固態(tài)電池行業(yè)市場分析

固態(tài)電池行業(yè)市場分析一、固態(tài)電池：鋰二次電池的最終形態(tài)（一）固態(tài)電池具備能量密度與安全性雙重優(yōu)勢液態(tài)電池存在本征安全性問題，電解液成為關鍵。熱失控被認為是電池安全問題的主要原因，其結果可能會導致火災和爆炸，在電池熱失控過程中，電解液的易燃、易氧化、高化學活性的特點使其成為熱失控過程中的關鍵。熱失控誘因包括過充、外部加熱、內部短路和機械故障。在充放電過程中，往往會有一部分鋰無法嵌入負極，反而沉積在負極表面，形成鋰枝晶，鋰枝晶生長刺穿隔膜造成內短路，過熱開始。此后SEI膜、隔膜、電解質、正極材料相繼分解并釋放熱量、氧氣，助推熱量的進一步積累，最終達到電解液的燃燒條件，電池發(fā)生熱失控，最終起火、爆炸。固態(tài)電池采用固態(tài)電解質取代電解液，具備安全性優(yōu)勢。固態(tài)電池采用固態(tài)電解質部分或全部代替電解液。固態(tài)電解質主要包括聚合物、氧化物、硫化物三種類型。與電解液相比，固態(tài)電解質同時具備不易燃、耐高溫、化學活性低的特性，此外還具備一定的力學強度，可以更好的抑制鋰枝晶生長，抵抗外界應力沖擊，降低熱失控風險，從而大幅提高電池安全性能。固態(tài)電解質兼容更高比容量正負極材料，打開能量密度上升空間。“里程焦慮”是電動車領域始終繞不開的話題，也不斷推動著電池能量密度的不斷提高。正負極材料化學體系決定著電芯能量密度的上限。與電解液相比，固態(tài)電解質具備更高的安全性與更寬的電壓窗口，有望解決高壓正極材料如富鋰錳基、尖晶石鎳錳酸鋰與現(xiàn)有電解液不兼容的問題。固態(tài)電解質具備一定結構強度，可以補償負極材料尤其是硅基材料的體積變化應力，也不容易導致鋰損耗，提升硅基材料循環(huán)性能，從而使硅基負極向更高硅含量拓展。此外，固態(tài)電解質適配鋰金屬負極，有望最終實現(xiàn)鋰金屬電池的產業(yè)化。（二）全固態(tài)尚未成熟，半固態(tài)率先量產全固態(tài)電池界面接觸問題較為嚴重，工藝尚不成熟，生產成本高昂。固態(tài)電解質缺乏流動性，導致固-固接觸面積小，阻抗增大等問題出現(xiàn)，整體電導率較低，制約固態(tài)電池產業(yè)化應用。研發(fā)合適的固態(tài)電解質以及電極材料體系難度較大，且目前固態(tài)電池的工藝技術尚未成熟，特別是在大規(guī)模生產方面存在一些挑戰(zhàn)。此外，固態(tài)電池使用的材料多為新型材料，成本相對較高，由于制造工藝尚未成熟，生產設備和流程的投入也較大，導致在當前情況下固態(tài)電池的生產成本居高不下。半固態(tài)電池兼具性能與生產優(yōu)勢。半固態(tài)電池是液態(tài)電池向全固態(tài)電池過渡的中間方案，采用原位固化技術引入聚合物凝膠網絡，通過在正極材料、負極材料或隔膜兩側涂覆固態(tài)電解質，同時保留傳統(tǒng)液態(tài)電解液，實現(xiàn)固-液混合。與液態(tài)電池相比，半固態(tài)電池引入了固態(tài)電解質，可以在現(xiàn)有體系的基礎上提升能量密度與安全性；與全固態(tài)電池相比，半固態(tài)電池保留了部分電解液，改善了電導率以及界面接觸的問題。由于基本保留了液態(tài)電池結構，半固態(tài)電池與現(xiàn)有產線兼容度高，沒有對電池企業(yè)生產工藝帶來更大挑戰(zhàn)，綜合來看是行業(yè)目前更優(yōu)的選擇方案。半固態(tài)電池未來市場滲透率有望提升。