布局固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈

布局固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈固態(tài)電池成為新能源行業(yè)的“新風口”。隨著全球能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型和新能源汽車市場的快速增長，市場對高性能、高安全性電池的需求日益增加。固態(tài)電池理論上具備更高的能量密度、更好的熱穩(wěn)定性、更長的循環(huán)壽命等優(yōu)點，成為未來大容量電池的發(fā)展方向。11月18日，全球首條GWh級新型固態(tài)電池生產(chǎn)線正式落戶安徽蕪湖。根據(jù)《安徽日報》報道，該生產(chǎn)線規(guī)劃了5GWh固態(tài)新一代電池研發(fā)中心和高集成自動化生產(chǎn)線，此次落地的首條生產(chǎn)線設(shè)計產(chǎn)能1.25GWh。億歐智庫發(fā)布《2024中國全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)研究報告》表示，全固態(tài)電池因其卓越的安全性、高能量密度和長循環(huán)壽命等特性，成為能源存儲和動力電池領(lǐng)域的研究熱點。這種電池技術(shù)不僅對電動汽車行業(yè)的未來至關(guān)重要，也是推動能源革命和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。招商證券認為，目前傳統(tǒng)液態(tài)鋰電技術(shù)迭代已達瓶頸，而固態(tài)電池在兼顧高能量密度和本征安全性兩方面具有顯著優(yōu)勢，有望成為未來電池技術(shù)的重要發(fā)展方向，為相關(guān)企業(yè)帶來巨大的市場機遇。固態(tài)電池作為一項革命性的技術(shù)，被眾多車企與能源企業(yè)視為未來相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)生變革的核心；率先在固態(tài)電池領(lǐng)域取得突破的企業(yè)，勢必將改變現(xiàn)有的市場發(fā)展格局，成為能引領(lǐng)新能源汽車行業(yè)未來發(fā)展的新巨頭。全球電動化快速發(fā)展，鋰離子電池憑借高能量密度、長循環(huán)壽命等優(yōu)勢成為消費電子、新能源汽車、儲能等諸多下游行業(yè)主要供能載體，支撐全球電動化進程。但與此同時，液態(tài)電池仍然存在著一些問題制約其未來的發(fā)展與應(yīng)用。一是安全問題，液態(tài)鋰電池結(jié)構(gòu)中的電解液和隔膜可能引發(fā)安全性問題；二是能量密度問題，目前液態(tài)鋰電池的能量密度天花板是300Wh/kg。固態(tài)電池作為能夠大幅提升鋰電池能量密度，提升電池安全性的下一代電池核心技術(shù)，受到新能源汽車與鋰電池行業(yè)重點關(guān)注。固態(tài)電池相比傳統(tǒng)鋰電池，采用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)液體電解液提供離子傳導路徑，降低漏液短路風險，提升電池安全性，同時固態(tài)電解質(zhì)可以承受更高電壓、電流，打開鋰電池能量密度天花板，成為全面提升鋰電池性能的必然選擇。根據(jù)慧博投研的總結(jié)，固態(tài)電池相較液態(tài)鋰離子電池主要有兩大核心優(yōu)勢，即，高安全性和高能量密度。固態(tài)電池核心優(yōu)勢之一為其具有高安全性，主要由于其以熱穩(wěn)定性強、不易燃的固態(tài)電解質(zhì)，替代易燃的液態(tài)電解液，大幅降低電池自燃、爆炸風險。此外，固態(tài)電解質(zhì)具有更高的機械強度，能更好地抵抗電池內(nèi)部的機械應(yīng)力，防止鋰枝晶穿透隔膜導致短路。同時，其化學穩(wěn)定性強，不易與電極材料發(fā)生反應(yīng)，進一步增加電池穩(wěn)定性。