电力设备行业深度：聚焦安全与续航，固态电池产业化进程加速

固态电池相较液态锂电具备能量密度与安全性优势。相较于液态锂电池产品，固态锂电池与其最大区别在采用固态电解质替换了电解液与隔膜结构，从而实现了能量密度与安全性的提升。此外固态电池在正极材料与负极材料方面均有相应迭代更新。其中在正极材料方面，固态电池将从三元材料切换至氧化物材料或尖晶石正极又或是富锂锰基等材料方案；负极材料方面，长期来看固态电池将由石墨与硅碳负极切换至锂金属负极。从制造端来看，固态电池制造工艺不同于液态电池，多采用“软包+叠片”形式封装；固态电池成膜工艺是关键，干法有望凭借安全和环保性等优势成为未来行业主流。 半固态电池为过渡技术路线，发展重点在于材料体系创新。受制于材料性能与成本问题，目前固态电池距离大规模量产化仍有一定距离，而半固态电池相较于液态在电池材料体系与制造工艺差异较小，且具备优于液态锂电池的能量密度与安全性，短期内将作为固态电池的过渡路线。半固态电池和传统电池的区别是仅将电解液的用量降低，而在体系上并没有区别，并可以从正极、负极、隔膜、电解质和电解液等多方面进行技术创新，包括对电池正极材料进行修饰改性、负极预锂化、复合涂层隔膜等技术体系创新。 各国多重政策加码，2030年固态电池规模有望超200GWh。美日德中各国推出相关政策和计划，明确固态电池主要发展目标。今年，工信部就《锂电池行业规范条件（2024年本）》修订征求意见，新增固态电池相关要求。由于固态电池的优势在于安全和续航，预计未来在飞行端、新能源车端、消费电子端以及储能端都会有所应用 。 假设2025年全球动力/消费/储能电池固态电池渗透率为1%/2%/0.7%，2030年渗透率为5%/10%/4.7%，则预计对应2025/2030年全球固态电池需求量为18/223GWh，2025-2030年CAGR为65.8%。 日韩主攻硫化物体系技术路线，欧洲偏向于聚合物体系路线，美国多条技术路线推进，中国以氧化物体系路线为主。国外对固态电池的研发投入较早。当前日韩企业和研究机构主要走硫化物体系的技术路线，如丰田、本田、现代、三星等； 欧洲偏向于聚合物固态电池，如Bollore等；而美国以创业公司为主，多条技术路线同时推进，如SolidBattery等企业以硫化物为主，QuantumScape等以氧化物为主，IonicMaterials等以聚合物为主。 国内电池与电池材料企业加快布局，半固态电池已实现装车。无论在电池端还是材料端抑或是整车端，具有企业进行固态类电池的布局。 1）电池端：宁德时代布局凝聚态电池，已和商飞合资成立了商飞时代；赣锋锂业2GWh一代固态电池产线正在投产；孚能科技目前已有半固态产品实现量产装车； 国轩高科已发布能量密度为360Wh/kg的半固态电池。 2）材料端：三祥新材已向清陶能源提供锆基材料；瑞泰新材LiTFSI在固态电池中已形成批量销售；翔丰华已与清陶能源签署战略合作协议；上海洗霸固态电解质粉体材料处于吨级至十吨级/年工业化标准产线阶段；当升科技相关固态锂电产品已成功导入辉能、清陶、卫蓝新能源、赣锋锂电等固态电池客户并实现批量销售；容百科技高镍和超高镍正极材料已导入卫蓝新能源等固态电池企业，并实现批量出货。 3）整车端：随着相关材料端与电池端的技术初具规模，蔚来汽车、东风岚图、智己汽车和广汽埃安等造车新势力为打造新能源汽车产品差异化，率先在部分产品导入半固态电池。 投资建议：建议关注电池端的宁德时代、国轩高科、孚能科技、赣锋锂业；材料端建议关注三祥新材、当升科技、容百科技、元力股份、天奈科技、胜华新材、东方锆业、金龙羽、瑞泰新材、上海洗霸、翔丰华等。 风险提示：固态电池技术研发进度不及预期；下游需求不及预期；模型测算风险。 一、固态电池为下一代电池技术，半固态电池或成过渡产品 1.1固态电池为液态锂电池升级方向，可解决能量密度短板与安全性问题 液态锂电池已成目前行业主流，但应用端仍有部分问题亟待解决。