新能车前沿技术：固态电池--国泰证券.pdf

免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。 1 证券研究报告 电力设备与新能源 新能车前沿技术之 七 固态电池 华泰研究 电力设备与新能源 增持 维持 研究员 申建国 SAC No. S0570522020002 shenjianguohtsc.com 86 755 8249 2388 研究员 边文姣 SAC No. S0570518110004 SFC No. BSJ399 bianwenjiaohtsc.com 86 755 8277 6411 行业 走势图 资料 来源 Wind， 华泰 研究 2023 年 4 月 24 日 │ 中国内地 专题研究 电池产业“圣杯” ，固态电池研发如火如荼 在更高的安全性和能量密度要求下，固态电池应运而生。固态电解质的引入 可以大幅提升电池安全性能，同时匹配高能量密度正负极可以提升电池能量 密度。 固液混合电池电解质路线已形成初步共识 ，将逐步向全固态演进，但 是全固态路线当前仍处于研发阶段，短期内将仍以固液混合电池为主要路 线，我们预计 2030 年全球固态电池市场空间将超 3000 亿元。产业链环节 来看，主要变化在于电解质、负极，关注材料端及工艺端变化带来的相应的 增量需求 。 综合性能优越，多种技术路线并行发展 固态电池是采用固态电解质的锂离子电池 ，固态电解质 和液体电解质一样承 担着在正负极之间传输锂离子的作用 ，传输机制有所不同 。 通过引入不可燃 的固态电解质，可以本质上保证安全性，同时 兼容高能量密度正负极， 可以 满足 快充、循环寿命长、高温性能好 的要求。从技术路线来看，将 从固液混 合电池渐进式到全固态电池 ， 固态电解质 中， 硫化物全固态潜力 较 大，固液 混合电池采用氧化物与聚合物复合电解质，已有量产 。 固液混合先行， 2030 年全球固态电池市场空间或超 3000 亿元 安全性高、能量密度高是车用固态电池产业化发展的主要驱动力，政府、车 企及电池企业都大力投入 。 海外固态电池多为全固态电池，暂无可靠量产计 划 。 全固态电池制造仍有众多科学难题未解， 产业端 预 计 2030 年 开始规模 化量产。国内企业主要采取固液混合路线， 固液混合电池已进入规模量产的 工程 化阶段， 3-5 年后可能成为中高端市场主流技术， 在新能源 汽 车、 消费 电子、航空航天等 领域得到应用 。我们预计 2025 年 /2030 年 全球固态电池 市场空间有望达到 439/3634 亿元 。 固态工艺路线显著简化，同时带来材料及工艺创新 固态 /固液混合电池是未来高能量密度以及实现良好快充性能的潜力较大的路 线，固态电池一旦能实现商业化将带来产业颠覆性变革。固态电池上游主要 差异在电解质材料的创新以及设备工艺的革新，重点关注氧化物电解质 /硫化 物电解质以及涂布挤压设备；中游领域，电芯电化学设计区别于液态锂电产 品，需要建立独立的开 发体系和设计能力，门槛高。电芯、模组、 PACK 的生 产制造环节具备一定壁垒，关注锂电巨头以及深耕固态电池领域的领先者。 风 险提示 新能源汽车销量不及预期 ， 固态电池产业化进度不及预期 ， 技术 路线革新风险 。 9 7 23 39 55 Apr-22 Aug-22 Dec-22 Apr-23 电力设备与新能源 沪深 300 免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。 2 电力设备与新能源 正文目录 固态电池引入固态电解质，能量密度与安全性双高 3 固态电池是采用固态电解质的锂离子电池 . 3 固态电池综合性能优越，有望成为下一代电池 4 技术路线固液混合向全固态渐进式发展，多路线并行 6 三大体系 各有优劣，全固态锂电池短期内难以得到规模化推广 6 受制于工艺和成本，全 固态电池仍处技术研发至产业化过渡期 8 市场空间固液混合电池 2030 年全球市场空间或超 3000 亿元 12 受政策 需求端驱动，全球市场大力发展中 . 