电气设备行业专题研究：下一代锂电池技术，固态电池未来可期

电气设备行业专题研究 / 下一代锂电池技术，固态电池未来可期 挖掘价值投资成长 / 2023年03月16日 【投资要点】 传统锂电池逐渐达到瓶颈，固态电池优势明显。目前，锂离子电池在便携式电子设备和电动汽车上已经得到广泛应用。但是，基于氧化物正极与石墨负极的传统锂离子电池的能量密度越来越接近其理论上限。而固态电池由于其特性，拥有例如安全性高、体积较小、能量密度高等优势。目前，市场上应用的磷酸铁锂电池单体能量密度约为120-140Wh，三元电池单体能量密度约为130-220Wh，而固态电池可提供的能量密度约为300-400Wh，远远超出传统的电池。 固态电池技术前景良好，受到各国重视。固态电池作为一种新型的电池技术，近年来在国内外发展态势良好，具有优秀的应用前景.固态电池产业在欧洲、美国、日本等国家均受到了很大重视，众多知名企业与研究机构纷纷投入到固态电池的研发、生产等环节。丰田已推出能量密度为400Wh/L的全固态锂离子电池，美国，Sakti3公司已研发出能量密度达到1000Wh的固态电池。 聚合物体系最早量产，硫化物体系理论上最佳，氧化物体系发展最快。目前，固态电池的研发路线存在聚合物体系、硫化物体系、氧化物体系三种。其中，聚合物体系的固态电池最早实现小规模量产；硫化物体系由于其相对氧化物固态电解质其离子电导率高，因此其在理论上是制作固态电池最佳的材料；而氧化物固态电解质具有热稳定性好、高电导率和电位窗宽等优点，是近年来发展最快的固态电解质类型。 各大企业发展创新，固态电池产业化加速。由固态锂电池过渡是锂电技术进步的重要趋势。国内的各大企业也积极创新，不断推进固态电池的产业化发展。目前，清陶能源已经研发出能量密度可达400Wh/kg以上的固态电池，卫蓝新能源成功量产了360Wh/kg车规级固态电池产品，赣锋锂电所拥有的第二代固态电池能量密度达到400Wh/kg，国轩高科目前拥有360Wh/kg三元半固态电池。 【配置建议】 固态电池应用前景良好，在该领域拥有技术领先的企业或将获益。相关标的：赣锋锂业、国轩高科、金龙羽、上海洗霸、东方锆业。 【风险提示】 固态电池技术突破不及预期；原材料出现大幅波动；宏观经济表现不及预期；政策变化。 强于大市（维持） 东方财富证券研究所 证券分析师：程文祥 证书编号：S1160522090002 证券分析师：周旭辉 证书编号：S1160521050001 相对指数表现 17.15% 8.25% -0.64% -9.54% -18.43% -27.33%3/165/167/169/1611/161/16 电气设备沪深300 相关研究 《4680从0到1，结构件厂商受益》 2023.02.28 《重视特斯拉储能产业链相关机会》 2023.02.28 《大储的拐点：增长加速，成本转降》 2023.01.19 《光伏锂电：上游中游降价，下游终端放量》 2023.01.09 《供需逆转，创新突围》 2022.12.28 行业研究 电气设备 证券研究报告 正文目录 1.固态电池优势显著，多方争先布局4 1.1.固态电池——下一代高性能电池4 1.2.固态电池有效优化传统锂电池缺陷5 1.2.1.固态电池安全性高5 1.2.2.固态电池体积优势明显6 1.2.3.固态电池打破传统锂离子电池能量密度瓶颈7 1.3.产学研结合，助力固态电池发展7 1.3.1.各国企业竞争布局固态电池产业，中国率先规模化量产7 1.3.2.政策、高校双助力，加快固态电池产业发展9 2.固态电池构成、制造工艺及关键挑战9 2.1.三种主流固态电解质概况、优点及局限9 2.1.1.聚合物固态电解质—最早实现小规模量产9 2.1.2.硫化物固态电解质—理论上最佳的固态电解质材料10 2.1.3.氧化物固态电解质—发展最快的固态电解质类型10 2.1.4.三种固态电解质对比与总结—复合电解质或成未来研发方向11 2.2.