半固态电池专题报告：向理想更近一步

半固态电池：向理想更近一步 证券研究报告行业动态报告 分析师：许琳 xulin@csc.com.cn SAC执证编号：S1440522110001 分析师：刘溢 liuyibj@csc.com.cn SAC执证编号：S1440523040001 发布日期：2023年4月18日 本报告由中信建投证券股份有限公司在中华人民共和国（仅为本报告目的，不包括香港、澳门、台湾）提供。在遵守适用的法律法规情况下，本报告亦可能由中信建投（国际）证券有限公司在香港提供。同时请参阅最后一页的重要声明。 核心观点：全固态电池产业化尚需时日，半固态电池寸积跬步，兼具固态、液态电解质的优势。当下仍面临电导率（倍率性能）、界面（循环寿命）和成本问题，发展方向上来看，（半）固态电池核心仍是电解质，对于核心问题有较好解决的均有放量潜质，推荐关注固态电解质及锂盐、高性能正负极等。 半固态电池有望实现高能量密度+高安全性。能量密度：目前主流三元液态电池一定安全性下已接近能量密度上限，当前半固态电池能量密度已达到360wh/kg，后续将继续突破。安全性：半固态电池电解液质量分数仅为5%-10%，固态电解质的不易燃、零挥发，显著提升了电池的热稳定性。 当下仍面临电导率（倍率性能）、界面（循环寿命）和成本问题，发展方向上来看，（半）固态电池核心仍是电解质，现阶段多是聚合物+氧化物等，基于主流固态电解质性能出发，后续为了综合性能大概率延续复合体系的路径，同时添加新型锂盐等，为了提升能量密度大概率要使用高性能正负极比如超高镍、富锂锰基、锂金属负极等，同时辅以外部加压、电解质厚度平衡等工艺优化才可实现较好的性能。但就（半）固态产品而言性能是前提，成本是能否放量的基础，或先在成本容忍度高的领域应用，在新能源汽车领域应用大概率要平衡一部分性能和成本，空间上看，预计2030年固态电池渗透率6%，需求合计约300GWh，未来几年将迎来较快放量。 产业进展上看，宁德时代、卫蓝新能源、清陶能源、赣锋锂业等均有普遍进展，国内路径主要是氧化物和聚合物，海外LGC等以硫化物路径为主，目前主流供应商已经有在车型上搭载应用的预期，预计后续是产业推进的主力军，其新产品的发布和推进将引发行业变化。 •半固态电池寸积跬步，向理想更进一步 •能量密度提升方向：高性能正负极，多方面优化 •倍率性能优化方向：硫化物、卤化物掺杂+电解质减薄 •循环寿命优化方向：聚合物骨架+外压 •安全性优化方向：正极载量和电解质厚度是关键 •体系的优化方向：复合体系是基础 •工艺：前段工序相同，后段增加加压或烧结 •成本及空间：成本仍需努力，预计2030年300GWh需求 •产业链进展：百花齐放 行业动态报告 半固态电池寸积跬步，向理想更进一步 “固态电池”涵盖了一系列宽泛的概念（以电池内部的液相占比大致区分）：准固态电池、半固态电池、固态电池和全固态电池等。 固态电池研究者一般认为，固态电池的能量密度更高、安全性更强。我们从部分公开了电池单体能量密度的企业信息出发直接比较， 固态电池确实可以在一定程度上具备较高质量能量密度。 图：固态电池兼顾安全和性能图：固态电池包括准固态电池、半固态电池、固态电池和全固态电池等 企业 类型 性能 安全性 亿纬锂能 圆柱液态 285Wh/kg 中 孚能科技 软包液相 330Wh/kg 中 卫蓝新能源 半固态 360Wh/kg 优 清陶能源 固态 368Wh/kg 优 SES 软包液态锂金属电池，含固体涂层 417Wh/kg 中 资料来源：亿纬，孚能，卫蓝，清陶，SES，中信建投资料来源：ApproachingPracticallyAccessibleSolid-StateBatteries: StabilityIssuesRelatedtoSolidElectrolytesandInterfaces，中信建投 资料来源：知网，中信建投 固体电解质和电解液一样，都应考虑离子导通、电子绝缘、和电极的物理接触良好、抗正极氧化、抗负极还原（对高能量密度电池来说对锂金属的稳定性非常重要）、电化学稳定、热稳定、空气稳定、机械稳定、各个指标的对应温度特性好等性能需求，以及综合成本低廉的规模推广需求。 