电力设备及新能源行业深度研究报告：固态电池：锂电革新升级，半固态产业化前景可期

固态电池具备能量密度与安全性双重优势，未来替代空间大。液态锂离子电池中电解液具备高化学反应活性、易氧化、易燃烧的特点，而固态电池采用固态电解质代替电解液，与液态锂离子电池相比具备安全性优势，且兼容更高比容量正负极材料，有望打开电池能量密度上升空间，进一步增加电车续航里程，实现锂电池技术的再次升级。 半固态电池实现装车验证，多消费场景拓展迅速。目前固态电池行业处于产业化元年，全球主流车企、电池厂纷纷布局加码，但受限于供给端技术、产线、成本等因素，全固态电池量产仍需时日，半固态电池已经率先实现装车，并在后续车型上有望发力。此外，固态电池在3C数码、无人机等应用场景也已实现拓展，有望进一步贡献增量。 氧化物、聚合物电解质应用于半固态电池，中短期确定性强。固态电解质包含聚合物、氧化物、硫化物三种类型。聚合物兼具柔性与低成本，与现有产线兼容度高；氧化物稳定性突出，综合性能优秀，成本适中；硫化物电导率更高，动力电池场景远期更有前途，但稳定性较差，目前还处于研发阶段。目前半固态电池主要采用氧化物（LLZO、LATP、LLTO）与聚合物固态电解质（PEO基）。 半固态电池产业化趋势明确，行业处于产业化元年。国内半固态技术布局领先，宁德时代、赣锋锂业、亿纬锂能、国轩高科等头部动力电池企业半固态产品陆续发布。量产装车方面，东风旗下岚图追光半固态车型22年已经交付量产，蔚来ET7搭载卫蓝半固态电芯也于23年6月交付，赛力斯、上汽、长安等主流车企也陆续推出了半固态电池搭载车型，未来有望放量，行业增长潜力大。 建议关注： 相对更受益的氧化物电解质环节：清陶能源（未上市）、卫蓝新能源（未上市）、上海洗霸、金龙羽。 半固态电池厂商：清陶能源（未上市）、卫蓝新能源（未上市）、宁德时代、赣锋锂业、国轩高科、亿纬锂能、孚能科技、蜂巢能源（未上市）。 原材料相关环节：1.金属锆：三祥新材；2.PEO原料：奥克股份；3.LiTFSI：瑞泰新材、江苏国泰。 高镍/超高镍三元正极厂商：当升科技，容百科技。 有望受益的硅基负极厂商：贝特瑞。 风险提示：半固态车型渗透率不及预期；半固态电池量产进度不及预期；个股公司新技术研发不及预期；行业技术路线出现重大变化。 投资主题 报告亮点 本报告从液态锂离子电池材料体系的发展现状出发，在参考了大量学术论文、行业技术文章的基础上，从安全性、能量密度上升空间、经济性等方面阐述了固态电池的核心优势以及产业化的必要性。另外，本报告全面总结了固态电池的行业发展现状以及应用场景拓展情况，总结了主要厂商固态电池布局以及国内半固态电池的装车验证时间表。 投资逻辑 固态电池具备能量密度与安全性双重优势，未来替代空间大。目前液态锂离子电池中电解液为有机溶剂，其高化学反应活性、易氧化、易燃烧的特点，不仅给目前液态电池带来了安全性挑战，也使得正负极材料体系无法进一步大幅提升能量密度。固态电池采用固态电解质代替电解液，具备本征安全性，兼容更高比容量正负极材料，提高电池包空间利用率，可以实现更高的能量密度，增加电车续航里程，有望实现对液态电池的替代，行业存在0-1的投资机会。 半固态动力电池已陆续实现装车验证，多消费场景助推固态电池产业化。动力电池方面，国内外主流厂商均对固态电池进行布局，全固态电池量产仍需时日，但半固态电池已经率先实现装车量产，并在后续车型上有望发力，产业链有望受益。此外，固态电池在3C数码、无人机、便携式储能等应用场景也已实现拓展，有望进一步贡献增量。 重点关注半固态电池产业链。与液态电池相比，半固态电池主要新增氧化物电解质包覆、聚合物原位固化等工艺。氧化物电解质处于行业发展初期，LLZO、LATP更具应用前景；聚合物电解质PEO原料需求也有望增加。此外，硅基负极、高镍/超高镍三元正极的应用有望随着半固态电池产业化而拓展，值得关注。