动力电池新技术展望系列报告六：半固态电池应运而生，抢占下一代锂电技术制高点

全固态电池规模化量产尚需5-10年，半固态成过渡期优选。出于对高能量密度和高安全性电池的追求，各国企业进入军备竞赛阶段，加注研发固态电池。但全固态电池还有离子电导率低导致性能变差、成本高昂等缺点有待解决，而半固态电池由于高安全性、长寿命与良好的经济性，成为液态电池向全固态电池过渡的产品。2022~2023年会有一批领先的半固态电池企业逐渐发布车规级电池，2022年蔚来发布ET7、东风发布E70、岚图发布追风等搭载半固态电池的车型，预计半固态电池的商业化转折点会在2024~2025年，2030年全固态电池实现商业化应用。固态电池将优先从高端应用市场开始商业化，例如无人机、医用等领域，逐步向动力及消费电池领域扩展。 半固态对产业链冲击有限，固态电解质成膜是关键。固态电池通常采用软包+叠片封装工艺，中后道工序变化大，不需注液化成。作为过渡阶段的半固态电池供应链与现有供应链的重合度很高，隔膜通过复合固态电解质涂层增加了价值量，电解液添加剂对于原位固态化合成复合固态电解质，固态电解质成膜工艺成为关键。半固态推动新型添加剂、复合涂层隔膜、凝胶态电解质、高性能正负极等关键材料体系的创新。 制造成本显著降低，降本须应用锂金属负极。2020年在固态电池成本构成中，固态电池正极浆料混有部分电解质，成本约60＄/kWh，较液态锂离子电池正极提高了约50%；未来采用锂金属负极可以降本30%至60%左右，否则固态电池经济性不具竞争力；固态电池隔膜成本略高于液态锂离子电池；装配与测试成本显著降低。半固态降本亟需规模效应，我们认为50GWh是半固态与液态锂电池规模效应的临界点。 氧化物体系进展最快，或叠加聚合物改善界面柔性，硫化物体系远期技术空间高。固态锂电池的研发路线有聚合物、氧化物和硫化物电解质三种。目前氧化物体系的步调最快，硫化物体系紧随其后，高能聚合物体系还处于实验室研发阶段。清陶能源现有技术路线是氧化物体系，未来研发聚焦于聚合物与硫化物体系，2020年已经建成了全国首条固态动力电池规模化生产线；卫蓝新能源专注于无机氧化物与聚合物固态电解质的研发，有三十年的技术积累优势，厚积薄发；赣锋锂电走氧化物厚膜路线，与孚能科技均已经建成了中试生产线；蜂巢能源的半固态果冻电池已经投产；相较于研发半固态电池，宁德时代偏向于硫化物电解质的开发，同时专注于通过电池结构改性提高性能。 投资建议：半固态路线对于现有液态锂离子电池体系更迭小，被视作全固态的过渡路线。卫蓝、清陶等一级市场固态电池企业和孚能科技、国轩高科、蜂巢能源等动力企业路线选择有差异，预计2023年陆续看到车端应用。 半固态电池增加了固态电解质涂层、原位固态化锂盐等材料，建议关注例如锂镧锆氧（LLZO）、磷酸钛铝锂（LATP）、硫化物固态电解质、新型锂盐等增量材料供应链及其供应商。 建议关注：宁德时代、孚能科技、当升科技、华盛锂电、上海洗霸、东方锆业、三祥新材、瑞泰新材等。 风险分析：政策变化影响行业发展的风险；原材料价格大幅波动的风险；钠离子电池加剧市场竞争的风险；新能源车销量低于预期的风险。 投资聚焦 由于对更高能量密度和更高安全性电池的追求，各国都在加紧固态电池的研发，以期抢占技术制高点。虽然目前要实现全固态锂离子电池产业化尚需时间，但是半固态电池的研发已经取得一定进展，量产装车指日可待。 我们通过本篇报告全面梳理固态电池的技术、研发进展情况，希望可以给投资者建立相对完整的分析问题的框架。 我们的创新之处 （1）全面梳理了固态电池全产业链发展情况以及各部分组件的研发进展； （2）深度分析了半固态制造工艺的变化与技术关键，与由此带来的关键材料创新投资机会； （3）进行了固态电池成本分析以及未来降本预测； （4）梳理了国内电池企业的固态电池规划布局进展。 股价上涨的催化因素 1、固态电池量产、装车进展超预期； 2、锂价回落，高端锂离子电池经济性凸显； 3、固态电解质大规模制备技术取得突破。 