各类固体电解质的性能表现各有所长，但是任何单一固体电解质均无法取得令人满意的综合性能。整体看硫化物电导率可媲美液态电解液但稳定性较差，氧化物热稳定性较好但抗还原能力、物理性较弱，聚合物抗还原性较好且物理接触较好但电导率较弱。固体电解质材料开发，固体电解质和电解液协同应用至关重要，是非常系统的工作，单一或复合电解质可优化的空间较大，半固态电池寸积跬步。 图：固态电解质目前难兼顾稳定、强韧、高导锂能力 体系导锂机制材料导锂能力热稳定性抗还原性抗氧化性空气稳定性电极物理接电化学稳定机械稳定性 触能力性 对应电池性能倍率性能安全性负极兼容正极兼容合成难度等循环性等合成难度等安全性等 传统电解液6F，LifSI等 锂离子通常在聚合物PEO、PS、PC、聚合物的无定形区域进行迁PVDF等 移 5 1 232 44 1 3 2323 33 2 氧化物NASICON（LATP） 锂离子在以阴离子为石榴石（LLZO） 硫化物框架的晶格间跃迁LISICON（LGPS）卤化物LiAX4（Li2ZrCl6） 33 55 1 44 11 44 333 3 4 4333 22 3 1 2 1 33 4 222 凝聚态电解质即加入少量电解液使电极材料和电解质间保持良好的界面接触，再利用化学或电化学反应进行原位聚合 ，使液体电解质部分或全部转化为固体电解质的方式，解决部分界面问题（主要是循环性能），在电池体系设计上更易实现性能、成本兼顾。 图：凝聚态的基本原理和效果示意 资料来源：HighPolymerizationConversionandStableHigh-VoltageChemistryUnderpinninganInSituFormedSolidElectrolyte，中信建投 就电芯能量密度而言，目前主流三元液态电池达到200-300wh/kg，已接近能量密度上限，而卫蓝新能源、国轩高科的半固态（凝聚态）电池已达到360wh/kg，初步显露优势。 安全性方面，半固态（凝聚态）电池电解液质量分数仅为5%-10%，固态电解质的不易燃、零挥发，显著提升了电池的热稳定性。 图：当前半固态（凝聚态）电池已较液态电池显露能量优势图：半固态电池热稳定性强，工作温度更高 400 350 300 250 200 150 100 50 0 主流液态电池主流液态电池上限现有凝聚态电池 资料来源：知网，中信建投资料来源：知网，《硫化物全固态电池的研究及应用》，中信建投 环节 年份 2017以前 2018-2021 2022-2023 2024-2025 2026+ 正极 层状氧化物 中镍三元应用 高镍三元8系（容量↑能量密度 ↑）逐步应用 8系成熟，9系和高电压逐步应用， 23年全球或40万吨 高镍三元9系成熟，高电压或逐步成熟，高性能三元长期份额全球30% - 橄榄石磷酸盐 磷酸铁锂应用 磷酸铁锂优化（压实密度↑能量密度↑；寿命↑） 磷酸铁锰锂逐步应用（对锂电压 ↑能量密度↑），23年万吨级别 磷酸铁锰锂成熟，长期份额全球20% 以上 - 其他 - - - 尖晶石镍锰酸锂、富锂锰基正极有开始应用可能 持续关注新体系性能成本进展 人造/天然石墨 人造石墨为主 人造石墨为主，天然石墨部分回潮（成本↓） 人造石墨为主，天然石墨部分回潮（成本↓） - - 负极 硅碳/硅氧化物碳 - 低硅含量（5%以内，容量↑能量密度↑）逐步应用 渗透率提升，硅含量增加（5%- 10%），23年全球或4万吨 高硅含量（10%以上）逐步成熟，长 期份额全球10%以上 - 其他 - - - 锂金属逐步取得进展 关注锂金属负极 