考慮到固態(tài)電解質產業(yè)鏈發(fā)展尚處于早期，材料實際價格與原材料成本相差較大，加工成本高昂，我們認為隨著技術的不斷完善疊加規(guī)模效應，半固態(tài)有望率先在各個下游場景中得到應用。半固態(tài)電池可以適配更高比容量的正負極材料，能量密度提升后，單位成本有望進一步降低。綜合考慮半固態(tài)電池相比液態(tài)電池在安全性、能量密度上的優(yōu)勢，我們認為半固態(tài)電池具備較強市場競爭力，未來市場滲透率有望逐漸提升。二、產業(yè)化之路：動力電池半固態(tài)先行，消費領域多場景拓展（一）國內半固態(tài)電池率先產業(yè)化固態(tài)or半固態(tài)研發(fā)加速。2015年后國內企業(yè)不斷加大對固態(tài)電池領域研發(fā)力度，相關專利申請數(shù)量大幅上升，根據國家知識產權局網站檢索，目前共有3147項固態(tài)電池相關專利。國內半固態(tài)電池率先產業(yè)化。與海外企業(yè)直接專注于全固態(tài)動力電池不同，國內企業(yè)以市場驅動為主，主要布局目前可量產的半固態(tài)電池路線。早在2020年12月，蜂巢能源就推出了“果凍電池”，基于聚合物凝膠化技術，起到“不起火、不冒煙、自愈合”的效果。贛鋒鋰業(yè)第一代半固態(tài)電池能量密度為260Wh/kg，第二代固態(tài)電池采用鋰金屬負極，能量密度達400Wh/kg，安全性達到車規(guī)要求。國軒高科360Wh/kg高比能半固態(tài)電池已通過新國標安全測試并進入產業(yè)化階段。億緯鋰能22年12月發(fā)布50Ah軟包半固態(tài)電池，能量密度330Wh/Kg，循環(huán)壽命超過1000次，使用溫度可拓展到-20℃-80℃，已完成設計定型，處于裝車驗證階段。2023年4月，寧德時代推出凝聚態(tài)電池，兼具高比能+高安全，能量密度更是高達500Wh/kg，打破當前體系能量密度天花板，滿足航空級的質量與安全要求。半固態(tài)電池裝車量產加速驗證。目前半固態(tài)電池已經在相關車型上得以量產驗證。東風旗下已有兩款搭載半固態(tài)電池車型，22年E70實現(xiàn)首批小規(guī)模交付，23年嵐圖追光正式量產，但其電池性能相較于目前液態(tài)電池而言并不具備優(yōu)勢。蔚來ET7可搭載衛(wèi)藍新能源研發(fā)的360Wh/kg電芯，續(xù)航可突破1000公里，于今年6月底實現(xiàn)交付，進入量產階段。賽力斯SERES5搭載贛鋒鋰業(yè)第一代固態(tài)電池，能量密度為260Wh/kg，今年6月已經實現(xiàn)首批交付。上汽、長安、廣汽、北汽等車企也都推出了半固態(tài)電池的裝車計劃。（二）全固態(tài)電池量產仍需時日海外專注于全固態(tài)電池，大規(guī)模裝車仍需時日。早在2011年，法國Bolloré就推出了搭載固態(tài)電池的乘用車BlueCar，成為首個實現(xiàn)聚合物電解質固態(tài)電池商業(yè)化的公司，但當時固態(tài)電池相比液態(tài)電池并不具備性能優(yōu)勢。美國擁有多家固態(tài)電池獨角獸公司，主要專注于全固態(tài)電池，技術類型多樣，聚合物、氧化物、硫化物均有布局。日韓多家巨頭公司布局固態(tài)電池領域較早，主要專注于硫化物全固態(tài)電池。豐田突破全固態(tài)電池核心技術，挑戰(zhàn)2027年量產裝車。此前，全固態(tài)電池循環(huán)壽命較短是核心難題。固體電解質隨著電池的充放電反復膨脹和收縮，可能會引發(fā)龜裂，導致鋰離子在正負極之間的流動會變得困難。