固態(tài)電池介紹

分析師：許琳xulin@SAC執(zhí)證編號(hào)：S1440522110001分析師：劉溢liuyibj@SAC執(zhí)證編號(hào)：S1440523040001本報(bào)告由中信建投證券股份有限公司在中華人民共和國（僅為本報(bào)告目的，不包括香港、澳門、臺(tái)灣）提供。在遵守適用的法律法規(guī)情況下，本報(bào)告亦可能由中信建投（國際）證券有限公司在香港提供。核心觀點(diǎn)：全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化尚需時(shí)日，半固態(tài)電池寸積跬步，兼具固態(tài)、液態(tài)電解質(zhì)的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)下仍面臨電導(dǎo)率（倍率性能）、界面（循環(huán)壽命）和成本問題，發(fā)展方向上來看半）固態(tài)電池核心仍是電解質(zhì)，對(duì)于核心問題有較好解決的均有放量潛質(zhì)，推薦關(guān)注固態(tài)電解質(zhì)及鋰鹽、高性能正負(fù)極等。半固態(tài)電池有望實(shí)現(xiàn)高能量密度+高安全性。能量密度：目前主流三元液態(tài)電池一定安全性下已接近能量密度上限，當(dāng)前半固態(tài)電池能量密度已達(dá)到360wh/kg，后續(xù)將繼續(xù)突破。安全性：半固態(tài)電池電解液質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為5%-10%，固態(tài)電解質(zhì)的不易燃、零揮發(fā)，顯著提升了電池的熱穩(wěn)定性。當(dāng)下仍面臨電導(dǎo)率（倍率性能）、界面（循環(huán)壽命）和成本問題，發(fā)展方向上來看半）固態(tài)電池核心仍是電解質(zhì)，現(xiàn)階段多是聚合物+氧化物等，基于主流固態(tài)電解質(zhì)性能出發(fā)，后續(xù)為了綜合性能大概率延續(xù)復(fù)合體系的路徑，同時(shí)添加新型鋰鹽等，為了提升能量密度大概率要使用高性能正負(fù)極比如超高鎳、富鋰錳基、鋰金屬負(fù)極等，同時(shí)輔以外部加壓、電解質(zhì)厚度平衡等工藝優(yōu)化才可實(shí)現(xiàn)較好的性能。但就（半）固態(tài)產(chǎn)品而言性能是前提，成本是能否放量的基礎(chǔ)，或先在成本容忍度高的領(lǐng)域應(yīng)用，在新能源汽車領(lǐng)域應(yīng)用大概率要平衡一部分性能和成本，空間上看，預(yù)計(jì)2030年固態(tài)電池滲透率6%，需求合計(jì)約300GWh，未來幾年將迎來較快放量。產(chǎn)業(yè)進(jìn)展上看，寧德時(shí)代、衛(wèi)藍(lán)新能源、清陶能源、贛鋒鋰業(yè)等均有普遍進(jìn)展，國內(nèi)路徑主要是氧化物和聚合物，海外LGC等以硫化物路徑為主，目前主流供應(yīng)商已經(jīng)有在車型上搭載應(yīng)用的預(yù)期，預(yù)計(jì)后續(xù)是產(chǎn)業(yè)推進(jìn)的主力軍，其新產(chǎn)品的發(fā)布和推進(jìn)將引發(fā)行業(yè)變化。2投資建議：對(duì)于核心問題有較好解決的均有放量潛質(zhì)，推薦關(guān)注固態(tài)電解質(zhì)及鋰鹽、高性能正負(fù)極等。3半固態(tài)電池寸積跬步，向理想更進(jìn)一步“固態(tài)電池”涵蓋了一系列寬泛的概念（以電池內(nèi)部的液相占比大致區(qū)分）：準(zhǔn)固態(tài)電池、半固態(tài)電池、固態(tài)電池和全固態(tài)電固態(tài)電池研究者一般認(rèn)為，固態(tài)電池的能量密度更高、安全性更強(qiáng)。