电解质体 电解液及添加剂 6F和经典体系 6F和经典体系 LiFSI（倍率、温度特性↑）逐步应用，23年全球或5万吨 LiFSI逐步成熟，多种新型锂盐和添加剂逐步应用 - 系 固体电解质 - 初步研发和应用 初步研发和应用 氧化物、聚合物、硫化物、卤化物 尚难定论，或复合电解质+ 隔膜 干法/湿法隔膜 湿法隔膜为主 湿法隔膜为主 湿法隔膜在线涂覆，干法隔膜低成本储能应用 在线涂覆成熟，涂覆材料多样化（氧化铝，勃姆石，芳纶，PVDF，PMMA，固体电解质） - 导电剂 碳管 - 碳管初步研发和应用（电导↑） 碳管渗透率提升 碳管成熟 - 工艺 氧化物共烧，加外压等（可提升循环、倍率） 行业动态报告 能量密度优化方向：高性能正负极，多方面优化 量产/接近量产的100Ah以上固态电池，质量能量密度可实现性在300Wh/kg以上。在实验室水平，固态电池的能量密度可以更高。 硫（载于碳管上）正极-LGPS-锂铝合金负极电池（标准2032纽扣电池，估算在0.3Ah级别）的质量能量密度达到541Wh/kg。 三元正极（包覆氧化锂-氧化锆纳米层）-LPSCl固体电解质-银碳复合负极电池（0.6Ah软包电池）的体积能量密度可达900Wh/L。 图：硫正极-LGPS-锂铝合金负极电池原理 电池的能量密度提升手段：提升电极面密度；提升正极中活性物质的含量；提升正极容量密度；提升N/P；减薄电解质厚度。 充分减薄固体电解质，则三元正极-锂金属电池的体积能量密度表现突出，硫正极-锂金属电池的质量能量密度表现突出，铁锂正极的性能指标变化幅度略小，能量密度也较低。 图：典型正极-锂金属-固体电解质体系的能量密度提升手段 行业动态报告 倍率性能优化方向：硫化物、卤化物掺杂+电解质减薄 锂电池的快充性能需要考虑电解质的（体相、电解质-电极界面）离子电导率，也需要考虑其他组元（比如锂金属负极）在较高倍率条件下可能存在的问题。典型能量型液态锂电的倍率性能在1-4C范围，功率型液态锂电的倍率性能高达几十C。也有部分企业宣传其超级快充液态锂离子电池的倍率性能可以进一步提升。 固体电解质的离子电导率一般来说低于电解液，电解质-电极的界面阻抗也较高，这使得固态电池在倍率性能上不易和液态电池竞争。 优化方向相对综合，依托硫化物、卤化物电解质掺杂，结合减薄工艺等进行提升。 图：锂电高倍率高能量密度电池已经普及 产品种类 技术路线解释 主要产品类型 电芯质量能量密度 倍率性能 下游主要应用领域 BEV：220～ BEV： 方形 三元锂电池正极材料为镍钴锰 的锂离子电池 300Wh/kgHEV：100～ 130Wh/kg 1C～4CHEV：1C～50C 乘用车 磷酸铁锂电池正极材料为磷酸铁 锂的锂离子电池 圆柱、方形165～200Wh/kg 1C～4C乘用车、商用车、储能系统 资料来源：知网，中信建投 离子电导率是决定电池倍率性能的重要指标，固体电解质的离子电导率一般来说低于电解液，电解质-电极的界面阻抗也较高，这使得固态电池在倍率性能上不易和液态电池竞争。 面对快充困境，卤化物潜力有待挖掘。研究者合成了Li2In1/3Sc1/3Cl4固体电解质，该电解质搭配钴酸锂或者高镍正极、锂铟合金负 极后，在相对高的倍率（2-3C）条件下，还保留了较高的容量，这也体现了卤化物体系的潜力。 图：钴酸锂或三元正极-Li2In1/3Sc1/3Cl4固体电解质-锂铟合金负极电池的倍率性能 资料来源：Higharealcapacity,longcyclelife4Vceramicall-solid-stateLi-ionbatteriesenabledbychloridesolidelectrolytes，中信建投 固态电解质厚度会显著影响电池性能：固体电解质厚膜不仅会降低固态电池的能量密度，而且还会显著增加膜厚度方向的离子传输距离，从而产生较大的电压极化和电池内阻，从而降低倍率性能。