2023年7月，豐田正式宣布，已經發(fā)現(xiàn)了克服這一難題的新技術，其研發(fā)的全固態(tài)電池充電不到10分鐘即可行駛約1200公里。豐田預計其全固態(tài)電池將全面進入面向量產研發(fā)的階段，未來將搭載到BEV車型上，計劃在2027~28年投入實際應用。三星全固態(tài)電池進入中試階段，預計2027年量產。2021年底，三星SDI推出全新電池品牌“PRiMX”，并宣布了全固態(tài)電池產業(yè)化規(guī)劃。三星在2021年已經完成了PPScaleMaterial層面的工作，2022年全固態(tài)電池中試生產試驗線在水原市開工，公司規(guī)劃2025年開發(fā)出全固態(tài)電池原型產品，2027年實現(xiàn)量產。三星SDI的全固態(tài)電池結合了NCA高鎳技術、高性能硫化物型固態(tài)電解質、新型陰極和堆疊技術，可以實現(xiàn)更高的安全性以及整車輕量化效果。（三）3C數(shù)碼、無人機應用場景拓展聚合物固態(tài)電池率先應用于消費領域。在消費電池領域，聚合物固態(tài)電池又被成為鋰聚合物電池，得益于其能量密度高、靈活性強、小型化、超薄化、輕量化、高安全性的優(yōu)勢，在PDA、筆記型電腦、手機、無人機和電子煙領域中占有重要定位。從2007年的第一代iPhone開始，蘋果發(fā)布的iPhone、iPad廣泛使用鋰離子聚合物電池。大疆多款無人機也搭載了鋰聚合物電池。氧化物、硫化物未來有望突破。除已經被廣泛應用的聚合物體系以外，氧化物、硫化物體系未來在消費電池領域也有望突破。2023年3月，小米發(fā)布了預研的固態(tài)電池技術，采用正極涂覆氧化物電解質，適配鋰金屬負極，不僅實現(xiàn)6000mAh超大容量、能量密度突破1000Wh/L，更大幅提升低溫放電性能和安全性能。2023年5月，據韓媒TheElec報道，三星SDI在加大動力電池研發(fā)的同時，也計劃將開發(fā)的硫化物固態(tài)電池應用在智能手機等移動設備上。三、固態(tài)電解質：固態(tài)電池的核心組件（一）固態(tài)電解質為核心組件，包含聚合物、氧化物與硫化物三種類型固態(tài)電池中固態(tài)電解質為核心組件，包含聚合物、氧化物與硫化物三種類型。在固態(tài)電池中，固態(tài)電解質代替電解液，起到離子導體的作用。與液態(tài)相比，其安全性更高，且更適配高比容量正負極材料體系，但電導率相對較低，且與正負極材料接觸由固-液界面替換成了固-固界面，導致界面接觸問題較為嚴重。目前固態(tài)電解質主要包含聚合物、氧化物與硫化物三種類型，各具特點。（二）聚合物：兼具柔性與低成本，與現(xiàn)有產線兼容度高聚合物電解質兼具柔性與低成本，率先實現(xiàn)商業(yè)化運用。聚合物電解質采用高分子聚合物為電解質基體，添加導電鋰鹽，構成離子傳導網絡。聚合物電解質具備柔性與易加工的特點，界面接觸相對較好。其主要基于現(xiàn)有的高分子材料體系，且與現(xiàn)有液態(tài)電池產線兼容度高，生產成本相對較低。早在2011年，法國Bolloré就已經推出了搭載固態(tài)電池的乘用車BlueCar，率先實現(xiàn)聚合物固態(tài)電池的商業(yè)化應用。電導率與穩(wěn)定性相對較低，抑制鋰枝晶能力有限。聚合物電解質短板主要是其較低的室溫電導率，與氧化物、硫化物存在數(shù)量級以上的差距，故往往需要提升工作溫度。聚合物依然基于有機物體系，其熱穩(wěn)定性相對較低，電壓窗口較低（＜4V），高壓下易氧化，與三元材料穩(wěn)定性有限。