电力设备行业深度报告：固态电池产业化加速，未来市场空间广阔

固态电池产业化加速，未来市场空间广阔 证券研究报告|电力设备 强于大市(维持) 行业核心观点： ——电力设备行业深度报告 2024年12月16日 行业相对沪深300指数表现 固态电池是使用固体电解质来替代传统锂离子电池的电解液和隔膜，实 现离子传输和电荷储存，是一种新型的电池技术。与传统液态锂电池相比，固态电池具备高安全性，高能量密度的关键优势，是锂电池产业升级的重要方向。当前，在国家政策支持、企业布局加速的推动下，固态电池正在进入快速发展阶段，产业化转折点即将到来，未来市场空间广阔。 投资要点： 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% -5% -10% -15% -20% 电力设备沪深300 行业研 究 行业深度报 告 证券研究报 告 固态电池安全性高，有望突破能量密度上限。（1）安全性：固态电池 工作温度范围更宽，耐热性更好，且固态电解质具有耐高温、不可燃、绝缘性好的特性，安全性能大大提升；（2）能量密度：目前，液态锂电池技术已经基本成熟，材料的潜能基本被挖掘得接近极限值。固态电 池在正负极材料和电池结构两个方面均有提升，能量密度能达到 500Wh/kg以上，有望实现能量密度极限的突破。 3206 材料体系迭代，从半固体向全固态转化。固态电池技术研发难度大，半固体电池是过渡阶段。同时，固态电池技术进步，有望推动电解质、正负极材料体系的迭代。细分环节来看，（1）电解质：氧化物进展较快，硫化物上限较高。目前固态电池主要分为氧化物、硫化物、聚合物三大 主流技术路线。其中，聚合物起步时间较早，技术水平较成熟，但上限突破难度很大；氧化物各方面的性能表现较为均衡，但制备成本较高； 硫化物商业化潜力大，但产业化研究难度也最大。（2）负极材料：硅 基负极是中短期的主要方案，金属锂是未来长期的发展方向。传统液态 锂电池主要使用碳族材料（如石墨）作为负极，未来的发展空间有限；硅基负极材料理论比容量高，可以大幅提升电池性能，但受限于体积膨胀；金属锂具备高容量和低电位的优点，是全固态电池负极材料的终极 目标。（3）正极材料：高电压、高比容量正极材料是发展方向。固态 电池正极材料兼容性强，目前主要沿用三元高镍体系，在三元材料体系方面技术领先的正极材料厂商具备发展优势。长期来看，富锂锰基的高能量密度优势突出，有望成为未来的正极材料迭代的主要方向。 各国政策持续发力，推动固态电池技术落地。（1）政策方面，自2020年以来，日本、美国、韩国、欧盟持续推出固态电池产业相关政策，把固态电池产业化作为国家的战略目标之一，我国陆续发布《新能源汽车产业发展规划（2021—2035）》、《"十四🖂"新型储能发展实施方案》、《关于推动能源电子产业发展的指导意见》等政策，支持固态电池产业的发展。（2）企业布局方面，日韩企业聚焦于硫化物路线，欧美主要投资于初创企业。其中，日本固态电池技术研发起步较早，在硫化物固态电解质具备领先优势；美国固态电池技术的发展主要由初创企业推动，重点企业包括SolidPower、QuantumScape、FactorialEnergy等，通 数据来源：聚源，万联证券研究所 相关研究 《全国统一电力市场发展规划蓝皮书》发布，电力市场建设加速 10月逆变器出口整体企稳，美洲地区表现较好 10月电力设备出口回暖，各地区表现分化 分析师:蔡梓林 执业证书编号：S0270524040001 电话：02032255228 邮箱：caizl@wlzq.com.cn 研究助理:冯永棋 电话：18819265007 邮箱：fengyq1@wlzq.com.cn 证券研究报告 过与欧洲汽车制造商合作，推动固态电池产能建设；国内固态电池参与者众多，涵盖了整车企业、电池厂商、固态电池初创企业、锂电材料厂商等多个类型，在固态电池产业链各环节均有布局。 产业化转折点将至，未来市场空间广阔。