投资观点 半固态路线对于现有液态锂离子电池体系更迭小，被视作全固态的过渡路线。 卫蓝、清陶等一级市场固态电池企业和孚能科技、国轩高科、蜂巢能源等动力企业路线选择有差异，预计2023年陆续看到车端应用。 半固态电池增加了固态电解质涂层、原位固态化锂盐等材料，建议关注例如锂镧锆氧（LLZO）、磷酸钛铝锂（LATP）、硫化物固态电解质、新型锂盐等增量材料供应链及其供应商。 建议关注：宁德时代、孚能科技、当升科技、华盛锂电、上海洗霸、东方锆业、三祥新材、瑞泰新材等。 1、技术革新无休止，攻坚固态电池是关键 1.1、固态电池有望成为下一代高性能锂离子电池 锂离子在正负电极间可逆嵌入是锂离子电池的电化学基础，其发展实际上是基于上世纪70年后一系列的创新理念和关键发现。 图1：锂电池简要发展历程 固态电池和液态锂电池最大的不同在于，固态电池中固态电解质替代了原本的液态电解质和隔膜。固态电池潜力巨大，有望明显提升电池的安全性、单体能量密度（＞350 Wh/kg）和寿命（＞5000次），因此，固态电池成为全球相关企业的重点布局方向。 图2：液态锂离子电池与固态电池性能对比 固态电池的技术发展采用逐步转化策略，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。 图3：液态——半固态——准固态——全固态电池的发展路径 1.2、电解质和界面双管齐下，构建高性能固态电池 （1）构建高性能固态电解质，固态电解质和液态电解质的核心要求一致 固态电解质作为固态电池的核心部件，在很大程度上决定了固态电池的各项性能参数。固态电池距离高性能锂离子电池系统仍有差距，聚合物、氧化物、硫化物三类固态电解质的性能参数各有优劣。 表1：三大固态电解质体系及特点 我们认为，目前氧化物体系步调最快，硫化物体系紧随其后，高能聚合物体系仍处于实验室研究阶段。从成本而言，硫化物体系性价比最高，最有可能成为未来商用的技术路径。 （2）提高界面相容性和稳定性 构建良好的界面接触是提高固态电池电化学性能的有效策略。固相界面间无润湿性，难以充分接触，形成更高的接触电阻，在循环过程中发生元素互扩散及形成空间电荷层等现象，影响电池性能。晶态电解质中存在大量晶界，高晶界电阻不利于锂离子在正负极间的传输。 1.3、政府扶持、企业角逐，固态电池商业化提速 （1）政府引导，推动固态电池领域快速发展 各国政府近年来为实现节能减排目标，不断收紧乘用车碳排放政策，促使车企电动化转型。多个国家明确固态电池发展目标和产业技术规划，现阶段发展之路明晰，2020-2025年着力提升电池能量密度并向固态电池转变，2030年研发出可商业化使用的全固态电池。 表2：主要国家固态电池研究目标 我国在新能源汽车国家计划中分三个节点对于动力电池提出了系统的规划。 图4：中国固态电池发展目标和产业技术规划 （2）企业积极布局，固态电池领域陷入“混战” 虽然比亚迪、苹果等企业早早开始固态电池研发规划布局，但多数企业直到2018年才开始投资研发固态电池。 在海外市场上，日韩企业大多在保有独立研发团队的基础上抱团研发。日本由于较早进行固态电池产业化规划布局，目前在全球范围内处于技术领先地位。 韩国拥有领先技术的三大电池企业也选择联合研发固态电池。欧美各大车企企图通过投资Solid Power、Solid Energy Systems、Ionic Materials、 Quantum Scape等初创公司以获得技术储备，谋求在固态电池领域翻盘。国外公司研发节奏比中国公司早半年到一年，但是国外的量产能力、产业链成熟度、使用新技术的意愿及需求都不及国内，国内固态电池产业化可能更快。 表3：海外公司固态电池研究进展 中国提前布局，部分企业已进入固态锂离子电池（半固态电池）中试阶段，2025年前可能实现固态电池量产。