固态电池深度报告：聚焦性能和成本，固态电池产业化提速

新能源动力系统板块近一年市场表现 投资要点： 固态电池符合未来大容量二次电池发展方向，半固态电池已装车，高端长续航车型、e-VTOL等方向对固态电池需求明确。固态电池理论上具备更高的能量密度、更好的热稳定性、更长的循环寿命等优点，是未来大容量二次电池发展方向。根据中国汽车动力电池产业创新联盟，2024年1-6月，半固态电池装车量达2.2GWh，已初具规模。应用方面，固态电池在高端长续航车型、e-VTOL等方向 有明确应用场景。2024年5月，搭载光年固态电池的智己L6上市，10月，光年 请务必阅读最后一页股票评级说明和免责声明1 行业研究/行业深度分析 2024年10月22日 领先大市-A(维持) 固态电池深度报告 聚焦性能和成本，固态电池产业化提速 新能源动力系统 资料来源：最闻 首选股票评级 300750.SZ宁德时代买入-A 相关报告： 【山证新能源动力系统】中科院突破新型硫化锂正极材料-行业周报 （20240902-20240908）2024.9.9 【山证新能源动力系统】鹏辉能源 280Wh/kg固态电池发布-行业周报 （20240826-20240901）2024.9.2 分析师：肖索 执业登记编码：S0760522030006邮箱：xiaosuo@sxzq.com 杜羽枢 执业登记编码：S0760523110002邮箱：duyushu@sxzq.com 固态电池将量产；2024年4月，广汽埃安发布全固态电池，能量密度超过 400Wh/Kg，预计在2026年量产上车；在国家专项补贴推动下，宁德时代也积极 推动固态电池产业化，有望于2027年量产。 固态电池可分为聚合物、氧化物、硫化物三种体系，我们测算固态电池2030年量产将降本29%，且低于当前液态电池。氧化物综合性能好，体系制备难度适中，但电导率较低；硫化物是理论上最佳的固态电解质材料；聚合物固态电解质技术最成熟。正极材料方面，层状氧化物结构当前使用最为广泛，已代替稳定性差的尖晶石结构，富锂锰正极材料是未来的理想选择。负极材料方面，硅基材料具备超高理论容量、原料丰富，是目前各大厂商重点研究对象，锂金属负极材料有望成为全固态电池的负极材料。我们测算固态电池2030年量产后将降本29%，且成本有望低于当前液态电池。 多龙头公司开始布局，宁德时代、清陶能源、卫蓝新能等布局领先。宁德时代多种技术路线并行研究，硫化物电解质已建立起10Ah级别的验证平台，目标2027年达到7-8分的研发水平。卫蓝新能源规划产能超过100GWh，2023年6月正式向蔚来交付360Wh/kg半固态产品。清陶第一代半固态电池为氧化物加聚合物的技术路径，第二代固态电池为氧化物、卤化物加聚合物的路径，上汽集团与清陶能源联合研发的光年固态电池将于今年10月实现量产上车。孚能科技第二代半固态电池已处于送样阶段，预计2025年投产。2024年8月28日，鹏辉能源发布第一代全固态电池，2026年量产。9月2日，南都电源表示，公司固态电池将于今年Q4完成项目验收，同等能量密度下，成本比液态锂电池增加10-15%。 重点推荐：宁德时代。建议关注：（1）电池厂商如鹏辉能源、南都电源、孚能科技等；（2）技术进展领先的创业型公司如清陶能源、卫蓝新能源等；（3）核心材料固态电解质环节，如三祥新材、瑞泰新材等。（4）新型正负极材料环节，如太蓝新能源、辉能科技、当升科技、翔丰华、国轩高科、容百科技等。金属锂负极关注赣锋锂业、天齐锂业。 风险提示：下游需求不及预期风险；原材料价格大幅波动风险；国内外 政策风险；技术推进不及预期风险。 目录 1.兼具安全性和高能量密度，固态电池为未来趋势5 1.1固态电池兼具安全性和高能量密度，有望成为下一代电池5 1.2固态电池逐步成熟，半固态率先产业化7 1.3固态电池在高端长续航车型、e-VTOL等方向有明确应用场景9 2.