新能源汽车产业链行业新技术系列报告（二）：半固态装车元年已至，下一代电池技术蕴藏机遇

看好（维持） 半固态装车元年已至，下一代电池技术蕴藏机遇 ——新技术系列报告（二） 行业研究|深度报告新能源汽车产业链行业 国家/地区中国 行业新能源汽车产业链行业 核心观点 固态电池进展超预期，半固态率先落地加速装车。固态电池相较传统液态电池在能量密度和安全性方面的优势明显，被认为是最具潜力的下一代电池技术之一。但由 于其技术尚不成熟、成本依旧高昂，业界普遍认为商业化应用的时间节点远在2030 年。但2022年以来，国内企业以半固态方案作为过渡的中间路线，率先实现装车应用进入产业化阶段。随着装车车型增多，半固态电池应用规模扩大，经济性有望提升，带动产业链同步发展，或将加速向全固态电池最终形态的进化过程。 材料体系全面优化，电解质开辟新赛道。电解质为固态电池关键创新点，三大技术路线各有优劣：硫化物离子电导率最高，远期发展潜力大，但稳定性差、成本高 昂；氧化物电导率适中而稳定性好，研发验证进展较快；聚合物电导率受限，但应用难度小成半固态方案短期之选。固态电池正负极材料向高性能方向迭代，有望打开高镍三元、硅基负极的应用空间，长期来看锂金属负极和镍锰酸锂、富锂锰基等新型正极材料具备较好前景。 国内外公司积极布局，把握新技术机遇。当前国内外涉足固态电池的企业较多，车企、研发机构、包含众多初创企业在内的电池企业及中游材料企业均投入新技术研发布局。工艺技术的创新和材料体系的变化，为全产业链带来新的机会。分环节来 看，国内自主品牌及新势力车企半固态装车走在最前列，配套电池厂整体产能规划已进入百GWh量级，电解质材料的开发和量产进度则相对滞后，高镍三元正极国内 报告发布日期2024年02月27日 卢日鑫021-63325888*6118 lurixin@orientsec.com.cn 执业证书编号：S0860515100003 李梦强limengqiang@orientsec.com.cn 执业证书编号：S0860517100003 林煜linyu1@orientsec.com.cn 执业证书编号：S0860521080002 杨雨浓yangyunong@orientsec.com.cn 朱洪羽zhuhongyu@orientsec.com.cn 已具备成熟量产能力，而硅基负极规模尚小有待放量。 投资建议与投资标的 固态电池被认为是解决锂电池安全问题以及提升能量密度的理想方案，作为下一代电池技术路线获产业重点布局。2022年以来，固态电池的研发和产业化取得了明显的进展，尤其是国内企业在半固态电池领域的技术进步和成本降低均大幅超预期，以卫蓝新能源和赣锋锂电等为代表的半固态电池在2023年实现量产装车，标志着半固态电池已经进入产业化元年。随着电池企业的产能规划落地和更多车企车型的装车应用，固态电池的产业化进程有望加快。建议关注布局半固态的电池企业宁德时代(300750，未评级)、亿纬锂能(300014，未评级)、赣锋锂业(002460，未评级) 等。 与液态锂离子电池相比，固态电池在材料端的核心变量为固态电解质，并有望提升高性能正负极材料和软包封装的渗透率。建议关注在相关材料上布局深入进度领先的企业：电解质上海洗霸(603200，未评级)、金龙羽(002882，未评级)，正负极材料容百科技(688005，未评级)、当升科技(300073，买入)、贝特瑞(835185，未评级)、璞泰来(603659，未评级)、天齐锂业(002466，未评级)、赣锋锂业(002460，未评级)、杉杉股份(600884，未评级)，铝塑膜新纶新材(002341，未评级)、明冠新材(688560，未评级)。 风险提示 固态电池产业化进度不及预期、技术路线革新风险、原材料价格波动的风险 磷酸锰铁锂：正极材料性价比优选，规模化放量在即：——新技术系列报告（一） 2023-07-31 有关分析师的申明，见本报告最后部分。