我們從部分公開了電池單體能量密度的企業(yè)信息出發(fā)直接比圖：固態(tài)電池兼顧安全和性能圖：固態(tài)電池包括準(zhǔn)固態(tài)電池、半固態(tài)電池、固態(tài)電池和全固態(tài)電池等中中優(yōu)優(yōu)中StabilityIssuesRelatedtoSolidElectrolytesandInterfaces，中信建投5固體電解質(zhì)和電解液一樣，都應(yīng)考慮離子導(dǎo)通、電子絕緣、和電極的物理接觸良好、抗正極氧化、說對(duì)鋰金屬的穩(wěn)定性非常重要）、電化學(xué)穩(wěn)定、熱穩(wěn)定、空氣穩(wěn)定、機(jī)械穩(wěn)定、各個(gè)指標(biāo)的對(duì)應(yīng)溫度特性好等性能需求，以及綜合成各類固體電解質(zhì)的性能表現(xiàn)各有所長，但是任何單一固體電解質(zhì)均無法取得令人滿意的綜合性能。整體看硫化物電導(dǎo)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，聚合物抗還原性較好且物理接觸較好但電導(dǎo)率較弱。固體電解圖：固態(tài)電解質(zhì)目前難兼顧穩(wěn)定、強(qiáng)韌、高導(dǎo)鋰能力體系導(dǎo)鋰機(jī)制材料導(dǎo)鋰能力熱穩(wěn)定性抗還原性抗氧化性空氣穩(wěn)定性電極物理接觸能力電化學(xué)穩(wěn)定性機(jī)械穩(wěn)定性對(duì)應(yīng)電池性能倍率性能安全性負(fù)極兼容正極兼容合成難度等循環(huán)性等合成難度等安全性等傳統(tǒng)電解液6F，LifSI等51232441聚合物鋰離子通常在聚合物的無定形區(qū)域進(jìn)行遷移32323332氧化物鋰離子在以陰離子為NASICON（LATP）石榴石（LLZO）3351343431434514硫化物框架的晶格間躍遷LISICON（LGPS）43231213LiAX4（Li2ZrCl6）332422236凝聚態(tài)電解質(zhì)即加入少量電解液使電極材料和電解質(zhì)間保持良好的界面接觸，再利用化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行原位聚合 ,使液體電解質(zhì)部分或全部轉(zhuǎn)化為固體電解質(zhì)的方式，解決部分界面問題（主要是循環(huán)性能），在電池體系設(shè)計(jì)上更易實(shí)現(xiàn)性能、成本兼顧。圖：凝聚態(tài)的基本原理和效果示意資料來源：HighPolymerizationConversionandStableHigh-VoltageChemistryUnderpinninganInSituFormedSolidElectrolyte，中信建投7圖：當(dāng)前半固態(tài)（凝聚態(tài)）電池已較液態(tài)電池顯露能量優(yōu)勢(shì)圖：半固態(tài)電池?zé)岱€(wěn)定性強(qiáng)，工作溫度更高0主流液態(tài)電池主流液態(tài)電池上限現(xiàn)有凝聚態(tài)電池8優(yōu)化方向：復(fù)合電解質(zhì)，新型鋰鹽，高性能正負(fù)極，隔膜涂環(huán)節(jié)年份2017以前2018-20212022-20232024-20252026+正極層狀氧化物中鎳三元應(yīng)用高鎳三元8系（容量↑能量密度↑)逐步應(yīng)用8系成熟，9系和高電壓逐步應(yīng)用，23年全球或40萬噸高鎳三元9系成熟，高電壓或逐步成熟，高性能三元長期份額全球30%-橄欖石磷酸鹽磷酸鐵鋰應(yīng)用磷酸鐵鋰優(yōu)化（壓實(shí)