2025-2030年，固态电池技术预计进入快速突破阶段，材料体系有望加速迭代。目前，固态电池已从实验室研发阶段逐步过渡到工厂试点阶段，搭载固态电池的车型发布也日益频繁。根据各大厂商公布的计划，预计从2026年开始，固态电池市场将正式迈入量产阶段，固态电池的产业化进程有望显著提速。基于对固态电池技术路线和降本路径的研判，EVTank预计固态电池将在2025年开始放量，到2030年全球固态电池的出货量将有望达到 614.1GWh，在整体锂电池中的渗透率预计在10%左右，其市场规模将超过2500亿元。 投资建议：固态电池产业化加速，材料体系迭代，有望带动锂电产业链升级。细分环节来看：（1）电解质体系方面：氧化物体系固态电池发展速度快，技术较为成熟，硫化物体系固态电池发展上限高，具备较大发展空间。建议关注在氧化物路线及硫化物路线布局完善，研发进展领先的下游电池厂商，以及具备固态电解质关键原材料生产能力的上游企业；（2）正负极材料方面：随着固态电解质的应用，锂电池有望兼容高比容量正负极材料，正极材料路线预计将从磷酸铁锂、高镍转向高镍固化、富锂技术路线转化，负极材料路线预计将从石墨烯向氧化硅、金属锂技术路线发展，建议关注高镍正极及硅基负极环节布局领先的个股。 风险因素：建议关注产业化进展不及预期、原料价格大幅波动、下游需求不及预期、技术路线替代、政策变动等风险。 万联证券研究所www.wlzq.cn第2页共26页 正文目录 1固态电池安全性高，有望突破能量密度上限5 1.1固态电池概念：固态电解质替代电解液及隔膜5 1.2固态电池优势：具备高安全性能、高能量密度关键优势6 1.2.1高安全性：工作温度范围宽，耐热性好6 1.2.2高能量密度：兼容高比容量正负极，电池结构优化6 1.3固态电池主要挑战：界面、成本问题是制约产业化的关键9 1.3.1固-固界面：存在阻抗和相容性问题，影响循环和倍率性能9 1.3.2离子电导率：固态电解质离子电导率低9 1.3.3成本：材料成本、生产工艺和产业化程度造成成本较高10 2材料体系迭代，从半固体向全固态转化11 2.1固态电池发展路线：半固体电池是过渡阶段11 2.2电解质：氧化物进展较快，硫化物上限较高11 2.3负极材料：硅基负极是中短期主要方案，金属锂是长期路线15 2.4正极材料：高电压、高比容量正极材料是发展方向16 3政策持续发力，市场空间广阔18 3.1政策方面：各国政策持续发力，推动固态电池技术落地18 3.2海外布局：日韩企业聚焦于硫化物路线，欧美主要投资于初创企业19 3.3国内布局：多元路线并举，企业布局持续加速21 3.4产业化进程：产业化转折点将至，未来市场空间广阔23 4投资建议25 5风险提示25 图表1：传统锂电池与固态电池构成对比5 图表2：锂电池分类6 图表3：液态电池过热相关反应6 图表4：固态电池、半固体电池、液态锂电池性能对比7 图表5：锂电池负极材料比容量、工作电压对比8 图表6：液态锂电池、固态电池电池结构和堆叠封装方式对比8 图表7：液态锂电池、固态电池界面对比9 图表8：传统液态电解质、固态电解质离子电导率对比10 图表9：液态锂电池、固态电池价格对比（元/Wh）10 图表10：从液态锂离子到全固态金属锂电池逐步发展路线图11 图表11：三种固态电解质实物及性能对比12 图表12：三大固态电解质体系及材料特性13 图表13：国内外典型企业的固态电池技术路线14 图表14：固态电解质材料技术成熟度分析14 图表15：负极材料体系优缺点对比15 图表16：负极材料体系迭代方向16 图表17：正极材料比容量、工作电压对比17 图表18：固态电池关键材料体系迭..代....方....