中国早在十年前已着手布局固态电池产业，多家电池厂商固态电池技术领先，越来越多的企业参与固态电池研究。 表4：国内企业布局 国内车企联合电池企业，新兴电动车制造商步伐较快。造车“新势力”凭借自身强大的实力、多维度跨界与全方位创新崭露头角，大有领跑之态。 表5：国内车企布局 固态电池领域进入“军备竞赛”阶段，各企业期望抢占先机以赢得市场份额。 固态电池领域市场参与者众多，车企、电池企业、投资机构、科研机构等在资本、技术、人才三方面进行博弈。随着越来越多的企业加入，固态电池产业化进程不断加速。 2、全固态商用尚早，半固态可期 2.1、全固态工艺尚不成熟，半固态成为过渡路线 全固态电池的规模化量产尚需时间。一方面，全固态电池尚有技术难点有待突破，比如固态电解质的离子电导率远低于液态电解质，这使得电池内阻明显增大、电池循环性变差、倍率性能变差等；另一方面，高昂的成本也是制约全固态电池商业化的因素，目前液态锂电池的产业链非常成熟，可以用低廉的成本生产出性能较好的锂电池，而全固态电池的产业链还不够完善。 全固态电池量产面临的挑战有： （1）无机固态电解质及原料尚未量产形成供应链，应用技术不成熟; （2）聚合物电解质不能与高电压正极匹配，室温电导率低; （3）全固态电池界面电阻较高，低温性能差; （4）目前电芯设计解决不了循环过程体积变化的影响;测试需要较高外部压力; （5）目前电极和电芯没有成熟的规模量产设备，还需要时间; （6）全固态电池的BMS与系统集成方案不成熟。 因此，半固态电池成为液态电池向全固态电池过渡的产品。通过在全固态电池内部添加部分电解液来改善界面做成半固态电池。与液态电池相比，半固态电池的材料体系变化较小，仍然会使用隔膜与液态电解液。通过减少电池内部液态电解质的含量可在一定程度上提升电池比能量和安全性，其制备方法大部分沿用传统锂离子电池工艺与装备技术。 表6：半固态电池与固态电池对比 2022~2023年会有一批领先的半固态电池企业逐渐发布车规级电池，例如在2022年蔚来发布ET7，东风发布E70，岚图发布追风等搭载半固态电池的车型，我们预计半固态电池的商业化转折点会在2024~2025年。固态电池的迭代过程中，液态电解质含量将从20wt%降至0wt%，电池负极的锂含量逐步增加直至替换为金属锂片，电池密度有望逐步提升至500Wh/kg。 未来锂离子电池市场的格局会呈现不同性能产品的分化，能量密度高、安全性好、售价也较贵的固态电池产品会从高端应用市场开始商业化，例如从对高性能电池需求迫切的无人机、医用等领域开始应用，逐步进入动力电池和消费电子领域。 图5：固态电池发展技术路线 从材料体系的变化来分类，固态电池的技术进步路线可以分成三个阶段： （1）传统液态电解液替换为固态电解质，正负极材料不变。该阶段通过减少电解液用量，理论上对安全性有一定提升；但由于正负极材料体系没有本质变化，主要还是高镍三元+石墨掺硅的正负极体系，无法通过提高能量密度来摊薄固态电池成本的提升。目前大部分厂商的量产规划均是基于该阶段，主要用以打通固态电解质技术与量产的难点。 （2）负极换成金属锂，正极材料不变。基于锂金属负极的固态电池成本能够显著提升能量密度，成本也比传统液态电池更低，是固态电池降本的关键，但锂金属负极还面临许多科学和技术问题。 （3）负极用金属锂，正极换成更高能量的材料。在锂金属负极的基础上，通过正极材料的更新换代能够继续提升能量密度，但技术上需要解决的问题更多，实现周期也更遥远。 2.2、半固态对产业链冲击有限，固态电解质成膜是关键 2.2.1、软包+叠片封装工艺，中后道工序变化大 全固态电池通常采用软包的方式集成，不需注液化成。固态电池生产工艺需要在电极、电解质、界面工程及封装技术等方面进行突破，前段工序基本与液态锂离子电池相同，中、后段工序上，固态电池需要加压或者烧结，不需要注液化成。 叠片工艺最适用于全固态电池制备。从工艺成熟度、成本、效率等方面考虑