因此，機械濫用、電濫用、熱濫用三大鋰電池熱失控主要成因，在固態(tài)電池的應(yīng)用下均得到良好的解決，固態(tài)電池安全性較液態(tài)電池大幅提升。固態(tài)電池另一大核心優(yōu)勢為能量密度大幅提升。當前，液態(tài)鋰電池能量密度已經(jīng)逐漸逼近上限（350Wh/kg），而固態(tài)電池可以輕松實現(xiàn)350Wh/kg-400Wh/kg的能量密度。據(jù)介紹，從材料和性能組合考慮，固態(tài)電池的能量密度極限可以達到1000Wh/L左右，換算成重量能量密度大約為500Wh/kg?？梢云ヅ涓吣苷龢O和鋰金屬負極更是全固態(tài)電池提升能量密度的獨有優(yōu)勢。固態(tài)電池提升能量密度主要通過：一是以固態(tài)電解質(zhì)替代液態(tài)電解質(zhì)與隔膜，減少電池內(nèi)部非活性材料，增加有效儲能空間；二是固態(tài)電解質(zhì)不易燃，不揮發(fā)，也不易引起電池內(nèi)部短路，使電池可以承受更高電壓，使用更廣泛的電極材料，如金屬鋰負極、富鋰錳基等，同時提升正負極材料比容量及電壓平臺，進而提升能量密度；三是結(jié)構(gòu)優(yōu)化，由于沒有液態(tài)電解質(zhì)，固態(tài)電池結(jié)構(gòu)設(shè)計可以更緊湊，減少電池組件之間的空間，從而提高體積能量密度。除高安全性及能量密度，固態(tài)電池具有更好的低溫性能。液態(tài)電池在低溫下，由于電解液粘度增加，鋰離子電導率降低，電池內(nèi)阻上升，容量損失較大，甚至可能因電解液凝固導致電池無法正常工作。固態(tài)電池由于使用固態(tài)電解質(zhì)，避免了液態(tài)電解質(zhì)的這些問題，根據(jù)相關(guān)研究資料，聚合物固態(tài)電池在-20℃的表現(xiàn)遠優(yōu)于液態(tài)電池，且在-50℃條件下仍能正常工作。根據(jù)山西證券研報，全固態(tài)電池量產(chǎn)仍面對挑戰(zhàn)，半固態(tài)電池率先產(chǎn)業(yè)化。如大多數(shù)固態(tài)電解質(zhì)中的離子擴散速率與液態(tài)電解質(zhì)存在數(shù)量級差異、固固界面難以始終保持良好接觸等。而半固態(tài)電池安全性、倍率性能介于液態(tài)和全固態(tài)之間，相比于全固態(tài)電池，半固態(tài)可以兼容現(xiàn)有液態(tài)電池工藝設(shè)備和材料，許多企業(yè)選擇從液態(tài)到半固態(tài)再到全固態(tài)的漸進式發(fā)展路線。未來隨著材料體系創(chuàng)新、工藝創(chuàng)新持續(xù)降本、設(shè)備創(chuàng)新實現(xiàn)量產(chǎn)，鋰電池將逐步邁入全固態(tài)。固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈與液態(tài)鋰電池大致相似，也包括上游資源端、中游制造端和下游應(yīng)用端，兩者主要的區(qū)別在于中游材料端負極材料和電解質(zhì)的不同，在正極材料方面基本一致。未來隨著半固態(tài)電池逐步發(fā)展至全固態(tài)電池，隔膜也將被替代。同液態(tài)電池類似，固態(tài)電池整體成本主要由電池材料成本及電池生產(chǎn)成本構(gòu)成，其中材料成本占據(jù)了較大占比。材料成本包括正極、負極材料、電解質(zhì)、集流體、結(jié)構(gòu)件等組成。其中，固態(tài)電解質(zhì)是固態(tài)電池的核心部件，也是固態(tài)電池中變化最大的環(huán)節(jié)。固態(tài)電解質(zhì)在固態(tài)電池中起到鋰離子傳輸?shù)茸饔茫枪虘B(tài)電池中的核心部件，其性能也很大程度上決定了固態(tài)電池的各項性能參數(shù)，如電池的功率密度、循環(huán)穩(wěn)定性、安全性能、高低溫性能以及使用壽命等。固態(tài)電解質(zhì)根據(jù)材料類型不同，大致可以分為聚合物、氧化物、硫化物三類固態(tài)電解質(zhì)，其性能各有優(yōu)劣。