密度↑能量密度↑;壽命↑)磷酸鐵錳鋰逐步應(yīng)用（對(duì)鋰電壓↑能量密度↑),23年萬噸級(jí)別磷酸鐵錳鋰成熟，長期份額全球20%-其他---尖晶石鎳錳酸鋰、富鋰錳基正極有開始應(yīng)用可能持續(xù)關(guān)注新體系性能成本進(jìn)展人造/天然石墨人造石墨為主人造石墨為主，天然石墨部分回潮（成本↓)人造石墨為主，天然石墨部分回潮（成本↓)--負(fù)極硅碳/硅氧化物碳-低硅含量（5%以內(nèi)，容量↑能量密度↑)逐步應(yīng)用滲透率提升，硅含量增加（5%-10%），23年全球或4萬噸高硅含量（10%以上）逐步成熟，長期份額全球10%以上-其他---鋰金屬逐步取得進(jìn)展關(guān)注鋰金屬負(fù)極電解質(zhì)體電解液及添加劑6F和經(jīng)典體系6F和經(jīng)典體系LiFSI（倍率、溫度特性↑)逐步應(yīng)用，23年全球或5萬噸LiFSI逐步成熟，多種新型鋰鹽和添加劑逐步應(yīng)用-固體電解質(zhì)-初步研發(fā)和應(yīng)用初步研發(fā)和應(yīng)用氧化物、聚合物、硫化物、鹵化物尚難定論，或復(fù)合電解質(zhì)+干法/濕法隔膜濕法隔膜為主濕法隔膜為主濕法隔膜在線涂覆，干法隔膜低成本儲(chǔ)能應(yīng)用在線涂覆成熟，涂覆材料多樣化（氧化鋁，勃姆石，芳綸，PVDF，PMMA，固體電解質(zhì)）-導(dǎo)電劑碳管-碳管初步研發(fā)和應(yīng)用（電導(dǎo)↑)碳管滲透率提升碳管成熟-工藝氧化物共燒，加外壓等（可提升循環(huán)、倍率）9能量密度優(yōu)化方向：高性能正負(fù)極，多方面優(yōu)化硫（載于碳管上）正極-LGPS-鋰鋁合金負(fù)極電池（標(biāo)準(zhǔn)2032紐扣電池，估算在0.3Ah級(jí)別）的質(zhì)量能量密度達(dá)到541Wh/kg。圖：硫正極-LGPS-鋰鋁合金負(fù)極電池原理充分減薄固體電解質(zhì)，則三元正極-鋰金屬電池的體積能量密度表現(xiàn)突出，硫正極-鋰金屬電池的質(zhì)量能量密度表現(xiàn)突出，鐵鋰正極能指標(biāo)變化幅度略小，能量密度也較低。圖：典型正極-鋰金屬-固體電解質(zhì)體系的能量密度提升手段倍率性能優(yōu)化方向：硫化物、鹵化物摻雜+電解質(zhì)減薄件下可能存在的問題。典型能量型液態(tài)鋰電的倍率性圖：鋰電高倍率高能量密度電池已經(jīng)普及BEV：220~HEV：100~165~面對(duì)快充困境，鹵化物潛力有待挖掘。研究者合成了Li2In1/3Sc1/3Cl4固體電解質(zhì)，該電解質(zhì)搭配鈷酸鋰或者高鎳正極、鋰銦合金負(fù)圖：鈷酸鋰或三元正極-Li2In1/3Sc1/3Cl4固體電解質(zhì)-鋰銦合金負(fù)極電池的倍率性能資料來源：Higharealcapacity,longcyclelife4Vceramicall-solid-stateLi-ionbatteriesenabledbychloridesolidelectrolytes，中信建投對(duì)固態(tài)電解質(zhì)減薄將成為提升固體電解質(zhì)材料的鋰離子電導(dǎo)、降低電子電導(dǎo)的有效手段。Quantumscape宣稱其單層固態(tài)電池在加外圖：Quantumscape單層無負(fù)極鋰金屬電池的快充性能研究者設(shè)計(jì)了復(fù)合電解質(zhì)，對(duì)應(yīng)的高鎳三元正極（復(fù)合了約30%固體電解質(zhì)，所以容量有攤薄）-復(fù)合硫化物電解質(zhì)-石墨薄層-鋰金屬圖：不同固體電解質(zhì)對(duì)電池比容量的影響，LSPS中心電解質(zhì)對(duì)應(yīng)電池的性能資料來源：Adynamicstabilitydesignstrategyforlithiummetalsolidstatebatteries，中信建投循環(huán)壽命優(yōu)化方向：聚合物骨架+外壓合金負(fù)極制成電池并施加外壓。