综上，我们建议关注半固态电池、固态电解质核心厂商，以及产业链增量需求材料如金属锆、LiTFSI、环氧乙烷、硅基负极的核心标的。 一、固态电池：锂二次电池的最终形态 （一）固态电池具备能量密度与安全性双重优势 液态电池存在本征安全性问题，电解液成为关键。热失控被认为是电池安全问题的主要原因，其结果可能会导致火灾和爆炸，在电池热失控过程中，电解液的易燃、易氧化、高化学活性的特点使其成为热失控过程中的关键。热失控诱因包括过充、外部加热、内部短路和机械故障。在充放电过程中，往往会有一部分锂无法嵌入负极，反而沉积在负极表面，形成锂枝晶，锂枝晶生长刺穿隔膜造成内短路，过热开始。此后SEI膜、隔膜、电解质、正极材料相继分解并释放热量、氧气，助推热量的进一步积累，最终达到电解液的燃烧条件，电池发生热失控，最终起火、爆炸。 图表1锂枝晶生长刺穿SEI膜、隔膜 图表2锂离子电池热失控致灾历程 Trapping.Advanced Energy Materials,2018. and combustion science,2019. 固态电池采用固态电解质取代电解液，具备安全性优势。固态电池采用固态电解质部分或全部代替电解液。固态电解质主要包括聚合物、氧化物、硫化物三种类型。与电解液相比，固态电解质同时具备不易燃、耐高温、化学活性低的特性，此外还具备一定的力学强度，可以更好的抑制锂枝晶生长，抵抗外界应力冲击，降低热失控风险，从而大幅提高电池安全性能。 固态电解质兼容更高比容量正负极材料，打开能量密度上升空间。“里程焦虑”是电动车领域始终绕不开的话题，也不断推动着电池能量密度的不断提高。正负极材料化学体系决定着电芯能量密度的上限。与电解液相比，固态电解质具备更高的安全性与更宽的电压窗口，有望解决高压正极材料如富锂锰基、尖晶石镍锰酸锂与现有电解液不兼容的问题。固态电解质具备一定结构强度，可以补偿负极材料尤其是硅基材料的体积变化应力，也不容易导致锂损耗，提升硅基材料循环性能，从而使硅基负极向更高硅含量拓展。此外，固态电解质适配锂金属负极，有望最终实现锂金属电池的产业化。 图表3液态锂离子电池结构示意图 图表4全固态电池结构示意图 （二）全固态尚未成熟，半固态率先量产 全固态电池界面接触问题较为严重，工艺尚不成熟，生产成本高昂。固态电解质缺乏流动性，导致固-固接触面积小，阻抗增大等问题出现，整体电导率较低，制约固态电池产业化应用。研发合适的固态电解质以及电极材料体系难度较大，且目前固态电池的工艺技术尚未成熟，特别是在大规模生产方面存在一些挑战。此外，固态电池使用的材料多为新型材料，成本相对较高，由于制造工艺尚未成熟，生产设备和流程的投入也较大，导致在当前情况下固态电池的生产成本居高不下。 图表5全固态电池界面接触问题较大 半固态电池兼具性能与生产优势。半固态电池是液态电池向全固态电池过渡的中间方案，采用原位固化技术引入聚合物凝胶网络，通过在正极材料、负极材料或隔膜两侧涂覆固态电解质，同时保留传统液态电解液，实现固-液混合。 与液态电池相比，半固态电池引入了固态电解质，可以在现有体系的基础上提升能量密度与安全性；与全固态电池相比，半固态电池保留了部分电解液，改善了电导率以及界面接触的问题。由于基本保留了液态电池结构，半固态电池与现有产线兼容度高，没有对电池企业生产工艺带来更大挑战，综合来看是行业目前更优的选择方案。 图表6半固态电池示意图 半固态电池未来市场渗透率有望提升。考虑到固态电解质产业链发展尚处于早期，材料实际价格与原材料成本相差较大，加工成本高昂，我们认为随着技术的不断完善叠加规模效应，半固态有望率先在各个下游场景中得到应用。半固态电池可以适配更高比容量的正负极材料，能量密度提升后，单位成本有望进一步降低。综合考虑半固态电池相比液态电池在安全性、能量密度上的优势，我们认为半固态电池具备较强市场竞争力，未来市场渗透率有望逐渐提升。 图表7液态电池、半固态电池、全固态电池对比 二、产业化之路：动力电池半固态先行，消费领域多场景拓展 （一）国内半固态电池率先产业化 固态or半固态研发加速。