其他重要信息披露见分析师申明之后部分，或请与您的投资代表联系。并请阅读本证券研究报告最后一页的免责申明。 目录 固态电池：提升能量密度，解决安全问题的理想电池方案5 优势：高安全性与高能量密度6 挑战：生产成本尚高，技术难点犹存8 固态电池材料与工艺的变与不变10 电解质：核心变量，关注路线之争10 正负极：突破限制，性能边界拓宽12 制造工艺：部分环节可兼容，长期降本需革新14 产业化进展与公司梳理17 半固态电池：率先商业化的过渡方案17 公司梳理：产业链齐发力，把握新技术机遇19 投资建议24 风险提示25 图表目录 图1：动力电池技术发展趋势5 图2：液态电池与固态电池内部结构对比5 图3：固态电池技术发展路径5 图4：传统锂离子电池体系存在能量密度上限6 图5：使用锂金属负极的固态电池7 图6：内外串联电池结构对比7 图7：固态电池界面问题8 图8：全球固态电池企业技术路线10 图9：固态电解质对比12 图10：固态电解质制造工艺15 图11：液态锂离子电池与固态电池工艺路线对比15 图12：固态电池技术路线图16 图13：2000-2019年固态电池跨国专利申请数量20 图14：丰田推出固态电池可在10分钟内完成快速充电20 表1：锂离子电池各种放热反应的温度区间与反应焓6 表2：不同固态电解质所含金属成本价对比8 表3：固态电池和液态电池成本对比9 表4：氧化物电解质对比11 表5：硫化物电解质对比11 表6：聚合物电解质组分构成11 表7：不同正极材料性能对比13 表8：产业链公司高性能正极材料布局情况（截至2023年底）13 表9：不同负极材料性能对比14 表10：产业链公司高性能负极材料布局情况（截至2023年底）14 表11：不同电池封装形式优缺点及其与固态电池的适配度16 表12：主要企业半固态电池布局17 表13：半固态电池装车进展18 表14：半固态与液态锂电池主要材料与工艺选择差异18 表15：全球主要车企固态电池战略规划19 表16：日本企业固态电池布局20 表17：韩国企业固态电池布局20 表18：美国企业固态电池布局21 表19：国内企业固态电池布局21 表20：固态电池电解质相关公司22 表21：不同电解质所含稀有金属及相关企业23 表22：软包电池封装铝塑膜相关企业23 固态电池：提升能量密度，解决安全问题的理想电池方案 锂离子电池性能触及天花板，需求升级驱动技术迭代。随着电动车渗透率不断提升，人们对电池安全性和续航里程的要求越来越高。液态锂离子电池作为动力电池主流技术路线，一方面，液态电解质中有机溶剂的易燃性和高腐蚀性、充放电过程中无法避免的锂枝晶问题，引发人们对电池安全性的焦虑；另一方面，液态电池能量密度已逼近材料体系制约下的天花板，向上迭代空间受限。在现阶段同质化产能过剩严重的情况下，摆脱成本导向，探索新技术、寻求安全与性能的突破，成为动力电池产业新的进化之路。 图1：动力电池技术发展趋势 数据来源：许晓雄等《全固态锂电池技术的研究现状与展望》，东方证券研究所 固态电池或为当前最具潜力的电池技术发展方向。根据液态电解质在电池中的质量百分比含量，可将锂电池分为液态电池、半固态电池、准固态电池和全固态电池，其中半固态、准固态和全固态３种统称为固态电池。固态电池与液态电池遵循相同的充放电原理，并以固态电解质取代了液态电池中的液态电解质和隔膜，杜绝了易燃漏液的安全隐患，同时显著提升了电池能量密度，成为学术界、产业界的重点研究方向。 图2：液态电池与固态电池内部结构对比图3：固态电池技术发展路径 数据来源：JANEKJ等《Asolidfutureforbatterydevelopment》，东方证券研究所 数据来源：德勤白皮书，东方证券研究所 有关分析师的申明，见本报告最后部分。其他重要信息披露见分析师申明之后部分，或请与您的投资代表联系。并请阅读本证券研究报告最后一页的免责申明。 优势：高安全性与高能量密度 固态电池可从本质上解决锂离子电池的主要安全隐患。