机械一周解一惑系列：固态电池产业进展加速，设备企业有望受益

一周解一惑系列 固态电池产业进展加速，设备企业有望受益 2025年03月16日 本周关注：津上机床、灿勤科技、博众精工 推荐 维持评级 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25、半固态510、准固态05和全固态0四大类，其中半固态、准固态和全固态3种统称为固态电池。固态电池中的固态电解质取代了液态电池的液态电解质、隔膜，缩减了电池包质量和体积，使得固态电池具备不易燃爆且热稳定性好、能量密度高、循环寿命长、充放电性能更好等优势。氧化物、硫化物和聚合物是目前常见的三大类固态电解质。各类固态电解质的性能表现各有所长，在离子电导率方面，部分硫化物可以和液态电解质媲美，而氧化物凭借良好的力学性能和电化学稳定性成为较好的材料选择。目前，国际上主流厂家均以氧化物和硫化物这两种技术路线为主。氧化物代表企业为QuantumScape。丰田、三星SDI、宁德时代、SolidPower、LG化学、松下等公司均选择理论性能最佳、但工艺难度极高的硫化物路线。国内部分新型固态电池企业目前亦集中于氧化物和硫化物，部分企业选择固液混合技术作为过渡方案使用。 分析师李哲执业证书：S0100521110006邮箱：lizheyjmszqcom相关研究1一周解一惑系列：可控核聚变最新进展及其 全固态电池制程工艺主要包括电解质合成、成膜、电芯组装三个阶段。1）电解质合成包括原料的预处理、混合、烧结及烧结后的颗粒破碎微纳化等几个阶段，以LPSC的合成为例，经破碎后的LiCl、P4S10与Li2S充分混合，混合物经200600，1020h烧结后可获得LPSC块状物，对块状LPSC进一步破碎可获得不同粒径的LPSC粉末，其中用于全固态电池的正极层电解质粉末平均粒径通常要2m，负极层要求更细，通常要1m，常规电解质层粒径不小于4m，需要合理的破碎工具结合粒径测试进一步明确。2）电解质合成后需要结合成膜工序分别进行电解质层成膜制备及正负极成膜制备，当前主要有湿法成膜和干法成膜两种制程工艺，湿法工艺成膜与液态电池有许多相似之处，且操作简单，工艺成熟，易于规模化生产，是目前最有希望实现固体电解膜量产的工艺之一，全固态电池湿法成膜工序中溶剂除水是重要的环节，溶剂残留会降低膜的离子电导率。干法工艺是将固体电解质与聚合物粘结剂进行纤维化分散，然后对混合物进行压碾成膜，干法成膜无溶剂残留，可获得更高的离子电导率。固态电池负极一般采用金属锂，电极制备主要是指正极极片，制备工艺也可以分为湿法和干法工艺，与传统锂电池的主要差别就是在电极中需要加入固态电解质组分，替代液态电解液。3）电解质成膜和电极制备工序段完成后，需要经过模切、叠片、热压、焊接、封装及等静压等工序，最终获得成品的全固态电池。 系统结构拆分20250310 2一周解一惑系列：看好工程机械投资机会2 02503033一周解一惑系列：折叠屏持续迭代，苹果有望入局202502194机械行业2024年业绩预告综述：料峭春寒梅花点点202502115一周解一惑系列：机器人x具身智能的再思考20250210 车企、电池企业加速布局，固态电池产业化研发和应用持续推进。国内厂商上汽、长安、比亚迪、宁德时代等均给出明确的固态电池量产时间，目前看到的信息，基本聚焦在2027年实现小批量上车，2030年实现规模化量产，将会率先搭载在高端车型上。此外，本田、日产、丰田、现代官宣已有投产专门的产线试生产固态电池。技术路线方面，国内外企业均聚焦于硫化物氧化物。投资建议：建议关注固态电池制造相关企业：先导智能、赢合科技、先惠技术、海目星、纳科诺尔、利元亨等。风险提示：1）技术路线发生变更的风险。2）市场竞争的风险。3）下游需求不及预期的风险。 