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固态电池行业深度:千呼万唤始出来,犹抱琵琶半遮面

电气设备2023-04-29东吴证券球***
固态电池行业深度:千呼万唤始出来,犹抱琵琶半遮面

证券研究报告·行业研究·电力设备与新能源行业 千呼万唤始出来,犹抱琵琶半遮面 --固态电池行业深度 电新首席证券分析师:曾朵红执业证书编号:S0600516080001联系邮箱:zengdh@dwzq.com.cn 电动车首席证券分析师:阮巧燕执业证书编号:S0600517120002联系邮箱:ruanqy@dwzq.com.cn 联系电话:021-601997932023年4月29日 摘要 半固态电池先行,2023年开启小批量装车发布,全固态电池仍处于研发阶段,预计2030年后实现商业化。液态锂电池已接近能量密度上限,并且仍存在热失控风险,而固态电池大幅提升电池的安全性,兼容高比容量正负极,打开能量密度天花板,因此成为动力电池下一轮技术竞赛中的关键。但全固态电池工艺并不成熟,仍处于研发阶段,存在离子电导率低、循环寿命差、倍率性能差、成本高昂等问题,制约了商业化进程。而半固态电池作为液态电池和全固态电池的过渡方案,兼具安全性、能量密度和经济性,因此率先进入产业化阶段,已率先切入无人机等高端消费领域,2023年蔚来、上汽、东风、赛力斯等车企将陆续推出半固态版车型,续航里程超1000km,但目前技术、产品仍不成熟,2024年预计实现开启规模化量产,规模有望达到5GWh,并逐渐具备经济性,2025年成本有望降低至0.9元/Wh,全固态电池预计2030年开始商业化,预计量产仍需5-10年时间。 电解质为固态电池的核心,其中氧化物进展较快,硫化物发展潜力大。半固态电池兼容现有工艺设备,对产业链冲击较小,减少电解液用量,使用聚合物+氧化物复合电解质,仍保留隔膜结构,负极升级为预锂化的硅基等材料,正极升级为高镍高电压、超高镍等材料,能量密度可达350Wh/kg以上。而全固态电池取消电解液,选用聚合物/氧化物/硫化物体系作为固态电解质,从而替代隔膜的作用,其中聚合物性能上限较低,氧化物目前进展较快,硫化物未来潜力最大,负极升级为锂金属负极等材料,正极升级为镍锰酸锂、富锂锰基等新型材料,电极工艺向干法迭代,封装方式采用叠片+软包的方式,能量密度可达500Wh/kg以上。 产业链龙头加大布局,推动半固态电池落地。电池端看,宁德时代推出凝聚态电池,兼顾安全性、能量密度和量产难度,同时布局硫化物全固态路线;比亚迪全路线布局,后续或升级固态+短刀+CTC体系;卫蓝新能源、清陶能源、赣锋锂业、辉能科技技术优异,率先落地产能;固态电解质端看,天目先导、蓝固新能源绑定卫蓝新能源,性能指标优异,上海洗霸、金龙羽也在加速布局,奥克股份从原料端延伸聚合物电解质,瑞泰新材实现原位固化锂盐LiTFSI规模量产;负极端看,兰溪致德、贝特瑞、翔丰华硅基负极进度较快;正极端看,容百科技、当升科技超高镍正极布局领先。 投资建议:半固态技术先行,2023年开启小批量装车发布,全固态电池仍需5-10年实现商业化。固态电池产业链方面,第一条主线看好半固态电池技术领先厂商,推荐宁德时代、比亚迪、亿纬锂能,关注赣锋锂业、孚能科技、国轩高科等;第二条主线关注超高镍正极厂商,推荐容百科技、当升科技,关注厦钨新能;第三条主线关注进度领先的硅基负极厂商,推荐贝特瑞,关注翔丰华;第四条主线跟踪固态电解质厂商,关注前驱体的东方锆业、三祥新材、云南锗业、驰宏锌锗,电解质的奥克股份、上海洗霸、金龙羽、瑞泰新材。 风险提示:新技术量产进度不及预期;行业发展不及预期;行业竞争加剧的风险。 Part2:以固-固接触为核心,电解质-负极-正极梯次升级 Part1:固态电池具备本征安全,打开能量密度天花板 Part4:投资建议 Part3:半固态路线先行,全固态仍处研发阶段 Part5:风险提示 目录 PART1固态电池具备本征安全,打开能量密度天花板 固态电池:大幅提升电池安全,打破能量密度瓶颈 液态电池中,有机溶剂具有易燃性,且抗氧化性较差,目前已接近能量密度上限。