聚合物材料硬度較低，抑制鋰枝晶能力有限。體系組合多樣化，LiTFSI占比將會提升。在聚合物電解質中，可以采用不同種類、不同比例的高分子聚合物以及導電鋰鹽的組合，具備較高的靈活性，可以更好的適配應用場景的需要。PEO是以往研究中最早、應用最廣泛的聚合物電解質基質，對鋰鹽具有良好的親和力，對金屬鋰具有良好的相容性。與電解液相比，在聚合物電解質中，鋰鹽溶解、解離難度更大，需要通過增大陰離子半徑實現(xiàn)電荷更高程度的離域化，減少離子間的相互作用，從而提高電導率和溶解性。PEO基電解質中最常用的鋰鹽是LiN(CF3SO2)2（LiTFSI），與其他鋰鹽相比，它降低了PEO的結晶度，因此提高了聚合物-鋰鹽絡合物的離子導電性。（三）氧化物：穩(wěn)定性突出，綜合性能優(yōu)秀氧化物電解質穩(wěn)定性突出，綜合性能優(yōu)秀。氧化物固態(tài)電解質具有相對較高的離子電導率和更高的熱穩(wěn)定性，還具備最高的電壓窗口（＞5V），可以更加適配高壓正極材料體系。此外，氧化物電解質具備更高的硬度，能夠有效抑制鋰枝晶生長，提升電池安全性能。氧化物電解質的制備對環(huán)境要求不苛刻，成本適中，易于大規(guī)模生產和應用。LLZO、LATP應用前景較大。氧化物電解質包括鈣鈦礦型、反鈣鈦礦型、NASICON型、LiSICON型、石榴石型與LiPON型。鈣鈦礦型代表材料為LLTO，它具有更高的晶體電導率與穩(wěn)定的結構，但其晶界電導率較低限制了總電導率，對鋰金屬不穩(wěn)定也限制了對鋰金屬負極的適配。NASICON型代表材料為LATP與LAGP，同樣具備高環(huán)境穩(wěn)定性，且穩(wěn)定電位可達5V，適配高壓正極材料，但是LATP依然存在對鋰金屬不穩(wěn)定的問題，LAGP由于存在鍺元素，成本過于高昂。石榴石型代表材料為LLZO，它具有高總離子電導率，高穩(wěn)定電壓（6V），更好的熱穩(wěn)定性，且對鋰金屬穩(wěn)定，潛力更大。LiPON型為非晶態(tài)材料，綜合性能優(yōu)秀，但往往只能用于薄膜類材料。氧化物存在脆性較大和界面接觸的問題。氧化物脆性較大，導致負極充放電中體積變化無法補償，在外力作用下也更容易破裂，也導致界面問題較為嚴重，難以單獨使用。工藝上，氧化物需要高溫燒結，較為復雜，且?guī)砟芎膯栴}。（四）硫化物：電導率相對更高，兼具柔性可加工硫化物室溫電導率更高，兼具柔性可加工，遠期更具潛力。硫化物室溫電導率更高，已接近電解液電導率水平，還具備良好的柔性，使其能夠與活性材料形成更好的界面，更好的補償體積變化。在具備一定柔性的同時，硫化物也有強的抑制鋰枝晶能力，為動力電池應用場景中理論潛力最高的材料體系。工藝上，硫化物易于加工，可以通過冷壓法制造，避免了氧化物的高溫燒結步驟，但部分工藝需要惰性氛圍，生產成本高，目前難以規(guī)?；PS型與argyrodite型應用前景較大。硫化物電解質包括LPS、argyrodite型、thio-LISICON型與LGPS型。LPS主要為非晶態(tài)材料，代表材料為Li3PS4、Li7P3S11，其熱穩(wěn)定性好，成本較其它硫化物低，但其離子電導率相對其它硫化物也較低。argyrodite型代表材料為Li6PS5X(X=Cl,Br,I)，其離子電導率較高，對鋰金屬也相對穩(wěn)定，潛力更大。thio-LISICON型代表材料為Li3.25Ge0.25P0.75S4，性能相較其它硫化物不夠突出，應用潛力不大。LGPS型代表材料為Li10GeP2S12(LGPS)，Li10SiP2S12(LSPS)，具備更高的離子電導率，然而其對鋰金屬不穩(wěn)定、含有高成本的鍺等因素限制較大，有待進一步研發(fā)。