目录 1固态电池行业概况3 11固态电池具备安全性好、能量密度高等优势3 12固态电池路线包括氧化物、硫化物、聚合物三大类5 13全固态电池生产工艺：包括电解质合成、成膜、电芯组装三部分9 2固态电池产业化进程加速，中长期低空经济拓宽应用场景11 21车企、电池企业加速布局固态电池11 22中长期eVTOL提供固态电池应用场景12 3相关标的14 4风险提示16 插图目录17 表格目录17 1固态电池行业概况 11固态电池具备安全性好、能量密度高等优势 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25、半固态510、准固态05和全固态0四大类，其中半固态、准固态和全固态3种统称为固态电池。半固态电池是液态锂电池向全固态电池过渡的阶段，半固态电池的装车量产，能够提供一个缓冲阶段，为全固态电池产业链的提前布局打下基础。随着技术革新，混合固液电池将逐步减少液态电解质的用量，最终实现全固态的目标。 表1：锂离子电池分类 名称定义 液态锂电池 电芯在制造过程中只含有液态电解质，不含有固态电解质，包括液态锂离子电池和液态金属锂电 池。 凝胶电解质锂电池属于液态锂离子电池范畴，电芯中液态电解质以凝胶电解质形式存在，不含固态电解质。 半固态电池 电芯中固态电解质和液态电解质均存在，液态电解质的质量或体积的比例相对较大，电解液含量占比在510。 准固态电池 电芯中固态电解质的质量在电芯中较高或者体积较大，同时含有少量液态电解质，电解液含量占比 在05。 混合固液锂电池 电芯中同时存在液态电解质和固态电解质。前述半固态、准固态、固态电池等均为混合固液锂电池 的一种。 全固态电池 电芯由固态电极和固态电解质材料构成。在工作温度范围内，电芯不含有任何质量及体积分数的液 态电解质，也可称为“全固态电解质锂电池”能够充放电循环的可进一步称为“全固态锂二次电池”或“全固态电解质锂二次电池”。 资料来源：锂电材料工艺微信公众号，民生证券研究院 锂电池主要由正极材料、负极材料、电解质、隔膜4部分组成，其中电解质起到输送锂离子、传导内部电流的作用。 液态电解质中的有机溶剂具有易燃、高腐蚀、抗氧化性较差等特点，且无法解决锂枝晶问题，存在热失控风险，导致液态锂离子电池安全性能和能量密度性能进一步提升面临诸多障碍：1）安全性：锂枝晶生长及其他因素可能造成热失控会由于有机溶剂的易燃特性更加不可控；2）能量密度：液态电解质中溶剂、锂盐的氧化还原窗口窄，极大地限制了高电压正极、锂金属负极鞥高能量材料的使用；此外，液态电解质锂离子电池中使用的有机高分子隔膜的热稳定性差和机械强度低的固有缺陷分别严重限制了锂离子电池的工作温度范围和应对机械滥用下的安全性能。 固态电池中的固态电解质取代了液态电池的液态电解质、隔膜，缩减了电池包质量和体积，使得固态电池具备不易燃爆且热稳定性好、能量密度高、循环寿命长、 充放电性能更好等优势。 1）不易燃爆且热稳定性好。传统锂离子电池使用的液态电解液具有可燃性，在高温、过充、挤压等情况下容易引发燃烧甚至爆炸。而固态电池采用固态电解质，不含有易燃的液态成分，大大降低了电池热失控的风险，提高了使用过程中的安全性。固态电解质具有更好的热稳定性，能够在较宽的温度范围内保持稳定的性能。相比之下，液态电解液在高温下可能会发生分解、挥发等反应，影响电池的性能和安全性。 2）电池能量密度高。半固态电池相较传统液态电池的能量密度更高，对于正极而言，固态电解质大多数拥有较宽的电化学窗口，可以兼容更多高电压正极材料 （高镍正极、镍锰尖晶石正极等）。此外，全固态电池高电压比和良好的安全性还可以让电池管理系统更为简化，最后用于新能源汽车的电池系统能量密度还可以进一步提高。 3）循环寿命长。固态电池一方面抑制锂枝晶生长，另一方面有效减少电极材料老化。在传统锂离子电池循环过程中，锂金属负极表面容易生长出锂枝晶，锂枝晶会刺穿隔膜，导致正负极短路，缩短电池寿命。固态电解质能够有效抑制锂枝晶的生长，使电池在充放电过程中更加稳定，从而延长循环寿命。