锂离子电池目前基本采取液态电解质,由溶剂、锂盐、添加剂组成,起到输送离子、传导电流的作用。但液态电解质中,有机溶剂具有易燃性、高腐蚀性,同时抗氧化性较差、无法解决锂枝晶问题,因此存在热失控风险,也限制了高电压正极、锂金属负极等高能量材料的使用,预计理论能量密度上限为300Wh/kg。 固态电池大幅提升电池安全,打破液态电池能量密度瓶颈。固态电池采用固态电解质,部分或全部替代液态电解质,可大幅提升电池的安全性、能量密度,是现有材料体系长期潜在技术方向。依据电解质分类,电池可细分为液态(25wt%)、半固态(5-10wt%)、准固态(0-5wt%)和全固态(0wt%)四大类,其中半固态、准固态和全固态三种统称为固态电池。我们认为车企采用固态电池,安全性为短期驱动因素,能量密度为长期驱动因素。 图液态/固态电池结构示意图 图液态/半固态/全固态发展路径 表液态/半固态/全固态电池对比 液体含量 (wt) 25% 5-10% 0% 液态半固态全固态 能量密度250Wh/kg350Wh/kg500Wh/kg 电解质 有机溶剂+锂盐 复合电解质(氧化物+硫化物、氧化物、聚 聚合物+浸润液体) 合物 隔膜传统隔膜隔膜+氧化物涂覆无隔膜 正极 三元/铁锂 高镍三元/铁锂 高镍三元/铁锂/镍锰 氧/富锂锰基 负极石墨硅+石墨硅+石墨/金属锂 高安全性:固态电解质不可燃烧,大幅降低热失控风险 随着电池能量密度的日益提升,电池热失控风险呈现上升趋势。从热失控角度看,电池应在低于60℃运行工作,但由于内部短路、外部加热、机械滥用等因素,使电池温度升至90℃,此时负极表面的SEI膜开始溶解,造成嵌锂碳直接暴露在电解液中,二者发生反应迅速放热,产生大量可燃气体,隔膜进而熔化,电池形成内短路,温度迅速升高至200℃,促使电解液气化分解、正极分解释氧,电池发生剧烈燃烧或爆炸。 固态电池具备本质安全性,为车厂短期主要考量因素。1)不可燃性、热稳定性:液态电解质易燃、易挥发,分解温度约200℃(隔膜160℃),并存在腐蚀和泄露的安全隐患。而固态电解质具有不可燃、无腐蚀、无挥发等特性,分解温度大幅提升,可在更高倍率和更高温度运行,同时内部无液体不流动,电池可承受穿钉、切开、剪开、折弯,从而大幅降低热失控风险。2)锂枝晶:液态电池中,锂枝晶的生长容易刺破隔膜,从而造成短路,而固态电解质具备高机械强度,锂枝晶生长缓慢且难刺透,进而提升电池安全性能。 图液态锂离子电池受热易失控 高能量密度:兼容高比容量正负极,大幅提升能量密度 固态电解质兼容高比容量的正负极,大幅提升电池的能量密度,为车厂长期主要考量因素。固态电池在兼顾安全性的基础上,可实现能量密度的突破,液态电池可达250Wh/kg+,半固态可达350Wh/kg+,准固态可实现400Wh/kg+,全固态可突破500Wh/kg,从而提升续航水平,有望解决电动车里程、安全两大核心痛点。 材料端看:固态电解质本身不能提升能量密度,但由于具备更稳定、更安全,电化学窗口宽(5V以上)等性质,因此可以兼容高比容量的正负极,比如高电压正极、富锂锰基、硅负极、锂金属负极等材料,进而大幅提升电芯能量密度; 结构端看:固态电解质将电解液的隔膜功能合二为一,大幅缩小正负极间距,从而降低电池厚度,因此提升电芯能量密 度; 电芯中液体含量(wt%) 25 15 10 5 1 0 电解质 液态电解质 混合固液电解质 全固态 Li负极含量 (wt%) 0 5 30 50 80-100 负极材料 石墨/硅负极 预锂化负极 富锂复合负极 金属锂负极 能量密度 (Wh/kg) 250 300 350 400 500 最高操作温度 (℃) 55 80 150 Pack端看:固态电解质的非流动性,可以实现电芯内部的串联、升压,可以降低电芯的包装成本,并提升体积能量密度。