部分低正極載量樣品圖：高鎳三元正極-三維骨架聚合物-連續(xù)相硫化物固體電解質(zhì)-鋰銦合金負(fù)極電池的性能和壽命資料來源：SuperLong-CyclingAll-Solid-StateBatterywithThinLi6PS5Cl-BasedElectrolyte，中信建投安全性優(yōu)化方向：正極載量和電解質(zhì)厚度是關(guān)鍵釋放的氧可以擴(kuò)散至負(fù)極；一定條件下固體電解質(zhì)中也會(huì)生長鋰枝晶，可能觸發(fā)內(nèi)短路。加熱、短路、機(jī)械破壞等濫用時(shí)表現(xiàn)較好；但減薄電解質(zhì)、加厚電極的場(chǎng)景固態(tài)電池表現(xiàn)一般。圖：電解液體積分?jǐn)?shù)的增加會(huì)產(chǎn)生更多熱量圖：固態(tài)電解質(zhì)厚度降低會(huì)導(dǎo)致釋放熱量成比例增加資料來源：Aresolid-statebatteriessaferthanlithium-ionbatteries?，中信建投體系的優(yōu)化方向：復(fù)合體系是基礎(chǔ)倍率性能和循環(huán)性能的短板核心還是半固態(tài)電解質(zhì)導(dǎo)鋰能力弱，圖：聚合物+氧化物體系可以優(yōu)化倍率和循環(huán)性能圖：聚合物+氧化物體系可以優(yōu)化倍率和循環(huán)性能 增加聚合物機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性增加聚合物機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性），圖：摻雜少量納米LLZTO后PEO基電解質(zhì)的活化能變化，LLZTO尺寸對(duì)離子電導(dǎo)率的影響該固體電解質(zhì)和磷酸鐵鋰正極-鋰金屬負(fù)極組成固態(tài)電池后，60℃時(shí)以0.2C倍率循環(huán)200次，容量幾乎沒有衰減；而且在折疊、剪切等操作后，電池都非常安全。也有研究者以1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的LLZTO包覆正極，LLZTO高溫時(shí)作為補(bǔ)鋰劑，延遲正極層狀結(jié)構(gòu)的不可逆分解，抑制正極釋氧并提升安全圖：LATP-PE-PEO-LiFSI復(fù)合隔膜搭配鐵鋰、鋰金屬電池的性能和循環(huán)機(jī)理，LLZTO補(bǔ)鋰原理慮是滿足熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性等要求。圖：鋰鹽性能得分圖（除標(biāo)注外得分越高越優(yōu)秀）圖：PEO基于磺酰亞胺類鋰鹽的固體電解質(zhì)表現(xiàn)出較強(qiáng)的離子導(dǎo)電能力指標(biāo)適配電壓熱穩(wěn)定性化學(xué)穩(wěn)定性循環(huán)壽命低溫性能合成難度（分越高越簡單）成本（分越高成本越低）>5V>5V32345223353345235工藝：前段工序相同，后段增加加壓或燒結(jié)圖：典型電池技術(shù)路線的工藝性對(duì)比對(duì)比分析典型鋰離子電池、鈉離子電池、鋰硫電池，固態(tài)電池和鋰空氣負(fù)極的應(yīng)用、固體電解質(zhì)混料與包覆處理需要額外的工藝流程。