电力设备及新能源行业固态电池深度报告：群雄逐鹿锂电终局技术，发力新材料加速产业化

固态电池深度报告 创造财富担当责任 股票代码：601881.SH06881.HK 群雄逐鹿锂电终局技术，发力新材料加速产业化 电力设备及新能源团队周然 特别鸣谢段尚昌 2023.03.30 中国银河证券股份有限公司 CHINAGALAXYSECURITIESCO.,LTD. 目录 —固态电池是锂电技术的终极形态 二固态电解质是破局关键，半固态电池成优选方案 三全球加快布局，开发主体、选择路线均存在差异 四国内玩家百舸争流，全产业链齐发力 五综述与投资建议 六风险提示 创造财富/担当责任 固态电池是锂电技术的终极形态 01 创造财富/担当责任 •锂离子电池发展已有30多年历史。“锂电池之父”斯坦利·惠廷汉姆于1976年提出最早的锂二次电池雏形：正极材料使用硫化钛，负极使用金属锂并且使用含锂盐的电解液。其意义更多在于确立了锂电池基本原理。但由于电池安全性、稳定性等不理想，始终无法商用。1980年古迪纳夫开发了钴酸锂、磷酸铁锂以及锰酸锂三大正极材料，奠定了现在主流正极材料体系。1991年吉野彰摆脱负极锂金属限制，创新性使用石墨作为负极，进而开发了第一个商用锂离子电池。 图1：锂离子电池发展历史 创造财富/担当责任 数据来源：智慧芽,中国银河证券4 •锂离子电池材料体系成熟，各类产品应用场景基本确定。据中科院研究员李泓报告，钴酸锂电池体积能量密度在600-1000Wh/L，适合应用于消费电子领域；而高端电动汽车领域，偏向于质量能量密度更高的三元电池；储能领域，偏向于安全性、成本优势更突出的磷酸铁锂电池。但面对未来综合要求更高的应用场景（航空航天、国防军工等），液态锂离子电池体系已出现瓶颈。 图2：主流锂离子电池正负极体系及应用场景 图3：三大主流锂电池产品类型对比 创造财富/担当责任 数据来源：《固态电池》李泓，中国银河证券 数据来源：《CurrentLi-IonBatteryTechnologiesinElectric VehiclesandOpportunitiesforAdvancements》，中国银河证券5 •中长期政策目标偏高。《中国制造2025年》提出的电池技术目标是2020、2025年分别达300Wh/kg、400Wh/kg；而中科院研究院吴娇杨等统计表明1991-2015年能量密度已提升3倍，GAGR约3%，按线性推算2020、2025年能量密度仅能达到300Wh/kg、320Wh/kg。但是从实际技术发展情况看，现在的锂离子电池能量密度增速明显放缓并接近理论极限。 •能量密度增速放缓，主流材料体系已接近极限。据中科院院士孙世刚，磷酸铁锂、三元电池能量密度分别小于200Wh/kg、300Wh/kg（负极石墨），目前这些主流产品均已接近能量密度天花板。据Enpower统计，TeslaModel3使用松下2170电池近260Wh/kg，改用高镍正极产品的4680电池能量密度可达283Wh/kg，明显低于政策目标及线性预测结果。 •打破材料、技术桎梏才能继续突破。据汽车电子设计测算，升级硅碳负极的4680电池有望实现超300Wh/kg。2022年美国 Amprius公司使用全新硅纳米线负极实现450Wh/kg。 GAGR约5% 图4：1990-2025年锂离子电能量密度发展路线图（单位：Wh/kg）表1：特斯拉2170/4680电池性能对比 创造财富/担当责任 数据来源：《锂离子电池和金属锂离子电池的能量密度计算》吴娇杨等,中国银河证券 数据来源：汽车电子设计,中国银河证券 6 •能量密度主要由正负极材料的比容量及两者的电压差决定。根据电池质量能量密度理论计算公式，提高正、负极材料的比容量、提高电池工作的额定电压可以有效提高电池能量密度。正极材料比容量范围有限，提升比容量更多依赖负极；电池电压取决于正负电极的电压差，提升电压主要依赖正极。 •主流液态锂离子电池（LIB）无法使用锂金属负极。锂金属负极具有最低电化学电势、接近4000Ah/kg的超高比容量，是最理想的负极材料，但由于其活性极强、稳定性差导致极难与液态电解液兼容，直接限制其能量密度无法实现超越性突破。 图5：不同正负极材料的平均电压与比容量 •电解液难匹配高电压正极。LIB电压不能超过其电解液的工作电压窗口，否则会电解液与正负极将直接反应导致性能失效甚至出现事故。而目前主流电解液电压窗口不超过4.5V，这直接制约了正极材料的可选范围从而限制了能量密度的发展。 创造财富/担当责任 数据来源：《Issuesandchallengesfacingrechargeablelithiumbatteries,TarasconandArmad,Nature,2001》,中国银河证券 7 •电解液是造成液态锂离子电池安全事故的最大推手。液态锂离子电池（LIB）的热失控（thermalrunaway）被公认是电池安全 问题的最主要原因。该过程主要分为三个阶段： 阶段一：由内部短路（主要原因是外力穿刺、过充等）、工作温度过高等原因导致的初始温度上升； 阶段二：SEI膜分解，热失控加速，电解液反应持续升温，释放可燃气体和氧气，造成后续隔膜、负极、正极分解；阶段三：电解质分解燃烧，系统事故发生。 从整个过程来看，化学活性高、易挥发、易燃的液态电解质起到了关键作用，是LIB的最大隐患。 图6：液态锂离子电池热失控事故分析 数据来源：《面对应用的固态电池研究》李泓，中国银河证券 创造财富/担当责任8 •提升安全性策略仅能缓解热失控。据清华大学副教授冯旭宁等统计，目前产业主要依靠缓解热失控来应对LIB安全事故，如在电芯内添加阻燃剂、惰性气体等；在Pack层面可增加反穿刺设计、热屏障等。但是高危的电解液是LIB安全问题的本质，而其作为LIB的必需材料，使LIB理论上无法解决安全性问题。 图7：电池电芯、电池包的热失控过程及其缓解策略 创造财富/担当责任 数据来源：《MitigatingThermalRunawayofLithium-IonBatteries,Fenget.al.,CellPress》中国银河证券9 •电芯制造工艺改善趋于成熟。电芯制造流程主要包括：电极制备（湿法为主）→卷绕→封装→注液→化成→分选→组装，而高速率混浆、涂覆和卷绕/叠片技术以及大容量电芯技术推动单线产能不断扩大。据中科院李泓研究员，目前单线产能最高产能可实现2-4GWh，良率达到92-96%，cpk值达1.5-1.67。 •但由于湿法电极制备环节中涉及低效率的涂覆、烘干，卷绕环节需要停线插入极片等因素，即使是特斯拉升级后的4680技术，仍涉及复杂的激光焊接环节，因此电芯制造效率提升仍存在较大瓶颈。 图8：电极湿法涂覆工艺图9：电芯主要制造流程 数据来源：L.A.Román-Ramírez，中国银河证券 表2：液态锂离子电池电芯制造速度 数据来源：高工锂电，中国银河证券 电芯种类 代表规格型号 涂布效率 单极芯制造效率 单线电池制造效率 单线最大产能 圆柱 21700 60–120m/min 卷绕25ppm 300ppm 1.8GWh 铝壳 5414891 60–120m/min 卷绕6ppm 12ppm 1.6GWh 软包 55010109 60–120m/min 叠片6ppm 15ppm 1.6Gwh 数据来源：《面对应用的固态电池研究》李泓，中国银河证券 创造财富/担当责任10 •极致压缩装配空间，提升整车能量密度。传统组装CTM为电芯-模组-电池包-车身的过程，会使用大量零部件并增加整体质量，同时涉及复杂连接、电池管理系统。2020年9月特斯拉首次提出CTC技术，直接将电池装配至底盘，在提供支撑作用的同时减少了零件数量以及车身重量，提升空间利用率从而提升能量密度，降低成本。宁德时代、比亚迪基于同样的思路提出了CTP技术、CTB技术，零跑、大众、福特等车企亦跟进布局，“CTC类技术”有望成为行业标配。 •恒驰研究院张涛（2021）测算CTC类技术最高可实现10%电量增幅，反推能量密度不超过400Wh/kg，仍难以获得飞跃式突破。 图10：宁德时代、比亚迪、特斯拉装配技术 表3：CTM、CTP与CTC比较 CTMCTPCTC -车身 低 高 高 电池集成为模组， 先电池集成为电池 车身底板作为电池 模组集成为电池包， 包，电池包再安装 上盖，电池直接安 再安装在车身上 到车身上 装在车身上 \ 电量增加10%-20% 电量再增加5%-10% \ 车内空间无变化，电池包内空间利用率提高 底板内空间被利用，进一步增加车内、底板内空间利用率 否 否 能 基本概念电芯-模组-电池包 空间利用率 电芯-电池包-车身电芯-车身 集成方案 电池电量空间变化 创造财富/担当责任 数据来源：公司官网，中国银河证券 电池能否承载载荷 可维修性可单独更换模组只能更换电池包需更换电池并重新 密封底板 数据来源：《CTC集成技术在电动汽车电池布置中的应用》张涛，中国银河证券11 •固态电池即是使用固态电解质的电池。LIB由正极材料、负极材料、电解液、隔膜四大主材组成，固态电池则是将电解液、 隔膜替换成固态电解质。在正、负极材料方面，固态电池可以完全沿用液态锂离子电池材料体系，且升级空间更大： 正极：部分固态电解质工作电压窗口更高，可使用高电压正极材料，有助于增强快充性能、提升能量密度等； 负极：固态电解质能适配锂金属负极，能大幅提升电池能量密度，同时增加正极材料的可选范围，对电池影响更大 •因此，我们预计固态电池技术对产业链主要环节的影响大小为：隔膜＞电解液＞负极材料＞正极材料。 图11：固态电池与目前主流液态锂离子电池结构对比 表4：固态电池与液态锂离子四大主材对比 液态锂离子电池固态电池 金属氧化物类，主流为正极磷酸铁锂、三元以及钴材料酸锂等 负极主流石墨，后续可用硅 材料基负极 主流有机溶剂+六氟磷电解酸锂，添加新型锂盐、液添加剂等升级 可延续现有正极体系，变化最小，同时能兼容高电压材料等其他材料 可延续现有负极体系，且有能力兼容锂金属负极，潜力巨大 全固态完全替换为固态电解质。在过渡阶段会存在部分电解液 隔膜需要隔膜避免正负极接 触，升级复合隔膜等 全固态电池无需隔膜。 在过渡阶段仍需要隔膜 创造财富/担当责任 数据来源：旺财锂电，中国银河证券 数据来源：高工锂电，中国银河证券 12 •固态电池工作原理无变化。固态电池、LIB甚至钠离子电池都基于1972年提出的“摇椅式”可充电电池模型：充电时锂离子从正极脱嵌，经过电解液/固态电解质的运输，再嵌入负极；放电则相反。因此对比固态电池与LIB的性能可直接比较各大主材的参数指标即可。 •混合固液电解质锂电池是两代电池技术间的桥梁。据中科院物理所，根据液态电解质在电池中的质量占比情况，可将锂电池分为液态电解质锂电池、混合固液电解质锂电池、全固态电解质锂电池。全固态电池是终局形态，而混合固液电解质（也可称半固态电池）是过渡方案，其中仍含少量液态电解质，且仍需隔膜避免正负极接触短路。 •全固态电池按照电解质类型可分为：氧化物全固态电池、硫化物全固态电池、聚合物全固态电池。 图12：“摇椅式”充放电模型 图13：固态电池与液态锂电池的分类与过渡 创造财富/担当责任 数据来源：中科海钠官网，中国银河证券 数据来源：《面对应用的固态电池研究》李泓，中国银河证券13 •固态电解质可以使用锂金属负极。相较于液态电解质，固态电解质的电化学性能更稳定，能兼容活性极强的锂金属负极；同时固态电解质可抑制锂枝晶析出，满足锂金属负极应用的必要条件。 •固态电池正极材料可选范围更大。部分固态电解质电压窗口更大，可适配高电压的正极材料；若采用锂金属负极，则理论上正极可用不含锂材料，能量密度、降本空间都有望得到巨大提升。 •通过不同正负极材料的组合，固态电池可实现更高的能量密度，体积能量密度可超1000Wh/L，质量能量密度可