12 固态电池市场空间 全球 2030 年将逾 3000 亿元 16 产业链 工艺路线显著简化，同时带来材料及工艺创新 17 风险提示 20 免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。 3 电力设备与新能源 固态电池引入 固态电解质 ， 能量密度 与 安全性 双高 固态电池是采用固态电解质的锂离子电池 固态电池 工作 机理 与传统锂电池一致，但电解质为固体 。 锂电池是一种依靠锂离子在正极 和负极之间往返移动 ，发生可逆的嵌入和脱出，进行化学能和电能之间的转换 与储存的电 化学器件 。 其中， 电解质担负着在电池内部的正负极之间建立一条锂离子传输通道的作用 ， 隔膜用于防止正负极直接接触造成短路 。 目前商用的 锂电池的 正负极为固体，而 电解质 则 通常是将锂盐溶质溶解于有机溶剂中得到 的溶液，所以也被称为液态电池。 固态电池的电 解质为固态，电池中不存在液体组分，以能传导锂离子的固态电解质材料来取代现有隔膜 或电解液，正负极材料兼容现有的锂电池。混合固液电池 作为传统液态电池向固态电池的 过 渡 ，电解质为固液混合 /凝胶态等 。 图表 1 传统锂电池与全固态电池结构对比 图表 2 液态 -半固态 -全固态 资料来源 全固态锂电池技术的研究现状与展望（许晓雄等 ， 2013） 、 华泰 研究 资料来源 中科院物理研究所 、 华泰研究 固体电解质和液体电解质 离子传输机制不同 。 液态电解质中，极性有机溶剂解离锂盐，被 溶剂化的锂离子在电压差的驱动下往返于正负极之间。 而 聚合物电解质中，锂离子 与聚合 物链段上的极性官能团发生配位，通过聚合物链段的运动，在电压差的驱动下在正负极之 间移动。无极电解质中，锂离子通过晶体结构中的缺陷，在电压差的驱动下发生跳跃，在 正负极之间来回。虽然固态电解质和液体电解质中离子传输的机制不同，但是作为电解质 在正负极之间传输锂离子的作用 一致 。固态电池就是将传统锂离子电池中的液体电解质换 为固体电解质，不改变电解质在电池中的作用或电池的工作机理。 图表 3 聚合物电解质中锂离子 移动 图表 4 点缺陷与离子传输 资料来源 Polymer Electrolytes for Lithium-Based Batteries Advances and Prospects（ Dong Zhou 等， 2019） 、 华泰研究 资料来源 Mechanisms and properties of ion-transport in inorganic solid electrolytes（ Bingkai Zhang 等， 2017） 、 华泰研究 免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。 4 电力设备与新能源 固态电池 综合性能优越 ， 有望成为 下一代电池 对更高安全和性能的电池的要求推动固态电池的发展。 （半）固态电池的研究起始于 20 世 纪 60 年代，因为受到材料性能与电池制造方面的限制，目前尚未大规模量产。随着液态锂 电池的发展，其能量密度已经接近上限。新能源汽车对传统燃油车的替代要求动力电池的 能量密度更高，快充性能更好以及安全性更高。（半）固态电池是提高电池能量密度和安全 性，向着小型化和轻量化发展的必然趋势。 图表 5 固体电解质的发展 示意 图表 6 锂电池的发展路径 资料来源 硫化物固体电解质的研究进展（许阳阳等， 2016） 、 华泰研究 资料来源 全固态锂电池技术的研究现状与展望 （ 许晓雄 等， 2013） 、 华泰 研究 固态电解质不可燃，具有一定机械强度，电池安全性更好。 在 新能源汽车销量 逐年 增长 的 同时， 安全事故 也在不断 增加，其中，电池自燃占比事故原因的 31。