20世纪70年代Whittingham首次提出并开始研究锂离子电池，随后在1990s，索尼公司发明了商业化的液态锂电池。当前，液态锂电池凭借着其能量密度较高、充电速度快、寿命长、无污染等优点，已经成为行业主流。但与此同时，液态电池仍然存在着一些问题制约其未来的发展与应用。 1）安全性问题：液态锂电池结构中的电解液和隔膜可能引发安全性问题。 锂枝晶的问题：锂离子在正负极间脱嵌以实现锂电池的充放电。但当出现一些异常情况使得锂离子无法正常脱嵌时，就可能形成锂枝晶。而锂枝晶积累到一定程度就可能刺穿电池隔膜、使得正负极短路，进而引发起火等安全性问题。 电解液的问题：液态锂电池的电解液常用锂盐溶于有挥发性、可燃的有机溶剂中，安全操作温度一般低于80℃，因此当电池温度过高时可能发生燃烧和爆炸等问题。 隔膜的问题：电池中使用的普通隔膜导热率较低，因此可能降低锂离子电池中的散热速率。 2）能量密度问题：目前液态锂电池的能量密度天花板是300Wh/kg，而固态锂电池可凭借材料体系的更新达到更高的能量密度，可达到700Wh/kg以上。 近年来固态电池技术快速提升，有望成为新一代的锂电池技术方向。早在1830s，法拉第首次发现了加热固体硫化银和PbF2的显著传导特性。随后在1960s，固态电解质迎来了发展的转折点，开始尝试将固态电解质加入电池中。随之先后出现了POE、钠超离子导体、氢化物、LiPON、硫化物、反钙钛矿等固体电解质体系。随着LiPON的发展，第一款薄膜电池于1990s问世。进入21世纪后，固态电解质的相关研究进一步得到了发展。 凭借着结构设计、物理特征的优势，固态电池可以天然规避液态锂电池的安全和能量密度等问题。因此近年来固态电池快速发展、有望成为下一代锂电池技术方向。 图表1：固态电池的发展历程 （3）: 229-252.，国盛证券研究所 固态电池使用固态电解质替代了液态锂电池中的电解液和隔膜。固态电池是一种新技术，使用固态电解质替代了液态锂电池中的电解液和隔膜。传统液态电池的主材是正极、负极、隔膜、电解液四种，在充放电的过程中，电解液一方面供应部分活性锂离子作为导电离子使用，一方面供应离子通道使得锂离子可以自由移动；而隔膜的作用主要是使得电解质离子正常通过，并避免正负极接触导致内部短路。而在固态电池中，由于固态电解质的物理形态可以天然地隔离正极和负极，因此在固态电池中主材为正极、负极、固态电解质三种，隔膜不是必需的。 图表2：液态电池结构及工作原理 图表3：固态电池结构及工作原理 固态电池可以克服锂液电池的缺点，在安全和能量密度方面实现进一步突破。在安全性方面，固态电池使用不可燃的固态电解质，具有无腐蚀、无挥发、无漏液、可抑制锂枝晶形成、天然隔绝正负极等优点，具有较高的安全性。在能量密度方面，固态电池可以使用锂金属等材料作为负极代替石墨，从而提高电池的能量密度。 但固态电池还面临着材料性能和成本等方面问题，当前大规模产业化还面临一定挑战。 电解质材料使得快充弱于液态电池。相比于液态电池，固态电池由于使用固体电解质，因此离子电导率相对较低，从而使得快充能力弱于液态电池。 固体电解质和电极间的界面接触差。液体电池中，液态电解质和电极的接触良好，但是在固体电池中，可能存在着固体电解质和电极之间存在着缝隙的问题，固-固接触界面导致稳定性较差。 固态电池的成本高昂。根据韩国市场研究机构SNE分析，固态电池成本高昂主要受两方面因素影响，一是原材料成本高昂，包括锂硫化合物的成本高；二是制造成本高昂，这是由于固态电池生产对原材料纯度和合成环境的高要求使得制造成本更高。 图表4：固态电池和液态电池结构和优劣势对比 全固态电池与现有液态电池体系差异较大，而半固态电池则与液态电池体系差异不大。 半固态电池是指同时含有固态和液态电解质的锂电池。对比来看，液态电池和固态电池除电解质外，最主要的差别体现在液体电池的负极为石墨或硅碳，而固体电池的负极则为金属锂。