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