主要是由于锂电池 发生内外部短路后，短时间内释放出大量热量，导致热失控。 采用有机电解液的传统锂电 池，因过度充电、内部微短路等异常时电解液发热、分解、胀气，会产生严重安全隐患。 相较之下， 固态电解质不可燃 、耐高温、无腐蚀、 不挥发、不存在漏液问题 ，半固态电解 质中液体电解质含量少（ 10 wt.），可燃性大大降低， 可以 从根本 上 减少 安全问题 。 图表 7 电池热失控 资料来源 Solid-state lithium batteries Safety and prospects（ Yong Guo 等， 2022） 、 华泰研究 免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。 5 电力设备与新能源 固态电解质 兼容高容量 正负极材料 ， 高能量密度发展潜力 较大 。 1） 正极 固态电解质具有 更宽的电化学窗口，更易搭载高电压正极材料。目前三元材料可以充电到 4.35V， 若匹配 更 高电压，液态电解液会被氧化，正极表面会发生不可逆相变。 而 固 态电解质电化学窗口 可 以 达到 5V，适用于高电压型电极材料。 2） 负极 兼容金属锂负极，提升能量密度上限。 金属锂负极具备高容量与高电压的特 性，但在应用于液态电池存在一系列技术问题。固态 电解质可将正负极材料隔离开，不会产生 类似液态锂电池里 锂枝晶刺破隔膜的短路效应， 对于锂金属负极拥有更好的兼容性。 3） 内部串联 全固态电池可实现内部串联，具备更高 的成组效率。由于采用液态电解质并考虑安全性，传统液态锂电池电芯成组主要通过外部 串联构成模组。全固态电池则可实现电芯内部串联，且不需要焊接集流体，在极片、电芯、 成组各个阶段，均能够提升体积比能量密度 。 图表 8 高 重量比能量密度 的电池 演化路径 图表 9 高体积 比能量密度 的电池 演化路径 资料来源 Batteries with high theoretical energy densities（ Wenzhuo Cao 等， 2020） 华泰研究 、 资料来源 Batteries with high theoretical energy densities（ Wenzhuo Cao 等， 2020） 、 华泰研究 固态电池还具有快充、循环寿命长、工作温度范围广的优点。 中国电动汽车基础设施促进 联盟的调查数据显示，高达 87.9％的用户充电时，选择 120kW 及以上的大功率充电设施， 而 60kW 以下的充电设施用户选择率 仅为 1.6％。固态电池 快充时不会出现较大浓度梯度， 充电速率快，可以满足电动车对快充的需求 。 且固态电池的循环性能好，理想状况下可达 45000 次，应用范围广， 安全 使用温度范围为 -25℃ -60℃ 。 图表 10 液态锂电池与固态锂电池性能对比固态电池综合性能 更优越 液态电解质电池 固态电解质电池 安全性指标 锂枝晶生长 快 慢且难刺透 可燃性 强 弱 热稳定性 弱（隔膜，极限 160℃） 强（耐热 400℃ -1800℃） 性能指标 电压平台 低 高 理论比容量 低（石墨负极） 高（硅碳负极、金属锂负极） 还原电势 能量密度 相对较低 高 300Wh/kg） 快充性能 一般 较好，但需解决固固界面接触问题 高低温性能 低温性能较好 高温性能较好 资料来源 Solid-state lithium batteries Safety and prospects（ Yong Guo 等， 2022） 、 全固态锂离子电池关键材料研究进展（李杨等， 2016） 、 华泰研究 免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。 6 电力设备与新能源 技术路线 固液混合 向 全固态 渐进式发展 ， 多路线 并行 固态电池技术路径 从 固液混合电池 向 全固态电池 渐进发展 。 现阶段 固态 电池体系包含部分 液态电解质以取长补短。