但是半固态电池与现有液态电池体系的差别不大，部分材料可与液态电池通用，包括仍然需要隔膜等，且制造工艺也大部分重叠。 图表5：全固态电池、半固态电池与液态电池对主材需求的差异对比 全固态电池当前量产尚有难点，半固态电池或成过渡产品。目前来看，由于全固态电池量产还面临着一系列问题，因此未来固态电池技术的发展和渗透将还需要一定的时间。 而半固态电池由于电池的材料体系变化较小，制造工艺和技术也可以沿用液态电池的技术路线，因此短期内可能成为液态电池到全固态电池的过渡产品。预计未来锂电池的技术将遵循液态锂离子电池——半固态电池——全固态电池的发展路径。 预计固态电池的技术迭代路径为电解质-负极-正极。从研发角度来看，固态电池有三个阶段，第一代是用固态电解质替换掉传统电解液和隔膜等；第二代是使用锂金属作为负极材料以提升能量密度；第三代是在第二代基础上，进一步将正极材料替换为更高能量密度材料以进一步提升电池的能量密度。 固态电池通过电池材料方案迭代来逐步提升能量密度。以Solidpower的产品迭代路线为例，其第一款固态电池产品使用“电解质+硅负极+NCM811”，能量密度可以达到390Wh/kg，循环寿命可以达到1000次以上；其第二款产品迭代了负极技术，使用“电解质+锂金属负极+NCM811”，能量密度可以达到440Wh/kg；第三款产品则在第二款产品的基础上，开发下一代的正极材料，使用“电解质+锂金属负极+下一代正极”，能量密度可进一步提升至560Wh/kg。 图表6：SolidPower固态电池产品路线图 1.2固态电池技术核心为固态电解质，正负极体亦需创新 1.2.1固态电解质为技术核心，主要包括三种主流路线 固态电解质有两大体系、三大技术。固态电池的技术核心是固态电解质，当前主流的技术路线包括有机电解质体系中的聚合物固体电解质，无机电解质体系中的氧化物和硫化物固体电解质。 聚合物固体电解质：主要由聚合物基体和锂盐构成，包括PEO固态聚合物等，目前主流路线是PEO及其衍生材料，未来发展方向主要是将PEO与其他物质共混以提升性能。 氧化物固体电解质：按照物质结构又可以进一步分为晶态和非晶态（玻璃态），其中晶态包括钙钛矿型、石榴石型、NaSICON型、LiSION型等，而非晶态则包括LiPON型；未来主要通过元素替换和异价元素掺杂来提升电导率。 硫化物固体电解质：未来的主要发展方向则是降低其合成成本，并通过多元素掺杂来提高性能。 图表7：固态电池三种电解质体系 固态电解质主流三大路线各有优劣。氧化物/硫化物/聚合物电解质等三大主流路线各有优劣。总体来看，当前氧化物固态电解质的进展最快，其次是硫化物体系，而聚合物体系虽已经实现小规模量产，但还需向高能聚合物电解质方向发展，而目前高能聚合物电解质仍处于实验室阶段。 聚合物电解质：具有较好的高温性能，灵活性好、容易大规模制备薄膜等优点。POE基电解质在60℃以上离子电导率有所提升，但此时聚合物呈现融化状态，其力学特征有所下降。但在室温时，聚合物的缺点在于离子电导率低。 氧化物固态电解质：具有较高的稳定性，且机械性能好，但存在着界面接触差的问题。总体来看具有较综合的性能和成本，相对较低的技术难度。 硫化物固态电介质：由于具有更大的离子通道，因此离子导电性在三种材料中最好，综合性能也在三者中最优。但是硫化物固体电解质容易和空气中的水反应生成硫化氢等有毒气体，因此相对来说容易氧化、对水汽敏感，稳定性较差、对生产环境比较严苛、制造难度和成本更高。 图表8：三种固态电解质性能及对比 1.2.2正负极材料体系需创新，半固态电池对隔膜性能有更高要求 固态电池正极短期内以三元材料为主，长期或将使用氧化物材料或尖晶石。固态电池的正极材料体系包括氧化物、硫化物，以及新型高能量正极，如5V尖晶石、高容量的三元正极材料和富锂锰基。预计固态电池正极可以延续锂离子电池的正极材料，即三元材料将在短期内占据主流。但由于三元材料在高电压下循环稳定性会下降，因此长期来看，固态电池正极将会迭