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 东吴证券 SCSSOOCHOWSECURITIES 干呼万唤始出来，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：巧燕 执业证书编号：S0600517120002 联系邮箱：ruangy@dwzq.com.cn 联系电话：021-60199793 2023年6月4日 摘要东吴证券 SESSOOCHOWSECURTIES 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爱阶段，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，而固态电池大幅升电池的安全性，兼容高比容量正负极，打 开量密度天花板，因此成为动方电池下一轮技术竞赛中的关健。但全适态电池工艺并不成熟，仍处于研发阶价没， 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平固态版车型，续航里程超1000km，但自前技术 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刻心，中氧化物进展较快，硫化物发展潜力大。半固态电池集容现有工艺设备，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，氧化物自前进展较快，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，电极工艺向干法送代，封装方式采用叠片+软包的方式，能量密度可送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，后续或升级固态+短力+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，天自先导、蓝固新源绑定卫蓝新能源性 能标优异，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，关注锋锂业、孚能科技、国高科等：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、云南诸业、驰宏锌诸，电解质的奥克股份、上海洗霸、金龙、瑞泰新材。 风险提示：新技木量产进度不及预期；行业发展不及预期；行业竞争加剧的风险 目录 东吴证券 SCSSOOCHOWSECURITIES Part1：固态电池具备本征安全，打开能量密度天花板Part2：以固一固接触为核心，电解质一负极-正极梯次升级Part3：半固态路线先行，全固态仍处研发阶段Part4：投资建议 Part5：风险提示 东吴证券 SS SOOCHOWSECURITIES 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，打破能量密度瓶颈东吴证券 SESSOOCHOWSECURTIES 液态电池中，有机溶剂具有易燃性，直抗氧化性较差，自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。我们门认为车企采用适态电池，安全性为短期驱动因素，能量密度为长期驱动因素 图液态/固态电池结构京慧图表液态半固态/全固态电池对比 解质 电解液隔膜固态电液态半固态全固态 负极活正极活 性物质性物质液体含量 (wt) 25%5-10%0% 导电材料粘结剂 能量密度 电解质 250Wh/kg 有机溶剂+锂盐 350Wh/kg500wh/kg 复合电解质（氧化物+硫化物、氧化物、聚 图液态/半固态/全固态发展路径聚合物+浸润液体）合物 液态半固态准固态全固态隔膜传统隔膜隔膜+氧化物涂覆无隔膜 10wt%5wt%Owt% 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 250Wh/Kg 350Wh/Kg 400Wh/Kg 500Wh/Kg 55'C 80°℃ 150°C+ 工作温度 能量密度负极石墨硅+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东吴证券 SESSOOCHOWSECURIIES 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60C运行工作日由于内部短路、外部加热、机械监用等因素，使电池温度升至90C，此时负极表面的S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、热稳是性：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惠。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，同时内音部无液体不流动电池可承受穿钉、切 开、剪开、折弯，从而天幅降低热失控风险。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，锂枝晶生长缓慢直难刺透，进而提升电池安全性能 图液态锂离子电池受热易失控 电池温度升高正极分解，释放氧气 ：过度充电>200℃电解液分解 ·撞击温度到达电解液闪点 短路 泡水140℃：电解液开始蒸发 130℃：隔膜熔化，开始发生内短路 >120℃：电解液负极反应，产生大量可燃气体 90-120℃:SEI分解 80°℃100°℃120℃140℃160℃180℃200℃220℃ 6 高能量密度：兼容高比容量正负极大幅提升能量密度东吴证券 SESSOOCHOWSECURITIES 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，因此可以集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，天幅缩小正负极间距，从而降低电池厚度，因此提升电芯能量密 度； Pac端看：固态电解质的流动性，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一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 碳酸铁锂 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NCM 278 ≥85% 3.0~4.3 电芯含中量液体25 (wt%) 5 10510 电解质液态电解质混合固液电解质全固态 L负极含量 三元NCA279≥86%2.7~4.2 (wt%) 053050 80-100 富锂锰基458≥80%2.0~4.8 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 石墨 340-360 负极 90-92% 0.2 能量密度 (Wh/kg) 250 300 350 400 500 硅基 锂金属 1520-4200 3860 60-92% 0.3-0.5 最高操作温度 55 80 150 (℃) 缺点：离子电导率低，循环寿命差，制约商业化进程东吴证券 SESSOOCHOWSECURTIES 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，直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-固妾触为刚性接触，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 Poorcontact 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 聚合物固态电解质常温10-5s/cm，高温10-4S/cm 氧化物固态电解质10-4s/cm 硫化物固态电解质10-35/cm 液态电解质10-1s/cm CrackingAM/SEdetachment 8数据来源：锦段研究 高成本：固态电解质含稀有金属，成本明显高于液态电池东吴证券 SESSOOCHOWSECURIIES 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。固态电解质自前难以轻薄化，用到的部分稀有 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 单价1t用量LLZO成本拆分 (a)Celldesignforlithium-ionbatteriesandall-solid-statebatteries LIB(graphiteanode)LIB(Si/Canode)SLIB(graphiteanode)SLMB(lithiumanode) 氧化锆 氧化 414.14kg CurrentcodectorCurrentcolector 4万元/吨Currentcollector AnodeCurrentcollector (41-133μm) 409.09kg1万元/吨Separator(20μm