传统锂离子电池可能发生自燃、爆炸等安全事故，其根源来自于易燃易挥发的有机电解液。过度充电、内部短路均会造成热失控，电解液在高温下被点燃，最终导致电池起火或者爆炸。此外，电解液腐蚀、挥发、漏液也都可能为电池体系带来严重的安全隐患。而固态电解质本身不可燃、耐高温、无腐蚀、不挥发，机械强度、热稳定性和电化学稳定性均好于传统电解液，从根本上提高了电池的安全等级。 表1：锂离子电池各种放热反应的温度区间与反应焓 反应 温度区间/℃ 反应焓/（J/g） SEI膜分解 100~130 186~257 LiC6/溶剂 110~290 1460~1714 LiC6/PVDF 220~400 1100~1500 LixCoO2分解 178~250 146 LixNi0.8Co0.2O2分解 175~340 115 LixCoO2/溶剂 167~300 381~625 Mn2O4/溶剂 200~400 350~450 LixNi0.8Co0.2O2/溶剂 180~230 600~1256 电解质分解数据来源：旺材锂电，东方证券研究所 225~300 155~285 材料体系和电池结构全面优化，能量密度大幅提升。提高能量密度是电池技术迭代升级的首要目标之一，主要通过两种途径实现：1）使用容量更高、电势差更大的正负极材料；2）提高电池中 活性材料的比例。在液态锂离子电池中，途径一主要对应高镍三元、硅碳负极等高性能材料的应用，但电解液的电压窗口直接限制了正极材料的可选范围。途径二可通过改良电池封装工艺、减小集流体厚度、增大电池尺寸等手段实现，但随着行业的快速发展，封装优化、集流体减重取得的边际效果已经微乎其微，电池尺寸继续增大也受到热管理等问题的制约。而固态电池则破除了传统锂离子电池所面临的种种限制，从而实现能量密度的跃升： 图4：传统锂离子电池体系存在能量密度上限 数据来源：QuantumScape，东方证券研究所 1）固态电池可适配高电压正极材料。相较于传统电解液，固态电解质的电化学窗口提高至5V，同时对于液态电池里界面反应严重的材料体系，比如高镍正极、有锰溶出问题的含锰化合物、高电压正极材料兼容性更好，打开能量密度天花板。 2）固态电解质良好的机械性能为锂金属负极的使用提供可能。锂金属作为负极，理论容量3860 mAh/g，约为石墨的10倍，从容量角度而言是最理想的负极形态。但锂金属稳定性差，传统液态锂电池若采用金属锂负极，在循环过程中会产生锂枝晶刺穿隔膜，导致电池内部短路，影响安全性和循环稳定性。而固态电解质具有良好的机械性能，能够有效抑制锂枝晶的形成，兼容锂金属负极，可实现能量密度的跃升。 图5：使用锂金属负极的固态电池 数据来源：QuantumScape，东方证券研究所 3）Pack设计简化，系统重量减轻。固态电解质集电解液与隔膜功能于一身，若叠加锂金属负极的使用，将大幅缩短极片之间的距离；单体电芯间可以串联叠加、致密堆积以实现升压效果，从而提高制造效率，减小封装尺寸，提升体积能量密度。此外，由于固态电解质出色的耐热性，固态电池对系统热管理的需求减少，进一步减轻系统重量。 图6：内外串联电池结构对比 数据来源：张卓然等《硫化物全固态电池的研究及应用》，东方证券研究所 挑战：生产成本尚高，技术难点犹存 固-固界面问题是产业化痛难点，影响倍率与循环性能。电解质的功能在于为锂离子在正负极之间传输搭建通道，决定锂离子运输顺畅情况的指标被称为离子电导率。在电极与电解质界面上，传统液态电解质与正、负极的接触方式为液-固接触，界面润湿性良好，界面之间不会产生大的电阻，而固态电解质与正负极之间以固-固界面接触，接触面积小，紧密性较差，离子电导率通常比液态电解质低两个数量级。这一特性导致了电池的快充性能受限。由于固-固界面是刚性接触，对电极材料体积变化更为敏感，充放电过程中应力堆积也会导致电化学性能衰减，影响电池的循环稳定性。如何兼顾电导率、减少副反应、降低阻抗仍是目前产业仍在攻克的方向