固态电池的固态电解质与电极材料之间的界面稳定性更好，在长期的充放电过程中，能够减少电极材料的脱落、粉化等现象，减缓电池性能的衰退，提高电池的循环使用寿命。 4）充放电性能更好。固态电池中的离子传导机制与传统锂离子电池不同，部分固态电解质具有较高的离子电导率，能够实现更快的离子传输，从而支持电池的快速充电。在低温环境下，传统锂离子电池中的液态电解液粘度增加，离子传导速度变慢，导致电池的充放电性能大幅下降。而固态电池受低温的影响相对较小，在低温下仍能保持较好的充放电效率和容量输出，具有更好的低温适应性。 图1：液态电池与固态电池内部结构对比图 资料来源：《固态电池技术发展现状综述》，张春英等，民生证券研究院 12固态电池路线包括氧化物、硫化物、聚合物三大类 氧化物、硫化物和聚合物是目前常见的三大类固态电解质。各类固态电解质的性能表现各有所长，在离子电导率方面，部分硫化物可以和液态电解质媲美，而氧化物凭借良好的力学性能和电化学稳定性成为较好的材料选择。目前，国际上主流厂家均以氧化物和硫化物这两种技术路线为主。氧化物代表企业为QuantumScape。丰田、三星SDI、宁德时代、SolidPower、LG化学、松下等公司均选择理论性能最佳、但工艺难度极高的硫化物路线。国内部分新型固态电池企业目前亦集中于氧化物和硫化物，部分企业选择固液混合技术作为过渡方案使用。 表2：固态电池三大类固态电解质特点 固态电解质 离子导电率锂金属兼容性长期运行稳定高电压兼容性隔膜适用性正极电解质适 性用性 氧化物 离子导电率相对适中，介于硫化物和聚合物之间。 不同材料有所差异，但比硫化物和聚合物有更好的电化学和力学稳定性。 易碎，由于循环 过程中的体积变化，界面接触减少，可能形成裂纹；电化学稳定性好，不易分解和老化。 宽的电化学窗口可适配高电压的正极材料。 对锂金属有良好的力学性能和电化学稳定性，可用作隔膜材料。 无法用作高容量和厚电机电池的正极电解质。 硫化物 离子导电率最 高。 电化学窗口相对 较窄，同时会对锂金属进行反应，其兼容性略差。 具有延展性，通 在高电压下容易 常有良好的界面 氧化，因此需要 接触，但电化学 电极涂层。 稳定性有限。 表现出较低的晶 界电阻，阻碍了锂枝晶的形成，但其电化学稳定性低于氧化物。 高离子导电性使 硫化物成为一种有前途的正极电解质材料。 聚合物 在室温下离子导 电性不足，通常选择大于60度的操作温度，以达到良好的离子导电率。 聚氧化乙烯对锂金属有高稳定性。 若用低电势正极和低充电率，聚合物电解质的灵活性可延长循环寿命。 大多数具有优先的电化学稳定性窗口。 机械稳定性足以抵抗锂枝晶形成。 如果电池可以在更高的温度下运行，则离子电导率足以用作正极电解质。 资料来源：《固态电池技术发展现状综述》，张春英等，民生证券研究院 121氧化物生产成本低，但存在电化学上限问题 氧化物电解质在微观水平上形成结构稳定的锂离子传输通道，其具有离子电导率高、机械强度高、空气稳定性好、电化学窗口宽等优点。氧化物电解质包括钙钛矿型、反钙钛矿型、NASICON型、LISICON型、石榴石型和LiPON，其中钙钛矿型、NASICON型、石榴石型结构类型优势较为明显。钙钛矿型LLTO电解质材料的本征离子电导率高，但晶界阻抗高、稳定性相对较差；石榴石型LLZO电解质离子电导率较高，稳定性好，受到广泛关注；NASICON结构的LATP的电化学 窗口较高，稳定性好，但离子导电率偏低。LiPON作为电解质在与金属锂接触时表现出高稳定性。 图2：常见氧化物固态电解质结构示意图 资料来源：《2024年固态锂电池技术发展白皮书》，民生证券研究院 目前氧化物固体电解质的烧结路径主要分为固相和液相两种方式。固相方式主要通过高温烧结，具有流程简单、易于大批量合成的优点，但存在能耗较高、易于生成第二相的缺点。以石榴石型固体电解质的固相合成路径为例，固相法一般是前驱体按比例机械混合后，在约1000下进行高温煅烧后获得LLZTO粉体，然后通过热压获得高致密度的LLZTO陶