2015年后国内企业不断加大对固态电池领域研发力度，相关专利申请数量大幅上升，根据国家知识产权局网站检索，目前共有3147项固态电池相关专利。 图表8国内固态电池专利申请数量 国内半固态电池率先产业化。与海外企业直接专注于全固态动力电池不同，国内企业以市场驱动为主，主要布局目前可量产的半固态电池路线。早在2020年12月，蜂巢能源就推出了“果冻电池”，基于聚合物凝胶化技术，起到“不起火、不冒烟、自愈合”的效果。赣锋锂业第一代半固态电池能量密度为260Wh/kg，第二代固态电池采用锂金属负极，能量密度达400Wh/kg，安全性达到车规要求。国轩高科360Wh/kg高比能半固态电池已通过新国标安全测试并进入产业化阶段。亿纬锂能22年12月发布50Ah软包半固态电池，能量密度330Wh/Kg，循环寿命超过1000次，使用温度可拓展到-20℃-80℃，已完成设计定型，处于装车验证阶段。2023年4月，宁德时代推出凝聚态电池，兼具高比能+高安全，能量密度更是高达500Wh/kg，打破当前体系能量密度天花板，满足航空级的质量与安全要求。 图表9蜂巢能源果冻电池凝胶电解质 图表10宁德时代凝聚态电池 图表11国轩高科半固态电池 图表12赣锋锂业固态电池 图表13国内主流电池厂商半固态产品进展 半固态电池装车量产加速验证。目前半固态电池已经在相关车型上得以量产验证。东风旗下已有两款搭载半固态电池车型，22年E70实现首批小规模交付，23年岚图追光正式量产，但其电池性能相较于目前液态电池而言并不具备优势。蔚来ET7可搭载卫蓝新能源研发的360Wh/kg电芯，续航可突破1000公里，于今年6月底实现交付，进入量产阶段。赛力斯SERES5搭载赣锋锂业第一代固态电池，能量密度为260Wh/kg，今年6月已经实现首批交付。上汽、长安、广汽、北汽等车企也都推出了半固态电池的装车计划。 图表14国内车企搭载半固态电池车型进展情况 （二）全固态电池量产仍需时日 海外专注于全固态电池，大规模装车仍需时日。早在2011年，法国Bolloré就推出了搭载固态电池的乘用车BlueCar，成为首个实现聚合物电解质固态电池商业化的公司，但当时固态电池相比液态电池并不具备性能优势。美国拥有多家固态电池独角兽公司，主要专注于全固态电池，技术类型多样，聚合物、氧化物、硫化物均有布局。日韩多家巨头公司布局固态电池领域较早，主要专注于硫化物全固态电池。 图表15 Quantum Scape氧化物全固态电池 图表16 Ionic materials聚合物全固态软包电池 丰田突破全固态电池核心技术，挑战2027年量产装车。此前，全固态电池循环寿命较短是核心难题。固体电解质随着电池的充放电反复膨胀和收缩，可能会引发龟裂，导致锂离子在正负极之间的流动会变得困难。2023年7月，丰田正式宣布，已经发现了克服这一难题的新技术，其研发的全固态电池充电不到10分钟即可行驶约1200公里。丰田预计其全固态电池将全面进入面向量产研发的阶段，未来将搭载到BEV车型上，计划在2027~28年投入实际应用。 图表17丰田硫化物全固态电池 三星全固态电池进入中试阶段，预计2027年量产。2021年底，三星SDI推出全新电池品牌“PRiMX”，并宣布了全固态电池产业化规划。三星在2021年已经完成了PP Scale Material层面的工作，2022年全固态电池中试生产试验线在水原市开工，公司规划2025年开发出全固态电池原型产品，2027年实现量产。三星SDI的全固态电池结合了NCA高镍技术、高性能硫化物型固态电解质、新型阴极和堆叠技术，可以实现更高的安全性以及整车轻量化效果。 图表18三星SDI固态电池产业化规划 图表19三星SDI全固态电池方案 图表20全球主流厂商全固态电池进展 （三）3C数码、无人机应用场景拓展 聚合物固态电池率先应用于消费领域。在消费电池领域，聚合物固态电池又被成为锂聚合物电