目前全球固態(tài)電池企業(yè)都在不同的電解質(zhì)體系上進行技術(shù)研發(fā)，其中日韓和歐美等海外企業(yè)更傾向于硫化物技術(shù)路線，致力于全固態(tài)電池的開發(fā)，產(chǎn)業(yè)化進程相對緩慢；而國內(nèi)企業(yè)多數(shù)選擇氧化物技術(shù)路線，研發(fā)的產(chǎn)品多為半固態(tài)電池。硫化物電解質(zhì)相比于氧化物和聚合物電解質(zhì)具有更高的導離子率，室溫下可達到10-3S/cm，是理想的固態(tài)電池電解質(zhì)材料，依然是全固態(tài)電池技術(shù)首選。正極材料方面，當前應(yīng)用于液態(tài)鋰離子電池的正極材料可用于全固態(tài)鋰電池，如市場主流的磷酸鐵鋰等正極體系。全固態(tài)電池正極一般采用復合電極，除了電極活性物質(zhì)外還包括固態(tài)電解質(zhì)和導電劑，在電極中起到傳輸離子和電子的用途。鈷酸鋰、錳酸鋰等氧化物正極在全固態(tài)電池中應(yīng)用較為普遍。除了氧化物正極，硫化物正極也是全固態(tài)電池正極材料一個重要組成部分，這類材料普遍具有高的理論比容量，比氧化物正極高出幾倍甚至一個數(shù)量級，與導電性良好的硫化物固態(tài)電解質(zhì)匹配時，由于化學勢相近，不會造成嚴重的空間電荷層效應(yīng)，得到的全固態(tài)電池有望實現(xiàn)高容量和長壽命的實周要求。然而，硫化物正極與電解質(zhì)的固-固界面仍存在接觸不良、阻抗高、無法充放電等問題。在固態(tài)電池的眾多正極材料中，高鎳三元正極材料因具有比容量高、成本較低等優(yōu)勢，而被認為是未來的發(fā)展方向。負極材料方面，興業(yè)證券表示，固態(tài)電池負極材料中鋰金屬負極性能最優(yōu)。目前，固態(tài)電池負極材料主要分為金屬鋰負極、碳族負極和氧化物負極三大類。碳族負極是目前應(yīng)用于鋰離子電池的主要負極材料，金屬鋰負極被認為是鋰離子電池負極材料的最終目標。金屬鋰是全固態(tài)電池最重要的負極材料，具有容量高（理論容量高達3860mAh/g）和電位低的優(yōu)點，是負極材料的最終形態(tài)。但鋰在循環(huán)過程會產(chǎn)生鋰枝晶，有短路等安全隱患；化學穩(wěn)定性差，易與空氣中的氧和水分等發(fā)生反應(yīng)，給鋰金屬的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用造成困難。碳族負極材料以石墨材料為代表，電壓平臺高、充放電效率高，具有的層狀結(jié)構(gòu)利于鋰離子的脫嵌過程，但石墨材料理論容量僅372mAh/g，限制了碳材料的應(yīng)用。碳族材料除碳基材料外，還包括錫基和硅基材料。錫基材料理論容量為994mAh/g，是石墨材料的兩倍多，但錫基材料循環(huán)性能差、可逆容量低等問題對其商業(yè)化應(yīng)用造成了直接影響。硅基材料導電率高，穩(wěn)定性好，能量密度可達4200mAh/g，是一類前景較好的材料。但硅基材料的制備工藝復雜，充放電過程中由于鋰離子的反復嵌入脫出導致材料形變較大，目前工業(yè)上主要通過與石墨復合制備硅碳負極材料來解決。鋰金屬負極的使用可以進一步提升固態(tài)電池能量密度，鋰金屬負極同樣面臨技術(shù)挑戰(zhàn)。鋰金屬負極面臨的最難解決的調(diào)整是金屬鋰與液體電解質(zhì)的副反應(yīng)，金屬鋰表面直接接觸電解液就會發(fā)生化學反應(yīng)，形成表面不均勻的固態(tài)電解質(zhì)膜（SEI），在充放電過程中金屬鋰會發(fā)生溶解和沉積，導致初始與其表面接觸較好的SEI在這一過程中逐漸脫落或物理接觸變差，這與鋰離子電池的碳等類型的負極表面可以生長穩(wěn)定的SEI膜有顯著區(qū)別。另一個挑戰(zhàn)是鋰枝晶和孔洞的不均勻形成，這與鋰表面化學組成和微觀結(jié)構(gòu)的不均勻、電流密度的不均勻及界面處存在可自由生長的分布不均的空間有關(guān)。中國、日韓、歐洲和美國在固態(tài)電池技術(shù)方面具有較強的研發(fā)能力和自主創(chuàng)新能力，并且現(xiàn)在是該領(lǐng)域的主要研發(fā)國家。