從中、后段環(huán)節(jié)來看，固態(tài)電池需要加壓或燒結(jié)，不需要注液化成（固液混合資料來源：Post-lithium-ionbatterycellproductionanditscompatibilitywithlithium-ioncellproductioninfrastructure，中信建投有研究者歸納：氧化物需要燒結(jié)；硫化物需要加高壓且對(duì)氣氛很敏感；聚合物卷對(duì)卷工藝原理簡單但也面臨容易短路等問題。有研究者將固態(tài)電解質(zhì)的生產(chǎn)工藝分為濕法、干法兩條路徑，不同路徑各具優(yōu)勢(shì)。我們認(rèn)為，干法制取粉體比濕法生產(chǎn)料漿更便捷，濕法涂布后卷繞/疊片比干法燒結(jié)更利于規(guī)模化；選擇聚合物-無機(jī)物復(fù)合，或者原位圖：不同類型固體電解質(zhì)對(duì)應(yīng)固態(tài)電池的核心工藝濕法制膜工藝：利用極性溶劑、粘結(jié)劑和正極活性物質(zhì)或電解質(zhì)配成均勻溶液，再將溶劑蒸干得到電解質(zhì)膜。具有以下優(yōu)勢(shì)：圖：利用溶液澆鑄法制備固態(tài)電解質(zhì)膜干法制膜主要是利用粘結(jié)劑和活性材料或電解質(zhì)混合，通過輥壓等機(jī)械方法壓制成膜。其主要有以下優(yōu)點(diǎn)而進(jìn)一步提高電池的能量密度；圖：超薄Li5.4PS4.4Cl1.6電解質(zhì)膜制備示意圖成本及空間：成本仍需努力，預(yù)計(jì)2030年根據(jù)報(bào)道硫化物固體電解質(zhì)對(duì)應(yīng)的固態(tài)電池成本更低。國內(nèi)部分廠商披露半固態(tài)電芯成本在3元/Wh左右。和現(xiàn)有的液態(tài)電池體系作對(duì)比，固態(tài)電池如試圖取得單位能量的成本優(yōu)勢(shì)，需要同時(shí)在固體電解質(zhì)降本減量、電極適配、電池制造等方面取得資料來源：Batterycostforecasting:areviewofmethodsandresultswithanoutlookto全球鋰電需求測(cè)算（考慮庫存等）單位全球車用鋰電需求（半）固態(tài)滲透率（半）固態(tài)需求GWhGWh8460%111561%1215212%3041327%289全球小動(dòng)力鋰電需求GWh（半）固態(tài)滲透率（半）固態(tài)需求GWh0%00%01%12%2全球消費(fèi)鋰電需求GWh（半）固態(tài)滲透率（半）固態(tài)需求GWh3%36%510%915%18儲(chǔ)能鋰電需求GWh411（半）固態(tài)滲透率（半）固態(tài)需求GWh0%00%00%01%10全球鋰電需求合計(jì)GWh2,108（半）固態(tài)滲透率合計(jì)（半）固態(tài)需求合計(jì)GWh0%341產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)展廠商材料路線電解質(zhì)路線遠(yuǎn)期規(guī)劃進(jìn)展性能技術(shù)來源預(yù)計(jì)合作22年產(chǎn)能23年產(chǎn)能廠商材料路線電解質(zhì)路線遠(yuǎn)期規(guī)劃清陶能源氧化物高鎳三元、鈷酸鋰等+硅基負(fù)極量產(chǎn)400Wh/kg清華上汽、北汽、廣汽等1.72.735衛(wèi)藍(lán)新能源氧化物、硫化物、聚合物高鎳三元+硅基負(fù)極量產(chǎn)360Wh/kg物理所蔚來等2.25.250贛鋒鋰業(yè)聚合物及氧化物（LLZO、LATP、LAGP等，復(fù)合PVDF）高鎳三元+硅基/鋰金屬負(fù)極量產(chǎn)400Wh/kg寧波材料所東風(fēng)、賽力斯2440寧德時(shí)代聚合物、氧化物、硫化物/自研嵐圖等比亞迪氧化物、聚合物、硫化物高壓鎳錳酸鋰等/360Wh/kg國軒高科聚合物、氧化物（LLZTO或LATP等）高鎳三元+鋰金屬量產(chǎn)