来快速增长。根据工信部数据统计，截至2019年底我国共建成5G基站超13万个；截至2020年5月，工信部表示已开通5G基站超过20万个，每周新增5G基站超过1万个，到2020年年底，我国5G基站数可达65万。
二、 行业驱动因素
（一） 固态电池将打破消费者对新能源汽车的里程焦虑
固态电池的技术潜能将打破消费者对新能源汽车的里程焦虑，使新能源汽车实现对燃油车的无缝替代。燃油车的油箱容量通常在55L左右，按照百公里8L的耗油量，大概可以行驶600公里。因此，新能源汽车厂商为了实现对燃油车的无缝替代，基础目标为冲一次电行驶600公里。电池系统容量的核心是电芯，电芯的能量密度由Wh/kg来衡量，就是每公斤的电芯，能够产生多大功率的能量。目前市场公认的答案是，现有电动车的电池系统能量密度翻一倍半，从普遍的160Wh/kg，到400Wh/kg，才是电动车彻底取代燃油车的开始。当下主流的动力电池，无论是磷酸铁锂电池，还是三元锂离子电池，都是液态电解液的锂离子电池，理论的最高能量密度为350Wh/kg。因此，固态电池为解决电池能量密度问题的最佳方案，固态锂电池技术采用锂、钠制成的玻璃化合物为传导物质，取代以往锂电池的电解液，能量密度通常为液态锂离子电池的两倍。
（二） 固态电池安全性优于液态电池
液态锂离子电池存在安全隐患，固态电池安全性更高，电池自燃、爆炸风险更低。据不完全统计，截至2019年10月，我国一共发生了79起电动汽车的安全事故，涉及车辆达到了96辆。引发电动汽车安全事故的主要原因是热失控导致电池爆炸或自燃。电池自燃的原因是在过充电、低温或高温环境下动力电池发生短路，短时间内电池释放大量热量，点燃电池内部的液态电解质，最终导致电池起火。固态电池将液态电解质替换为固态电解质，这大大降低了电池热失控的风险。半固态、准固态电池仍存在一定的可燃风险，但安全性优于液态锂电池。
（三） 固态电池封装更简易，体积能量密度大幅提升
固态电池可简化封装、冷却系统，电芯内部为串联结构，在有限空间内进一步缩减电池重量，体积能量密度较液态锂离子电池（石墨负极）可提升70%以上。液态锂离子电池以并联结构相接，封装复杂且体积庞大；固态电池无漏液风险，可简化冷却系统，电池以多电芯串联结构相接，优化电池封装，电池的体积能量密度大幅提升。
三、 行业制约因素
（一） 固态电池量产仍有难点
技术不成熟、生产条件受限，固态电池量产依旧有难点。三星固态电池最新科研成果发布，全固态电池性能出现重大突破。2020年3月初，三星高等研究院（SAIT）与三星日本研究中心（SRJ）在《自然能源》（Nature Energy）杂志上发表《High-energy long-cycling all-solid-state lithium metal batteries enabled by silver–carbon composite anodes》，介绍了其在固态电池领域的最新进展，银碳基全固态电池能够实现900Wh/L高能量密度、1000圈以上长循环寿命及99.8%极高库伦效率（充放电效率），电池一次充电后可驱动汽车行驶800公里。技术不成熟、生产条件受限，固态电池量产对于三星产业化而言仍有难点。硫化物固态电解质对生产环境要求苛刻，需隔绝水和氧气；银碳层大规模生产所需的贵金属纳米银成本较高。发表论文的SAIT和SRJ均为科研机构而非主攻工艺的三星SDI，文章仅阐明了新电池的原理、结构和性能，初步判断该电池仍处于实验室阶段，短时间内难以量产。
（二） 固态电池相比较于液态电池制造成本高昂
固态电池要想与传统液态锂离子电池一较高下，电池降本至关重要。根据材料成本和加工成本（包括人工、折旧、利息、能源、维护和工厂面积成本等）来估算固态锂电池和液态锂电池的制造成本，固态电池（石墨负极）成本为158.8$/kWh，液态电池（石墨负极）成本为118.7$/kWh，固态电池（石墨负极）比液态电池（石墨负极）高约34%，主要原因为固态电池材料成本高昂和加工工艺复杂。考虑到新能源汽车平均50%的成本来自于动力电池，车企对电池的价格极为敏感，固态电池相较于液态电池高昂的制造成本将制约行业的发展。
四、 行业相关政策分析
我国直接针对固态电池行业的相关政策较少，对固态电池行业影响较大的政策主要围绕“推动锂电池行业的发展”以及“促进新能源汽车动力电池升级”这两方面展开。相关政策通过制定产业规划、规范行业标准、修改补贴制度等方式，间接地对固态电池行业施加影响。
1) 锂离子电池相关政策分析
锂离子电池及相关产品的制造技术属于我国优先发展的技术领域。近年来，我国出台了一系列政策规划以推动锂离子电池制造水平及技术的发展。固态电池作为新型锂离子电池，其能效更加符合我国对于锂离子电池的期望，其相关产品与技术的发展也受到了我国锂电池相关政策的深刻影响。
2) 新能源汽车相关政策分析