向17 图表19：海外国家（地区）固态电池政策18 图表20：国内固态电池政策19 图表21：日韩企业固态电池布局一览20 图表22：欧美企业固态电池布局一览21 图表23：国内企业固态电池布局一览22 图表24：从液态到全固态电池的技术发展路线23 图表25：固态电池厂商量产时间线24 图表26：全球固态电池出货量预测趋势（GWh）24 1固态电池安全性高，有望突破能量密度上限 1.1固态电池概念：固态电解质替代电解液及隔膜 传统锂电池主要由正极材料、负极材料、隔膜和电解液四大部分组成。其中，正、负极材料决定了电池的容量，隔膜用于隔离正负极，同时允许离子通过，电解液则是连接正负极的介质，充当锂离子传输的媒介。固态电池是使用固体电解质来替代传统锂离子电池的电解液和隔膜，实现离子传输和电荷储存，是一种新型的电池技术。 传统液态锂电池的两端为电池的正负两极，中间为液态电解质。在锂离子从正极到负极再到正极的来回移动过程中，电池的充放电过程便完成了。固态电池的工作原理与之相通，充电时正极中的锂离子从活性物质的晶格中脱嵌，通过固态电解质向负极迁移，电子通过外电路向负极迁移，两者在负极处复合成锂原子、合金化或嵌入到负极材料中；放电过程与充电过程恰好相反。 图表1：传统锂电池与固态电池构成对比 资料来源：《为全固态锂电池“正名”》许晓雄、李泓，万联证券研究所 根据电解液质量百分比含量，固态电池可分为“半固态电池”、“准固态电池”和“全固态电池”三大类。 （1）半固体电池：电解液含量占比在5%-10%，半固态锂电池是固液混合电解质电池，其电解质采用固液混合方案，固态电解质和液态电解质同时存在，在电芯构成上也保留了传统液态锂电池的隔膜结构，为通往全固态电池路上的“折中方案”。 （2）准固态电池：电解液含量占比在0%-5%，准固态电池相较半固体电池电解液含量更低，保留有传统液态锂电池的隔膜结构。 （3）固态电池：电解液含量占比为0%，全固态电池由固态电解质和固态电极构成，电池内部正极、负极和电解质均采用固体材料，并去掉隔膜的电池类型。 图表2：锂电池分类 资料来源：36氪研究院，万联证券研究所 1.2固态电池优势：具备高安全性能、高能量密度关键优势 1.2.1高安全性：工作温度范围宽，耐热性好 液态锂电池过热容易失控，产生各类安全问题。在使用过程中，过度充电、撞击、短路、泡水等因素会导致电池热失控，导致燃烧、爆炸等安全风险。当液态电池温度上升至90°C-120°C时，由于电池过热，锂电池负极表面SEI膜开始分解，嵌锂碳直接暴露于电解液并反应放热、产生大量可燃气体；当电池温度上升至130°C时，电池隔膜会开始熔化，导致电池发生内短路，释放大量热量，导致温度剧烈上升；电池温度上升至200°C后，促进电解液气化分解，电池发生剧烈燃烧及爆炸。 固态电池工作温度范围更宽，耐热性更好。固态电池正常工作温度范围为-50℃-120℃，与普通锂电池相比具有更广泛的温度适应性。同时，由于固态电解质具有耐高温、不可燃、绝缘性好的特性，在受热过热时，固态电池不易产生短路问题，安全 性能大大提升。 图表3：液态电池过热相关反应 资料来源：《锂电池安全性多尺度研究策略：实验与模拟方法》，万联证券研究所 1.2.2高能量密度：兼容高比容量正负极，电池结构优化 液态锂电池能量密度已经接近极限。电池能量密度与电极材料相关，近年来，液态锂电池技术升级加速，正极、负极材料持续迭代，电池能量密度也不断提升。正极材料方面，材料体系从磷酸铁锂向能量密度更高三元发展，而三元电池内部，也从333到 523，再到811，不断改善。负极材料方面，早些年锂电池的负极普遍采用石墨，现在加入了硅，借助硅碳负极，磷酸铁锂电池的能量密度取得了一定提升。目前，液态锂电池技术已经基本成熟，主流的磷酸铁锂电池的能量密度在200Wh/kg以下，三元锂电池的能量密度在200-300Wh/kg之间，材料的潜能基本被挖掘得接近极限值。 固态电池能量密度能达到500Wh/kg以上，有望实现能量密度极限的突破。相较于液态锂电池，固态电池能量密度极限更高。根据财经十一人数据，主流液态锂电池的能量密度范围约为150-300Wh/kg，半固态电池约350Wh/kg左右,全固态电池可以达到500Wh/kg以上，能量密度有望实现大幅