电气设备：固态电池产业路在何方

电气设备 证券研究报告|行业点评2024/9/24 投资评级 看好 固态电池产业路在何方 分析师：张鹏 登记编码：S0950523070001 邮箱：zhangpeng1@wkzq.com.cn Contents目录 01 固态电池是理论上高能量密度和高安全性能的最佳体系 03 半固态电池：本质是液态电池 全固态电池：丰满的理想VS骨感的现实 02 04 固态电池终端应用现状 01 固态电池是理论上高能量密度和高安全性能的最佳体系 液态电池升级困境：能量密度提升趋势下，电解液限制了锂金属方向的迭代，且和隔膜为热失控短板 图表1：锂电池能量密度提升及材料体系变化方向 图表2：固态电池相较液态电池在热失控抑制上的理论优势 能量密度=（电压*容量）/重量 温度/℃ 1000 热失控 800 600 400 200 T3 全燃烧 正极+电解液串扰反应 正极分解 SEI T1 内短路 隔膜T2 T1：自产热温度T2：热失控触发温度T3：热失控最高温度 时间 资料来源：德勤，五矿证券研究所 资料来源：eTransportation，何向明团队，五矿证券研究所 •现有液态锂离子电池体系能量密度已经接近电池材料利用安全极限，接近300Wh/kg能量密度瓶颈。 •高比能材料体系下，锂电池的热失控强度和蔓延速度都显著提升，带来更严峻的安全挑战。 •电解液和隔膜为电池热失控关键短板。4 固态电池的机会：锂电池理论上高能量密度和高安全性能的最佳体系 固态电解质-锂金属界面 反应相对弱（室温） 持续的界面反应 界面副反应相对弱 图表3：锂金属负极与电解液的界面反应，金属锂负极的锂枝晶问题 图表4：固态电池应用于锂金属负极的理论优势 锂负极+电解液 SEI膜 金属锂负极与电解液的界面反应生成不稳定的SEI膜 多次循环界面反应导致锂枝晶问题 液态电池 固态电池 锂枝晶刺穿隔膜 固态电解质高机械模量抵御锂枝晶生长 资料来源：材料人，物理化学学报，五矿证券研究所 资料来源：eTransportation，AdvancedMaterials，五矿证券研究所 •电解液对锂枝晶生长的低抑制能力限制了负极向锂金属（锂金属比容量远高于人造石墨）方向迭代。 •固态电池从本征出发，用固态电解质替代电解液和隔膜：理论上可抑制、缓和热失控、可抑制锂枝晶生长，但固-固界面问题仍未解决。 5 02 全固态电池：丰满的理想VS骨感的现实 全固态电池关键要素/电解质：硫化物长期潜力较大，但仍面临较多技术和工程难题 聚合物 氧化物 硫化物 代表材料 聚合物基体+锂盐+添加剂 •聚合物:PEO、PPC、PC•锂盐:LiBF4、LiPF6•添加剂:AI2O3、SiO2、 TiO2 •石榴石型★★★•NASICON型★★•LiPON型★•钙钛矿型★ •锂硫银锗矿型★★★•LGPS型★★•LPS型★★•Thio-LISICONs型★★ 离子电导率 •室温：10−7~10-5S/cm•65~78℃：10-4S/cm 10-6~10-3S/cm 10−4~10−2S/cm 性能雷达图主要优缺点 •优点：柔性好、制造容易•缺点：电导率低 •优点：稳定性高、锂枝晶抵抗力好•缺点：脆性大、电导率不足 •优点：电导率高，柔性好•缺点：对锂金属不稳定、电压窗口低、空气不稳定 图表5：三种技术路径材料体系&性能优劣分析 •聚合物和氧化物体系率先应用。 •离子电导率是电解质的第一特性，硫化物电解质离子电导率可达10−2S/cm，接近电解液，长期潜力大。 