在相关政策上，我国不仅对于新能源汽车动力电池产业及技术的发展制定了规划与要求，还对新能源汽车的补贴和积分情况进行了大规模的调整，迫使相关产业不断追求动力电池能量密度和续航能力的提升，间接推动了拥有高能量密度和强续航能力的固态电池的产业发展。
五、 行业发展趋势分析
（一） 液态电解质含量逐步下降，全固态电池为最终形态
固态电池的技术发展采用逐步颠覆策略，液态电解质含量逐步下降，全固态电池是最终形态。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。固态电池的迭代过程中，液态电解质含量将从20wt%降至0wt%，电池负极逐步替换成金属锂片，电池能量密度有望提升至500Wh/kg，电池工作温度范围扩大三倍以上。预计在 2025 年前后，半固态电池可以实现量产，2030 年前后实现全固态电池的商业化应用。
（二） 固态电池制造成本下降
固态电池要想与传统液态锂离子电池一较高下，电池降本至关重要。近两年内固态电池生产线迎来一轮不小的投产潮，清陶、卫蓝新能源、辉能科技等企业将建固态电池生产线，虽然目前各企业均未公布固态电池成本，但此前已有预测固态电池成本远高于锂离子电池，未来固态电池若想实现产业化，降本则成必然。
六、 行业竞争格局分析
（一） 行业竞争格局概述
目前，全球范围内约有50多家制造企业、初创公司和高校科研院所致力于固态电池技术，固态电池尚未实现大规模商业化。全球预计2020年准固态锂电池会实现产业化，到2025年全固态锂电池将最终实现产业化。其中，欧美企业偏好氧化物与聚合物体系，而日韩企业则更多致力于解决硫化物体系。
1) 欧美地区
欧美车企对固态电池初创企业关注度较高。车企通过收购、投资在固态电池领域中美国高校衍生的初创企业如Solid Power、SolidEnergy Systems、Ionic Materials、Quantum Scape等以获得技术储备。
2) 日韩地区
日本车企在固态电池上的研发起点相对较早，最早入局的丰田在2008年就与固态电池创企伊利卡（Ilika）展开了合作，2019年初，宣布与松下合作。三菱、日产、松下等大部分企业纷纷加速布局固态电池行业，争取早日实现量产。
3) 中国
在固态电池研究方面，国内企业不及日本、德国、美国等起步早，但越来越多的企业已经参与其中。参与主体包括中科院化学所、中科院青岛能源所、中科院宁波材料所等研究机构，赣锋锂业、宁德时代等电池企业；更有其他领域企业看好固体电池跨界投资，如以汽车零部件为主的万向集团、新能源汽车比亚迪等。
（二） 核心企业分析
1. 宁德时代（300750.SZ）
1) 公司概况
宁德时代新能源科技股份有限公司（以下简称“宁德时代”）成立于2011年，总部位于福建宁德，是全球领先的锂离子电池研发制造公司，专注于新能源汽车动力电池系统、储能系统的研发、生产和销售，致力于为全球新能源应用提供一流解决方案。宁德时代于2018年6月11日在深交所挂牌上市。
2) 核心产品
宁德时代涉及四个核心业务，分别为：乘用车、商业应用、储能系统、循环回收。乘用车业务涉及纯电动私家车解决方案、纯电动运营车解决方案、混合动力私家车解决方案。商业应用业务涉及道路客运解决方案、城市配送解决方案、重载运输解决方案、城市道路清洁解决方案、工程机械解决方案、二轮车解决方案、船舶解决方案、特种应用解决方案。储能系统业务涉及发电侧储能、电网侧储能、用电侧储能。循环回收业务主要依托子公司广东邦普打造电池生产、使用、梯次利用、回收与资源再生闭环。
3) 业绩表现
根据宁德时代2018至2020年报，2018年、2019年和2020年营业收入分别为296.11亿元、457.88亿元和503.19亿元，同比增长分别为48.08%、54.63%和9.9%；营业利润分别为41.68亿元、57.59亿元和69.59亿元，同比增长分别为-13.73%、38.15%和20.85%；净利润分别为33.87亿元、45.6亿元和55.83亿元，同比增长分别为-12.66%、34.64%和22.43%。
2. 比亚迪（002594.SZ）
1) 公司概况
比亚迪股份有限公司（以下简称“比亚迪”）是一家致力于“用技术创新，满足人们对美好生活的向往”的高新技术企业。比亚迪成立于1995年2月，经过20多年的高速发展，已在全球设立30多个工业园，实现全球六大洲的战略布局。比亚迪业务布局涵盖电子、汽车、新能源和轨道交通等领域，并在这些领域发挥着举足轻重的作用，从能源的获取、存储，再到应用，全方位构建零排放的新能源整体解决方案。
2) 核心产品