固态电池的制造—核心在于固态电解质成膜工艺和集成工艺12 2.3.固态电池目前面临的关键挑战13 2.3.1.全固态电池的界面优化问题13 2.3.2.材料成本高、供应链体系不够完善14 3.各大企业发展创新，固态电池产业化加速14 3.1.清陶能源：产线建设，推进固态电池规模化生产14 3.2.卫蓝新能源：技术积累，引领国产固态电池商业化16 3.3.天目先导：尖端人才，助力固态电池深度创新18 3.4.赣锋锂业：完善的锂资源产业链，助力固态电池新成长空间19 3.5.国轩高科：深耕技术，推进固态电池技术迭代升级21 3.6.金龙羽：聚焦未来，切入固态电池新赛道21 3.7.上海洗霸：积极合作，共促固态电池产业进程23 3.8.东方锆业：二氧化锆产线发展，推进固态电池创新研究24 4.风险提示25 图表目录 图表1：硫化物全固态电池结构示意图4 图表2：固态电池内部串联结构与传统锂电对比5 图表3：近年来锂离子动力电池事故5 图表4：热失控诱因总结6 图表5：不同结构固态电池的示意图6 图表6：日产公布的固态电池生产设备8 图表7：氧化物固态电解质类型简介10 图表8：不同类型稳定性问题的雷达图12 图表9：不同类型电化学窗口和锂离子电导率12 图表10：三种固态电池与液态锂电池制造工艺对比12 图表11：清陶能源组织架构（截止至2022年12月30日）14 图表12：清陶能源研发体系15 图表13：清陶能源发展历程16 图表14：卫蓝新能源发展历程17 图表15：卫蓝新能源固态电芯产品展示17 图表16：卫蓝新能源固态电池模组产品展示17 图表17：卫蓝新能源产业进展18 图表18：天目先导发展历程18 图表19：天目先导公司成就19 图表20：赣锋锂业生态19 图表21：赣锋锂业电池产品展示20 图表22：赣锋锂业锂资源生产基地20 图表23：国轩高科发展历程21 图表24：金龙羽研发费用22 图表25：金龙羽固态电池及其关键材料相关技术专利明细22 图表26：上海洗霸首釜产品23 图表27：东方锆业发展历程24 图表28：东方锆业锆资源项目25 图表29：二氧化锆工艺流程25 1.固态电池优势显著，多方争先布局 作为清洁能源的代表，锂离子电池由于其高比能量/功率、环境友好以及使用寿命长等特点，成为最具竞争力的电化学储能器件之一。目前，锂离子电池在便携式电子设备和电动汽车上已经得到广泛应用。但是，基于氧化物正极与石墨负极的传统锂离子电池的能量密度越来越接近其理论上限，同时，由于采用有机液态电解液，锂离子电池在充放电过程中不可避免地发生副反应，以及电池循环过程中电解液挥发、泄漏等现象均会导致电池容量的不可逆衰减，影响锂离子电池的使用寿命。此外，由有机易燃电解液引起的安全问题，引发民众对锂离子电池安全性的疑虑，尤其在一些关键行业，如航空航天、电动汽车、储能电网等领域，电池的安全性显得至关重要。 采用固态电解质取代液态有机电解液的固态电池，有望同时解决传统锂离子电池面临的比能量、循环寿命以及安全性等困境，符合未来大容量二次电池发展的方向，是电动汽车和规模化储能的理想电源。 1.1.固态电池——下一代高性能电池 固态电解质又称作快离子导体，对于固态电解质的理论研究可以追溯到1972年在Belgirate召开的北约“固体中的快速离子输运”会议上，学者Steele讨论了固态电解质的基本标准。同年Armand以固态β-氧化铝为电解质应用于Li/TiS2电池中。1978年，Armand提出了开创性的聚合物固态电池概念。随后越来越多的固态电池被研发出来。 图表1：硫化物全固态电池结构示意图 资料来源：《硫化物全固态电池的研究及应用》，船电技术2022，东方财富证券研究所 固态电解质相比电解液来说不具有流动性，因此固体与固体颗粒之间直接的接触差，再加上电化学不稳定，导致了很多界面问题。但与液态电池相比，固态电池潜在的优势在于： 1）安全性高：不挥发不易燃的固态电解质相比有机电解液具有更高的安全性。 