360Wh/kg中科大等高合22/蜂巢能源聚合物、氧化物、硫化物（LATP或LLZTO等）350-400Wh/kg孚能科技聚合物、氧化物330Wh/kg自研奔馳等氧化物輝能科技氧化物L(fēng)GES聚合物（PEO）、硫化物//自研聚合物2026年量產(chǎn)，硫化物2030年量產(chǎn)三星硫化物（LiPSCl）、聚合物高鎳三元+Ag-C負(fù)極量產(chǎn)400Wh/kg松下鹵化物豐田硫化物（硫銀鍺礦）高鎳三元+石墨負(fù)極豐田硫化物（硫銀鍺礦）高鎳三元+石墨負(fù)極自研SolidPower硫化物（LPSCl）350-560Wh/kg自研寶馬、福特QuantumScapeQuantumScape氧化物（LLZO）、硫化物（LSTPS）高鎳三元+鋰金屬負(fù)極核心問題解決將帶來相關(guān)領(lǐng)域放量，關(guān)注電向全固態(tài)體系探索過程中，諸多環(huán)節(jié)技術(shù)路徑存在不確定性，半固態(tài)電池相關(guān)體系已有雛形，核心問題解決將帶來相關(guān)領(lǐng)域放量，關(guān)注固態(tài)電解質(zhì)體系的奧克股份等，電解質(zhì)的天賜材料、瑞泰新材；高性能正負(fù)極的容百科技、當(dāng)升科技、貝特瑞、贛鋒鋰業(yè)（有色組覆蓋）等，封裝方式可展望軟包，關(guān)注紫江企業(yè)、明冠新材、恩捷股份等。圖：核心問題解決將帶來相關(guān)領(lǐng)域放量奧克股份，上海洗霸等奧克股份，上海洗霸等容百科技、當(dāng)升科技等容百科技、當(dāng)升科技等硅基硅基貝特瑞、杉杉股份等貝特瑞、杉杉股份等鋰金屬鋰金屬贛鋒鋰業(yè)、天齊鋰業(yè)等贛鋒鋰業(yè)、天齊鋰業(yè)等鋰鹽及添加劑鋰鹽及添加劑瑞泰新材瑞泰新材法實(shí)現(xiàn)從而破壞其應(yīng)用的底層邏輯；性能；在轉(zhuǎn)化風(fēng)險(xiǎn)；許琳：中信建投新能源汽車鋰電與材料首席分析師，7年主機(jī)廠供應(yīng)鏈管理+2年新能源車行業(yè)劉溢:上海交通大學(xué)材料學(xué)碩士，研究方向?yàn)樾履茉雌嚠a(chǎn)業(yè)鏈及新技術(shù)，2022年所在團(tuán)隊(duì)榮獲新財(cái)富最佳分析師評(píng)選第四報(bào)最佳電力設(shè)備新能源分析師第二名，金麒麟評(píng)選光伏設(shè)備第二名，金麒麟電池行業(yè)第三名，金麒麟新能源汽車第三名，水晶球新能源行業(yè)指數(shù)的漲跌幅作為基準(zhǔn)。A股市場(chǎng)以滬深300指數(shù)作為基準(zhǔn)；新三板市場(chǎng)以三板相對(duì)漲幅5%—15%相對(duì)跌幅5%—15%分析師聲明本報(bào)告署名分析師在此聲明i）以勤勉的職業(yè)態(tài)度、專業(yè)審慎的研究方法，使用合法合規(guī)的信息，獨(dú)立、客觀地出具本報(bào)告,結(jié)論不受任何第三方的授意或影響。（ii）本人不曾因，不因，也將不會(huì)因本報(bào)告中的具體推薦意見或觀點(diǎn)而直接或間接收到任何形式的補(bǔ)償。法律主體說明本報(bào)告由中信建投證券股份有限公司及/或其附屬機(jī)構(gòu)（以下合稱“中信建投”）制作，由中信建投證券股份有限公司在中華人民共和國（僅為本報(bào)告目的，不包括香港、澳門、臺(tái)灣）提供。中信建投證券股份有限公司具有中國證監(jiān)會(huì)許可的投資咨詢業(yè)務(wù)資格，本報(bào)告署名分析師所持中國證券業(yè)協(xié)會(huì)授予的證券投資咨詢執(zhí)業(yè)資格證書編號(hào)已披露在報(bào)告首頁。在遵守適用的法律法規(guī)情況下，本報(bào)告亦可能由中信建投（國際）證券有限