资料来源：SolidStateRoadmap2035+，五矿证券研究所7 固态电池卡点/电解质：氧化物和硫化物仍待进一步降本 电解质 原料 单耗（吨/吨） 价格（万元/吨） 单吨成本（万元/吨） 聚合物PEO PEO / / / LiPF6 / / / 原材料成本 约1-2 当前销售价格 / 氧化物LATP 磷酸二氢铵 0.9 0.55 0.5 碳酸锂 0.13 7.4 0.93 氧化铝 0.04 0.4 0.02 二氧化钛 0.35 1.5 0.53 原材料成本 2.0 当前销售价格 约30 硫化物 LPSCl 硫化锂 0.34 远期27.5 远期9.5 五硫化二磷 0.58 1 0.58 氯化锂 0.24 远期9.5 2.3 原材料成本 远期12.3 当前销售价格 / 图表6：氧化物/聚合物/硫化物体系材料成本测算 •氧化物和硫化物仍待进一步降本 •氧化物固态电解质对部分稀有金属和小金属影响较大。 资料来源：中国知网，wind，生意社，高工锂电、CBC锂电新能源、五矿证券研究所测算 注：聚合物按PEO:LiPF6质量比8:2，氧化物按Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3，硫化物按Li5.5PS4.5Cl1.5测算，远期硫化锂按金属锂90万元/吨测算8 固态电池卡点/电池性能和制造：界面问题带来制造和成本的难点 图表7：全固态电池成本测算(硫化物体系，远期）图表8：全固态电池实现的关键点 全固态电芯成本测算 1gwh单耗 单位 单价 单位 成本（元/wh) 正极锂金属 145090 tt 14.288 万元/吨万元/吨 0.210.08 固态电解质 1200 t 14 万元/吨 0.18 铜箔 550 t 8 万元/吨 0.04 铝箔 450 t 3.0 万元/吨 0.01 其他 0.02 材料合计 0.53 制造等成本 0.14 良品率 100% 成本 0.67 正极材料 界面匹配 固态电解质 制造工艺开发 产业化 •超薄复合固态电解质膜成型技术 •复合负极工程化应用技术 车厂数次验证 •全电池复合一体化成型技术等 电池系统集成开发 电芯研发和制造 界面匹配 量产设备开发 •干法混料设备 系统开发 •自适应膨胀力设计 负极材料 •干法电极片-集流体复合•热管理开发等设备 •电解片/电解质复合设备 •金属锂负极装配设备等 资料来源：每日经济新闻、《Solid-StateBatteryRoadmap2035+》、SMM、wind、五矿证券研究所测算 1）采用高镍正极+金属锂负极测算，假设固态电解质是大规模应用状态；2）锂金属价格是按照碳酸锂远期12万/吨测算；3）假设液态电池未来在电解液和固态电解质环节和全固态不一致；4 ）固态电解质按照硫化物体系Li5.5PS4.5Cl1.5测算，假设价格在15万元每吨。 资料来源：清陶电池、五矿证券研究所 •全固态电池“固-固”的硬接触造成了界面问题 •全固态电池是更高的成本换取了安全性以及对高比能材料的适配性。 9 03 半固态电池：本质是液态电池 产业技术路径：长期方向是全固态，半固态为产业初期的尝试 液态 半固态 全固态 技术路径 图表9：三种技术路径材料体系&性能变化 电解液含量 隔膜 正极 负极 资料来源：储能头条，五矿证券研究所 全固态电池界面问题技术难度大，同时涉及干法电极等技术，短期难以解决。半固态理念在中国率先展开。 25% 5~10% 0% 传统隔膜 复合隔膜 固态电解质 三元/铁锂 三元/高镍三元等 高镍三元/富锂锰基等 石墨 硅基 金属锂 半固态方案逐步降低电解液含量同时引入固态电解质，部分改善安全性，但也导致倍率性能等变差。 氧化物+聚合物电解质体系较多应用于半固态电池。 11 燃油车VS电动车安全性：此前国内电动车相比燃油车安全性有一定劣势 图表10：国内新能源车火灾概率高于燃油车图表11：电池的安全分类形式 着火概率（万分之） 该环节全固态电池优势明显 新能源车22年 电池厂 主动和被动安全（电池管理系统，结构设计， 隔绝电芯热蔓延） 本征安全（电芯材料层面隔绝热失控） 消费者需求：不着火、不爆炸 燃油车22年 热失控 解决难度高（材料本征） 解决难度略低（结构性等问题） 新能源21年 00.511.5 22.533.5 正常电芯热失控电芯 热蔓延 热蔓延后的电池包 资料来源：国家消防救援局、五矿证券研究所测算（部分数据是22Q1折算为全年） 资料来源：《动力电池热失控抑制研究进展》、学术论文、五矿证券研究所 •从国内火灾的概率上看，2022年新能源车火灾概率是万分之3，高于燃油车的万分之2。