穩(wěn)定性問題較為嚴重，尚處于研發(fā)階段。硫化物電解質對空氣、水分敏感，會產生有害氣體硫化氫；界面穩(wěn)定性不高，導致更高的界面電阻；電壓窗口較低（1.7-2.3V），易氧化。硫化物電解質各方面穩(wěn)定性問題較為嚴重，需要通過摻雜、涂層、包覆等策略解決，導致較高的研發(fā)難度，目前還沒有進入產業(yè)化階段。四、投資分析（一）清陶能源背靠院士技術團隊，攻克固態(tài)電解質核心技術。清陶（昆山）能源發(fā)展股份有限公司成立于2016年，由中科院院士、清華大學教授南策文團隊領銜創(chuàng)辦?，F(xiàn)已建成“新能源材料—固態(tài)鋰電池—自動化裝備—鋰電池資源綜合利用—科研成果孵化—產業(yè)投資”的完整產業(yè)生態(tài)鏈，與多家主流車企建立了長期合作關系。公司歷經多輪融資，估值超240億。清陶構建了自主可控的知識產權體系，已申請國家專利500多項，獲得授權300多項。目前已突破固態(tài)電解質材料（LLTO、LLZO）生產技術，可通過流延成型等多種方法制備出氧化物-聚合物復合全固態(tài)電解質膜，也可以生產多功能復合隔膜。目前產能1.7GWh，遠期規(guī)劃超35GWh。2018年11月，清陶能源建成全國首條可量產固態(tài)鋰電池產線并正式投產，年產能0.1GWh。2020年7月企業(yè)在江西宜春建成1GWh動力型固態(tài)電池產線。23年2月，清陶新固態(tài)鋰電池產業(yè)化項目在昆山破土動工，建成后年產能將達到10GWh。同月，公司與成都郫都區(qū)達成戰(zhàn)略合作，將投資100億元，建設15GWh清陶能源動力固態(tài)電池儲能產業(yè)基地。公司核心生產設備和電解質材料均為自研自產，產業(yè)化進度業(yè)界領先。截至目前公司固態(tài)電池總產能為1.7GWh，在建產能10GWh，遠期規(guī)劃超35GWh。牢牢綁定上汽集團，積極推進產業(yè)鏈合作。從2018年開始，清陶能源和上汽集團就圍繞固態(tài)電池展開了技術合作；2020年，上汽投資了清陶；2022年，雙方成立聯(lián)合實驗室；2023年，雙方成立了合資公司。共同研發(fā)的固態(tài)電池產品將搭載于上汽智己、飛凡、榮威、MG等車型上，預計2025年將達10萬輛的規(guī)模。此外，公司還與當升科技、翔豐華、利元亨分別在正負極材料、生產設備上達成戰(zhàn)略合作協(xié)議。（二）衛(wèi)藍新能源背靠中科院物理所，技術實力雄厚。北京衛(wèi)藍新能源科技有限公司成立于2016年，位于北京房山竇店。公司由中國工程院院士陳立泉、中科院物理所研究員李泓、原北汽新能源總工俞會根共同發(fā)起創(chuàng)辦，是中國科學院物理研究所清潔能源實驗室固態(tài)電池技術的唯一產業(yè)化平臺。公司專注于固態(tài)鋰電池研發(fā)與生產，擁有系列核心專利與技術，應用覆蓋新能源車船、規(guī)模儲能等行業(yè)領域。截至2022年11月，衛(wèi)藍新能源共獲8輪融資，估值已超150億元，投資方包括小米集團、蔚來資本、華為、天齊鋰業(yè)等。目前產能6GWh，遠期規(guī)劃近130GWh。公司已在北京房山、江蘇溧陽、浙江湖州、山東淄博規(guī)劃了4大生產基地。截至23年8月，公司已有6GWh半固態(tài)電池產能，遠期規(guī)劃近130GWh。其中，2020年7月溧陽基地實現(xiàn)270Wh/kg半固態(tài)電池量產，產能為0.2GWh。