比亚迪核心业务涉及乘用车、商用车、轨道交通、电池和电子。比亚迪乘用车现已构建起传统燃油、混合动力、纯电动车全擎全动力产品体系。比亚迪商用车产品实现了城市公交、出租车、道路客运、城市商品物流、城市建筑物流、城市环卫，以及仓储、港口、机场、矿山等10个领域的全市场覆盖。“云轨”属于跨座式单轨一种，是比亚迪轨道交通产品品牌。为解决城市交通拥堵问题，比亚迪组建1000多人的研发团队，历时5年，累计投入50亿元，成功打造跨座式单轨“云轨”。电池业务涉及电池、太阳能和储能产品。电子业务包括电子产品金属、玻璃、陶瓷、复合板材等结构件，充电器、二次充电电池等零部件制造及整机设计、组装等。
3) 业绩表现
根据比亚迪2018至2020年报，2018年、2019年和2020年营业收入分别为1300.55亿元、1277.39亿元和1565.98亿元，同比增长分别为22.79%、-1.78%和22.59%；营业利润分别为42.42亿元、23.12亿元和70.86亿元，同比增长分别为-21.6%、-45.49%和206.44%；净利润分别为27.80亿元、16.14亿元和42.34亿元，同比增长分别为-31.63%、-41.93%和162.27%。
3. 赣锋锂业（002460.SZ）
1) 公司概况
江西赣锋锂业股份有限公司（以下简称“赣锋锂业”）成立于2000年3月2日。赣锋锂业是全球领先的锂化合物生产商及金属锂生产商。赣锋锂业是锂行业唯一同时拥有“卤水提锂”、“矿石提锂”和“回收提锂”产业化技术的企业，锂化合物产能全球第三、中国第一，金属锂产能全球第一；拥有完整的电池制造及回收技术，为电池生产商及电动汽车生产商提供可持续的增值解决方案。赣锋锂业于2010年8月10日登陆深交所中小板。
2) 核心产品
赣锋锂业业务贯穿资源开采、提炼加工、电池制造回收全产业链，产品被广泛应用于电动汽车、储能、3C产品、化学品及制药等领域。
3) 业绩表现
根据赣锋锂业2018至2020年报，2018年、2019年和2020年营业收入分别为50.04亿元、53.42亿元和55.24亿元，同比增长分别为14.15%、6.75%和3.41%；营业利润分别为13.71亿元、4.75亿元和11.35亿元，同比增长分别为-21.89%、-65.32%和138.78%；净利润分别为13.41亿元、3.58亿元和10.25亿元，同比增长分别为-8.7%、-73.31%和186.16%。
4. 国轩高科（002074.SZ）
1) 公司概况
国轩高科股份有限公司（以下简称“国轩高科”）是国内最早从事新能源汽车用动力锂离子电池（组）自主研发、生产和销售的企业之一。国轩高科成立于1995年1月23日，总部位于安徽合肥。国轩高科是中国动力电池产业最早进入资本市场的民族企业，于2015年5月成功上市。
2) 核心产品
国轩高科主要产品为磷酸铁锂材料及电芯、三元电芯、动力电池组、电池管理系统及储能型电池组。产品广泛应用于纯电动商用车、乘用车、物流车和混合动力汽车等新能源汽车领域，并与国内多家主要新能源整车企业建立了长期战略合作关系。
3) 业绩表现
根据国轩高科2018至2020年报，2018年、2019年和2020年营业收入分别为51.27亿元、49.59亿元和67.24亿元，同比增长分别为5.97%、-3.28%和35.6%；营业利润分别为6.39亿元、0.59亿元和1.68亿元，同比增长分别为-36.71%、-90.79%和184.78%；净利润分别为5.8亿元、0.51亿元和1.5亿元，同比增长分别为-30.75%、-91.17%和192.02%。
5. 珈伟新能（300317.SZ）
1) 公司概况
珈伟新能源股份有限公司（以下简称“珈伟新能”）成立于1993年7月17日，总部位于广东深圳。珈伟新能是全球太阳能结合LED商业化应用的先行者和开拓者，中国规模化出口太阳能LED应用产品的企业，全球太阳能LED景观灯具的领导者，对世界光伏照明行业的发展和中国光伏照明产业的形成做出了卓越的贡献。珈伟新能于2012年5月11日登陆创业板。
2) 核心产品
珈伟新能的核心业务包括：锂电储能、光伏电力和智慧照明。锂电储能业务涉及高性能锂离子电池及系统的研发、生产和销售。光伏电力业务涉及光伏电站领域的EPC建设与投资运营。智慧照明业务涉及庭院照明、LED照明及智能家居。
3) 业绩表现
根据珈伟新能2018至2020年报，2018年、2019年和2020年营业收入分别为16.9亿元、8.41亿元和8亿元，同比增长分别为-48.96%、-50.23%和-4.87%；营业利润分别为-19.26亿元、-10.38亿元和0.169亿元，同比增长分别为-605.91%、46.11%和101.63%；净利润分别为-19.9亿元、-10.75亿元和0.299亿元，同比增长分别为-786.44%、45.97%和102.78%。
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