固态电池产业链：多材料体系并行发展，成本下降有望超预期12 2.1固态电解质：多数厂商专注于氧化物和硫化物路线12 2.2新型正极：目前高镍正极为主，氧化物、硫化物、富锂锰材料或将开始应用16 2.3新型负极：目前石墨和硅碳为主，全固态将使用金属锂19 2.4固态电池成本未来有望低于液态电池21 3.从半固态到固态，多龙头公司开始布局23 3.1宁德时代：聚合物和硫化物产业化进展领先，半固态已装车验证23 3.2清陶：全固态量产仍需时间，氧化物和硫化物技术路线布局领先24 3.3卫蓝：360Wh/kg混合固液态电池已交付25 3.4鹏辉能源：已发布第一代全固态电池，2026年将量产28 3.5孚能科技：第一代固态电池已装车，第二代处于送样阶段29 4.投资建议30 5.风险提示30 图表目录 图1：液态锂离子电池（左）&固态电池（右）对比5 图2：固态电池发展历程7 图3：半固态到全固态电池产业化趋势8 图4：半固态电池装车量（MWh）8 图5：广汽集团搭载固态电池eVTOL10 图6：固态电池市场规模预测（GWh）11 图7：不同固态电解质对比12 图8：从液态到全固态电池的技术发展路线17 图9：宁德时代固态电池进程23 图10：清陶产能布局25 图11：鹏辉能源第一代固态电池28 表1：半固态/准固态/全固态对比6 表2：液态电池和固态电池对比6 表3：车企搭载固态电池进展9 表4：固态电池在eVTOL的应用进展10 表5：不同氧化物固态电解质对比12 表6：硫化物电解质对比13 表7：聚合物电解质对比13 表8：固态电解质公司产业进展对比14 表9：正极材料各类型对比17 表10：正极路线对比18 表11：固态电池负极材料优缺点19 表12：企业固态电池用负极布局进展20 表13：从液态到固态电池材料体系变化20 表14：固态电池材料成本拆分21 表15：液态三元锂电池材料成本拆分22 表16：宁德时代固态电池技术进展24 表17：清陶技术进展25 表18：卫蓝技术路线26 表19：卫蓝基地布局26 表20：卫蓝技术路线27 表21：鹏辉能源固态电池亮点28 表22：孚能科技330Wh/kg半固态软包技术特点29 1.兼具安全性和高能量密度，固态电池为未来趋势 1.1固态电池兼具安全性和高能量密度，有望成为下一代电池 固态电池有望解决锂电池面临的比能量低、循环寿命短及安全性能差的困境，是未来大容量锂电池的发展方向。目前基于氧化物正极与石墨负极的传统锂离子电池能量密度越来越接近理论上限，同时，由于采用有机物液态电解液，锂离子电池在充放电过程中不可避免地发生副反应，以及电池循环过程中电解液挥发、泄露等现象均会导致电池容量的不可逆衰减，影响电池使用寿命。并且有机物的电解液十分易燃，短路时容易引发爆炸，电池的绝对安全性十分堪忧。而采用固态电解质替代液态有机物电解液的固态电池，有望解决传统锂离子电池面临的比能量低、循环寿命短及安全性能差的困境，是未来大容量锂电池的发展方向。 图1：液态锂离子电池（左）&固态电池（右）对比 资料来源：《固态电池研究及发展现状》，山西证券研究所 固态锂电池是一种使用固体电极材料和固体电解质材料、不含有任何液体的锂电池。固态锂电池相比液态锂电池，改进的部分主要是固态电解质替代电解液。根据液态电解质占电芯材料混合物的质量分数分类，电池可细分为液态性能（25％）、半固态（5%-10%）、准固态 （0%-5%）和全固态（0%）四大类，其中半固态、准固态和全固态三种统称为固态电池。固态电池电解质主要选用氧化物、硫化物、聚合物，电解质以薄膜的形式分割正负极，从而替代隔膜。负极从石墨体系升级到了预锂化的硅基负极或者锂金属负极，正极从高镍升级到超高镍、镍锰酸锂、富锂锰基等正极，能量密度可达500Wh/kg以上。当前半固态锂电池已量产，准固 态电池在小试中，预计2024年下半年量产，全固态预计2027年之后量产。 