湖州項目一期2GWh已達產；二期總投資109億元，占地約497畝，建成后將形成年產20GWh固態(tài)鋰離子電池的生產能力，已于今年7月奠基開工。22年2月，衛(wèi)藍新能源山東淄博電池工廠正式開工，項目一期投資102億元，年產能為20GWh，全基地產能遠期規(guī)劃為100GWh。北京房山基地規(guī)劃產能8GWh，正在穩(wěn)步推進中。供貨蔚來，推進產業(yè)鏈上下游合作。衛(wèi)藍新能源與蔚來合作研發(fā)半固態(tài)電池，產品能量密度達360Wh/kg，單次充電續(xù)航1000公里，23年6月底實現(xiàn)交付，將搭載在蔚來ET7車型上。2021年2月，公司與恩捷股份、天目先導成立合資公司江蘇三合，合作研發(fā)半固態(tài)電池涂層隔膜。此外，公司還先后與當升科技、容百科技、天齊鋰業(yè)達成了正、負極材料方面的戰(zhàn)略合作協(xié)議。（三）金龍羽與重慶大學團隊合資，完成新能源布局。金龍羽主營業(yè)務為電線電纜的研發(fā)、生產、銷售與服務，主要產品包括電線和電纜兩大類。2021年8月，公司全資子公司電纜實業(yè)與重慶錦添翼簽訂合作協(xié)議，合作進行固態(tài)電池及其關鍵材料相關技術的研究開發(fā)，并推動研究成果產業(yè)化。重慶錦添翼由重慶大學教授李新祿教授100%持股，李新祿教授團隊具備20多年鋰離子電池領域研究基礎，已成功掌握了氧化物固態(tài)電解質的宏量制備、硅碳負極材料的批量化生產、固態(tài)電芯的原位集成等研究成果。固態(tài)電解質、半固態(tài)電芯處于中試階段。截至2023年半年報，公司已經完成半固態(tài)電芯主輔料的來料檢測、驗證、篩選和導入，研發(fā)了半固態(tài)電芯中試線的生產工藝，各項性能指標尚在測試與改進。固態(tài)電解質方面，公司在已有固態(tài)電解質中試線的基礎上研發(fā)了漿料以及涂層隔膜的合成工藝，各項性能均在測試與改進。此外，硅碳負極材料、磷酸鹽正極材料的合成工藝也在研發(fā)中。（四）瑞泰新材新型鋰鹽產品順利導入固態(tài)電池。瑞泰新材主營業(yè)務包括電池材料以及有機硅等化工新材料的研發(fā)、生產和銷售。公司的主要產品包含鋰離子電池電解液、鋰離子電池電解液添加劑、超電產品、硅烷偶聯(lián)劑等。公司在固態(tài)電池、鋰硫電池以及鈉離子電池等新型電池材料方面皆存在相應布局，部分新型鋰鹽產品在固態(tài)鋰離子電池中已形成批量銷售。（五）奧克股份環(huán)氧乙烷龍頭，有望受益PEO需求增加。奧克股份主營業(yè)務為環(huán)氧乙烷、乙烯衍生綠色低碳精細化工高端新材料的研發(fā)與生產銷售，主要產品有聚醚單體、聚乙二醇、碳酸酯、環(huán)氧乙烷。公司已經成為國內環(huán)氧乙烷衍生精細化工新材料行業(yè)的第一品牌和國際環(huán)氧乙烷精深加工產業(yè)的知名品牌。環(huán)氧乙烷為聚環(huán)氧乙烷（PEO）單體，公司也有開展固態(tài)電池電解質的高分子量基聚氧乙烯醚(PEO別名)的合成工藝技術的研究。（六）貝特瑞硅基負極布局領先，開展固態(tài)電解質研發(fā)。貝特瑞主營業(yè)務為生產經營鋰離子電池正極材料和負極材料，為負極材料行業(yè)頭部公司之一。公司在硅基負極上布局行業(yè)領先，截至22年年報，產能達5000噸/年，硅碳負極材料比容量達到1800mAh/g以上，硅氧負極材料比容量達到1400mAh/g以上。2022年3月24日，公司與深圳市光明區(qū)人民政府簽署《貝特瑞高端鋰離子電池負極材料產業(yè)化項目投資合作協(xié)議》，在深圳市光明區(qū)內投