固态电解质的安全性,可以减少系统热管理系统需求,成组效率大幅提升,从而提升Pack能量密度。 表正负极电极材料性能对比 图液态—固态电池材料体系及能量密度发展趋势 指标理论克容量(mAh/g) 首次效率(%) 电压平台(V) 正极 磷酸铁锂170 ≥85% 2.5~4.1 钴酸锂274 ≥80% 2.75~4.3 锰酸锂148 ≥90% 3.0~4.3 三元NCM278 ≥85% 3,0~4.3 三元NCA279 ≥86% 2.7~4.2 富锂锰基458 ≥80% 2.0~4.8 负极 石墨 340-360 90-92% 0.2 硅基 1520-4200 60-92% 0.3-0.5 锂金属 3860 缺点:离子电导率低,循环寿命差,制约商业化进程 固态电池界面为固-固接触,离子电导率低、界面稳定性差,存在循环、快充等问题,制约其商业化进程。 材料端离子电导率低:固态电池中,电极与电解质之间的界面接触由固-液接触变为固-固接触,由于固相无润湿性,因此接触面积小,形成更高的界面电阻。同时固体电解质中有大量的晶界存在,且晶界电阻往往高于材料本体电阻,不利于锂离子在正负极之间传输,从而影响快充性能和循环寿命; 循环寿命差:固-固接触为刚性接触,对电极材料体积变化更为敏感,循环过程中容易造成电极颗粒之间以及电极颗粒与电解质接触变差,造成应力堆积,导致电化学性能衰减,甚至导致裂缝的出现,造成容量迅速衰减,导致循环寿命差的问题。 图固-固接触VS固-液接触表固/液电解质电导率对比 固态电池液态电池 电解质电导率 聚合物固态电解质常温𝟏𝟎−𝟓S/cm,高温𝟏𝟎−𝟒S/cm 图电极活性材料膨胀造成应力堆积 活性材料膨胀开裂活性材料与固态电解质分离 氧化物固态电解质𝟏𝟎−𝟒S/cm 硫化物固态电解质𝟏𝟎−𝟑S/cm 液态电解质𝟏𝟎−𝟏S/cm 9 数据来源:知网,东吴证券研究所 高成本:固态电解质含稀有金属,成本明显高于液态电池 固态电池成本高于液态电池,主要体现在固态电解质和正负极。固态电解质目前难以轻薄化,用到的部分稀有金属原材料价格较高,氧化物电解质含锆、硫化物电解质含锗,叠加为高能量密度使用的高活性正负极材料尚未成熟,铜锂复合带价格1万元/kg,全固态对生产工艺、成本和质量控制也提出了更严苛的要求,生产设备替换率大,全固态电池成本预计明显高于现有液态电池。 图固态电解质价格图图全固态电池成本显著高于现有液态电池 LLZO成本拆分1t用量单价 氧化锆414.14kg4万元/吨 氧化镧409.09kg1万元/吨 碳酸锂436.03kg15万元/吨 实际销售价格 2000元/kg 原材料成本85元/kg LPSC成本拆分1t用量单价 硫化锂 428.3kg 10万/kg 氯化锂 158.3kg 15万/t 五硫化二磷767.2kg8000元/吨 原材料成本1万/kg 实际销售价格 1万/kg 实际销售价格 1万/kg 铜锂复合带 逐级迭代:固态电解质→新型负极→新型正极 固态电池技术发展和应用预计将呈现梯次渗透趋势。我们预计液态电池到固态电池的技术迭代路径大致遵循“固态电解质→新型负极→新型正极”顺序。 阶段一:引入固态电解质,保留少量电解液,正负极仍为三元+石墨/硅负极,并采用负极预锂化等技术提高能 量密度; 阶段二:用固态电解质逐步至完全取代电解液,用金属锂取代石墨/硅负极,正极仍为三元材料; 阶段三:逐渐减薄固态电解质的厚度,并用硫化物/镍锰酸锂/富锂锰基等材料取代正极。图固态电池技术迭代路径 类型电解液隔膜负极正极产业化时间 第一代 半固态 部分替换为固态电解质 不变 石墨/硅碳,可能配合预锂化技术 三元 2022年后 电解质 第二代全固态全部替换为固态 取消 金属锂 (少数方案保留) 石墨/硅碳,可能配合预锂化技术 三元2023-2024年 第三代 全固态 全部替换为固态电解质 取消 (少数方案保留) 金属锂 三元 2025年后 电解质 第四代全固态全部替换为固态 取消 (少数方案