在技術(shù)方向上，日韓起步最早并選擇了硫化物固態(tài)電解質(zhì)路線；歐美選擇氧化物固態(tài)電解質(zhì)路線居多，且均在直接開發(fā)鋰金屬負極應(yīng)用；中國三種固態(tài)電解質(zhì)路線均有布局，在開發(fā)全固態(tài)電池的同時也在大力發(fā)展對現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)更友好的半固態(tài)電池。除了各國當前在科研方面取得的顯著進展以外，固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速也與相關(guān)政策和計劃有著深刻的關(guān)系。固態(tài)電池作為下一代鋰電池技術(shù)，受到了全球主要國家和地區(qū)的高度重視，尤其是在中國、美國、歐盟、日本和韓國等國，政府通過多項政策和資金支持，積極推動固態(tài)電池的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進程。中國在固態(tài)電池領(lǐng)域的支持尤為顯著，不僅發(fā)布時間較早，而且在推動固態(tài)電池等先進技術(shù)發(fā)展方面態(tài)度明確，為未來電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向提供了強有力的指引。根據(jù)慧博投研的統(tǒng)計，在固態(tài)電池領(lǐng)域文章發(fā)表數(shù)量和比例方面，中國、美國、日本、德國和韓國排名前五，分別占35.5%、16.1%、10.2%、7.5%和6.3%，中國目前在處于領(lǐng)先地位。此外，專利申請數(shù)量和比例顯示，中國（39.5%）、日本（21.4%）、美國（14.8%）、韓國（5.7%）和德國（2.6%）排名前五。固態(tài)電池技術(shù)的不斷進步，影響著諸多領(lǐng)域，在電動汽車、移動設(shè)備、能源存儲、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用與日俱進。億歐智庫認為，固態(tài)電池的落地場景遵循從特殊場景到一般場景、從單一場景到多元場景的拓展路徑。低空經(jīng)濟相較于傳統(tǒng)通用航空，活動主體從傳統(tǒng)的有人駕駛航空器拓展至無人駕駛航空器，經(jīng)濟活動的區(qū)域從傳統(tǒng)的中、高空發(fā)展為低空，從偏遠的郊外拓展至人類活動密集的城市。eVTOL電池能量密度和倍率性能要求更為苛刻。由于需要控制起飛重量并提升載重，為了保證飛行器續(xù)航對電池的能量密度提出了更高的要求，同時由于在起飛、懸停和降落過程中放電電流達到3C甚至以上，且懸停過程中高倍率持續(xù)時間較長，因此eVTOL相對于電動車對于電池性能提出了更高要求。固態(tài)電池的賽道正從技術(shù)探索向產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)型，全產(chǎn)業(yè)鏈的競爭力將成為決定電池企業(yè)排名的關(guān)鍵。當前，從上游原材料到下游應(yīng)用場景，中國企業(yè)正逐步建立覆蓋全鏈條的生態(tài)體系。億歐智庫認為，電池制造商是主導研發(fā)、推動產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的核心力量，鋰電池巨頭重點把控電池設(shè)立、組裝和測試等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。全固態(tài)電池未來應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，有望在消費領(lǐng)域率先落地。上游原材料中，氧化物電解需要用到的元素鋯、硫化物電解質(zhì)需要使用的元素鍺、聚合物電解質(zhì)需要使用的高分子聚合物材料，均有上市公司布局。鋰電產(chǎn)業(yè)鏈傳統(tǒng)公司也在現(xiàn)有體系內(nèi)積極研發(fā)固態(tài)電池新材料。容百科技、當升科技、廈鎢新能等依托自身在液態(tài)鋰電池正極材料中深厚的技術(shù)積累，積極開發(fā)適配固態(tài)電池