表1：半固态/准固态/全固态对比 定义 变化 半固态 液体电解质质量百分比<10% 减少液态电解质的用量，增加氧化物和聚合物的复合电解质 电解质：氧化物主要以隔膜涂覆和正负极包覆形式添加，聚合物以框架网络形式填充 负极：从石墨体系升级到预锂化的硅基负极、锂金属负极正极：从高镍升级到了高镍＋高电压、富锂锰基等正极 隔膜：仍保留并涂覆固态电解质涂层锂盐：从六氟磷酸锂升级为LiTFSI， 能量密度可达350Wh/Kg以上 准固态/类固态 液体电解质质量百分比<5% 全固态 不含有任何液体电解质 选用氧化物、硫化物、聚合物等作为固态电解质，以薄膜的形式分割正负极，从而替代隔膜的作用 负极：从石墨体系升级到预锂化的硅基负极、锂金属负极正极：从高镍升级到超高镍、镍锰酸锂、富锂锰基等正极 资料来源：《固态电池技术发展现状综述》，山西证券研究所 与液态锂离子电池相比，固态电池具备更高的能量密度、循环寿命、更好的热稳定性、电化学稳定性、更宽的电化学窗口等。和液态锂离子电池相比，全固态电池具备以下优势：（1）没有液态电解液泄露风险和腐蚀的隐患，热稳定性和电化学稳定性更好；（2）稳定且较宽的电化学窗口，可匹配高电压正极材料；（3）循环寿命更长，固态电池能解决SEI膜持续生长、过度金属溶解、正极材料析氧、电解液氧化、析锂等问题。（4）具备更高的能量密度。传统液态锂离子电池能量密度约为200-300Wh/Kg，固态电池能量密度可达500Wh/Kg以上。（5）固态电池工作温度范围可扩展至-50~200℃，充电时间缩短至液态电池的1/3。 表2：液态电池和固态电池对比 液态电池 固态电池 能量密度 200-300Wh/kg 可达500Wh/kg 工作温度 80℃以上存在着火风险 -50~200℃ 安全性 存在泄漏、易燃、热稳定性差等安全隐患 没有液体泄漏风险，热稳定性和电化学稳定性更好 循环寿命 短 长，能解决SEI膜持续生长、过度金属溶解、正极材料析氧、电解液氧化、析锂等问题 电化学窗口 窄 宽 资料来源：《为全固态电池“正名”》，《固态电池研究及发展现状》，《固态电池发展态势及研判》，山西证券研究所 固态电池从20世纪60年代开始发展，目前加速商业化步伐。（1）初期探索阶段（20世 纪60-90年代）：1972年，SCROSATI首次报道了一种采用LiI的电解质的固体锂离子电池， 因技术障碍，固态电解质的低离子电导率和界面稳定性问题，未能实现商业化。1987年，中国科技部将固态锂电池列入“863计划”重大专题，1988年，在863计划的支持下，我国率先研制出。（2）技术积累与初步突破（2000-2016年）：多家公司进行固态电池研发，2012年，美国苹果公司开始布局固态电池应用研发；2014年，丰田宣布开始固态电池的研发；2016年，比亚迪启动固态电池项目。（3）商业化萌芽与加速（2017年至今）：2018年，中国科技部将固态电池列入国家重点研发计划。半固态电池加速商业化，2023年蓝新能源成功向蔚来汽车交付半固态电池；2024年，宁德时代宣布其全固态电池研发进展，并计划于2027年实现小批量量产。 图2：固态电池发展历程 资料来源：36氪，《固态电池关键材料体系发展研究》，高工锂电，集邦新能源网，电子发烧友，山西证券研究所 1.2固态电池逐步成熟，半固态率先产业化 全固态电池量产仍面对挑战，半固态电池率先产业化。全固态电池研发仍面对挑战。如大多数固态电解质中的离子扩散速率与液态电解质存在数量级差异、固固界面难以始终保持良好接触等。而半固态电池安全性、倍率性能介于液态和全固态之间，相比于全固态电池，半固态 可以兼容现有液态电池工艺设备和材料，许多企业选择从液态到半固态再到全固态的渐进式发 展路线。未来随着材料体系创新、工艺创新持续降本、设备创新实现量产，锂电池将逐步迈入全固态。 图3：半固态到全固态电池产业化趋势 资料来源：清陶能源，北极星储能网，阳光工匠光伏网，盖世汽车，山西证券研究所 半固态电池装机逐步起量，规模化装机在即。中国汽车动力电池产业创新联盟，2024年 1