2）温度适应性好：全固态电池可以在更宽的温度范围内工作，尤其是在较高 的温度下。 3）能量密度高：全固态电池有望解决金属锂负极的安全性问题（锂枝晶），进而在目前商用锂电的石墨与硅碳负极基础上提高锂离子电池的能量密度。 4）简化电芯、模组、系统设计：由于固态电解质不具有流动性，可以采用内部串。 图表2：固态电池内部串联结构与传统锂电对比 资料来源：《硫化物全固态电池的研究及应用》，船电技术2022，东方财富证券研究所 1.2.固态电池有效优化传统锂电池缺陷 1.2.1.固态电池安全性高 有机液态电解液电池，在充放电过程中不可避免地发生副反应，不仅影响电池寿命，同时有机易燃电解液引起的安全问题以及行业内多起汽车自然问题，引发民众对锂电池安全性的疑虑。 图表3：近年来锂离子动力电池事故 发生时间 地点 事故描述 事故原因 2008.6 哥伦比亚（美国） 改装的普锐斯混合动力车的电池组冒烟着火。 接头松动造成的局部过热，并引发电池热失控 2010.1 乌鲁木齐 电动大巴在车库内起火。 电池单体故障，静态异常起火。 2011.4 杭州 示范运营的出租车起火。 成组设计问题造成漏液，而绝缘受损的电池组 发生短路，短路引燃了漏出的电解液。 2011.6 伯灵顿 （美国） 雪佛兰沃蓝达(Volt)突然起火，并点燃了周围的测试车辆，此前该车进行了侧面碰撞测试。 可能是侧面碰撞导致冷却系统和电池同时损坏。冷却系统泄露出的液体造成电池组局部短路，短路释放的能量点燃了由损坏了的电池释 放出的可燃气体。 2012.5 深圳 比亚迪纯电动出租车被高速违章的跑车追尾，后发生剧烈燃烧。 高速撞击导致变形及高电压电路受损。受损的 电路短路并产生电弧，点燃了电池组内约1/4 的电池以及汽车内>捡昌保囱餐厨二昂驰。 2013.10 2014.1 波士顿/高松/东京(美国/日本/日本) 波音787客机陆续发生3起动力电池组起火。 电池组热失控起源于部分单体的内短路。电池 单体设计及电池管理系统亦存在缺陷。 2013.10/11 西雅图/田纳西 (美国) 特斯拉ModelS电动车在高速公 路上撞击路面物体后电池起火。 路面物体刺穿电池组保护层，造成电池组变形，并发生短路，从而引燃部分电池。 2015.4 深圳 五洲龙纯电动大巴充电时起火。 电池管理系统无法切断充电接触器，电池组持续过充直至热失控与起火。 2016.1 耶尔斯塔 (挪威) 一辆特斯拉ModelS在超级充电站进行快速充电时起火。 充电算法存在缺陷，无法检测出充电过程中发 生的故障。 资料来源：《车用锂离子动力电池热失控诱发与扩展机理、建模与防控》，清华大学2016，东方财富证券研究所 由于金属锂在多次充放电后会出现粉化、枝晶生长等问题，因此目前的锂电池都需要在负极使用石墨作为锂的载体，并且在正负极之间加上隔膜，防止锂枝晶在正负极之间“乱跑”出现短路等电池安全事故。 图表4：热失控诱因总结 资料来源：《硫化物全固态电池的研究及应用》，船电技术2022，东方财富证券研究所 1.2.2.固态电池体积优势明显 固态电池使用的固体电解质，取代了传统电池中的隔膜和电解液，使其在体积上有着明显优势。同时，固体电解质的应用，还很大程度上减小了电池正负极之间的距离，甚至可以将该距离控制在几微米到十几微米之内，这也极大降低电池的体积，使得电池更加小巧。 图表5：不同结构固态电池的示意图 资料来源：《固态锂电池界面优化策略的研究进展》，物理化学学报2022，东方财富证券研究所 高集成效应。在一些微小工作场景中，固态电池高度的一体化结构可以使它们相对容易的集成在一些微电路中:而在一些对能量存储要求高的场景例如电动汽车中，一体化的电池结构会降低众多电芯封装集成时的难度，从而实现更高的工作效率。 1.2.3.固态电池打破传统锂离子电池能量密度瓶颈 液态电池在运用高镍正极+硅基负极体系下，350Wh/k