从危害性看，电池的着火速度等往往较快。 •良好的电池体系控制可以降低起火率。自2012至2019年间全美车辆起火事件中，北美特斯拉每发生一次着火的行驶里程接近燃油车的9倍。 •近年来，通过本征安全+主动被动的安全措施，液态电池在热蔓延（扩散）环节进步明显。 12 液态电池安全性：热蔓延控制技术迭代，液态电池安全性得到明显提升 图表12：部分车企发布的电池图表13：CATL无热扩散技术的迭代创新 资料来源：太平洋汽车、芝能汽车、智己汽车、五矿证券研究所 资料来源：宁德时代、五矿证券研究所 吉利-神盾短刀电池（2024） •降低电芯内阻、隔膜涂覆氧化铝，防爆阀泄压阀，自熔断等安全防护技术 •8针同刺静置1小时不起火不爆炸 极氪-金砖电池（2023） •多层隔热、主动冷却、电芯表面绝缘膜等防热蔓延技术 •通过100%满充试验、>30%挤压形变、5mm 针刺实验 智己（2023） •电芯间气凝胶隔热，喷淋系统主动冷却，防火墙等减缓热蔓延 •防火墙可承受1000℃的高温至少10分钟 •热蔓延控制技术迭代：从电芯层级的隔膜涂覆、泄压阀设计，电池包层级的热隔断、主动热管理，预警装置等措施降低热失控后的热蔓延风险。 •宁德时代无热扩散技术迭代至NP3.0。13 液态电池安全性：液态电池体系安全性有较大提升空间，电池安全新国标有望普及 图表14：2024年《电动汽车用动力蓄电池安全要求征求意见稿》相比21年版本在安全性标准上进步较大 发布 GB38031-2020 实施 GB38031-2020 第一阶段第二阶段第三阶段 拟实施 20231690-Q-339 征求意见稿 20231690-Q-339 发布 GB/T31485-2015 GB/T31467.3-2015 内容变化 单个电池热失控 报警信号 单个电池热失控报警信号无可见烟气进入成员舱 5min内 5min内 5min内 要求电池包不起火、不爆炸 增加：触发电池单体热失控后，在试验环境温度下至少观察2h，且所有监测点温度均不高于60℃，结束试验。 资料来源：全国标准信息公共服务平台、五矿证券研究所 •相关国标处于征求意见阶段，计划26年1月强制实施。其要求新能源车热扩散试验后（针刺、加热等）的电池包不着火不爆炸。 •截止至2024年2月，国内已有78%的企业已具备“不起火、不爆炸”技术储备。14 半固态VS液态安全性：从学术论文角度看提升热失控温度的方式 图表15：LATP以及勃姆石涂覆可以提升电池热性能图表16：无EC的电解质将10Ah高镍811电芯的热失控触发温度提高 A：2-μm勃姆石/9μmPE/2μm勃姆石B：2-μmLATP/9μmPE/2μmLATP TTR=146.4℃ TTR=161.9℃ T2温度从193摄氏度提升至260℃ TTR=157.6℃ C：2-μm勃姆石/9μmPE/2μmLATP 资料来源：《High-VoltageandHigh-SafetyPracticalLithiumBatterieswith EthyleneCarbonate-FreeElectrolyte》、五矿证券研究所 资料来源：《ImprovingtheSafetyofHEDLIBsbyCo-CoatingSeparatorswithCeramicsandSolid-StateElectrolytes》、五矿证券研究所（a/b是采用EC，c/d是不采用EC电解液的体系） •当前的固态电解质涂覆并非改善安全性的唯一方式。采用固态电解质涂覆、电解液的改变等方式均可以提