而技术发展过程中将逐渐减少液体，从混合固液电池最终迈向无 液体的全固态电池 1） 固液混合是固态和液态的结合。市场上 存在 的半固态电池、固液混 合电池、准固态电池、果冻电池、凝聚态电池（凝胶电解质）均属于固液混合电池。相对 现有电池体系，固液混合电池主要变化在于电芯中液体含量的减少，其液体质量占比下降 至 10，通过在固态电池中增加液体界面改性剂，改善全固态电池界面接触难题，液体电 解液吸附固定 于电 池材料空隙中，不容易流动、参与副反应 。 2） 全固态电池中不存在液体 组分 。 三 大体系 各有优劣 ， 全固态锂电池短期内难以得到规模化推广 聚合物、氧化物、硫化物是目前固态电池三大类固体电解质。这三类固态电解质仍存在技 术分歧，三大体系各有优势 1）聚合物固态电解质率先实现应用，但存在电导率 低、能量 密度低的 致命问题； 2）氧化物固态电解质综合性能好， LiPON 薄膜型全固态电池已小批量 生产，非薄膜型已尝试打开消费电子市场，但成本过高； 3）硫化物固态电解质电导率最高， 研究难度最高，开发潜力 较 大，如何保持高稳定性是一大难题 。 图表 11 三种固态电解质实物及性能对比 氧化物电解质 硫化物电解质 聚合物电解质 示意图 材料 1）晶态石榴石型 Li3xA3B2O12 固态 电解质 （如 LLZO） ，钙钛矿型 Li3xLa2/3-xTiO3 固态电解质， NASICON 型 Li1xAlxTi2-xPO43 和 Li1xAlxGe2-xPO43 固态电解质等 ； 2）玻璃态反钙钛矿型 Li3-2xMxHalO 固态电解质和 LiPON 薄膜固态电解质 1） 晶态 thio-LISICON 型（如 Li3.25Ge0.25P0.7S4）， Li-argyrodite 型 （如 Li6PS5XXCl,Br,I） ， LGPS 型（如 Li10GeP2S12）； 2） 玻璃态 Li2S-SiS2， Li2S-P2S5-LiI， Li2S-SiS2-LiI 等 ； 3） 玻璃陶瓷 Li7P3S11， 80 Li2S-20 P2S5 聚氧化乙烯（ PEO） 、 聚偏氟乙烯 （ PVDF）、聚丙烯腈（ PAN）、聚甲 基丙烯酸甲酯（ PMMA）和聚偏氟乙烯 -六氟丙烯共聚物（ PVDF-HFP） 等 性能 资料来源 全固态锂电池关键材料 固态电解质研究进展（陈龙等， 2018） 、 硫化物全固态电池的研究及应用 （张卓然和 魏 冰歆 ， 2021）、 Li电池固态聚合物电解质研究进展（陈立坤等， 2020） 、 华泰研究 聚合物电解质 柔韧性好易加工，可通过交联、共混、接枝、添加增塑剂来提高电导率。 聚合物电解质主要采用的聚合物基底有 PEO、 PAN、 PVDF、 PA、 PEC、 PPC 等，主要采 用的锂盐有 LiPF6、 LiFSI、 LiTFSI 等。聚合物电解质制备简单，柔韧性好，加工性强，可 用于柔性电子产品或非常规形状的电池，与正负极物理接触好，且工艺和现有的锂电池比 较接近，易通过现有设备的改造实现在电池中的量产使用。但是聚合物电解质的室温离子 电导率普遍很低（＜ 10-6 S/cm），最常见的 PEO 基聚合物电解质还存在氧化稳定性差，只 能用于 LFP 正极的问题。通过多种聚合物交联、共混、接枝，或添加少量增塑剂可以提高 聚合物电解质的室温电导率，原位固化可以将聚合物电解质与正负极的物理接触提升到液 态电池的水平，非对称电解质的设计可以扩宽聚合物电解质的电化学 窗口。 免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。 7 电力设备与新能源 图表 12 聚合物电解质 的发展与挑战 资料来源 Polymer-Based Solid Electrolytes Material Selection, Design, and Application（ Guan Xi 等， 2021） 、 华泰研究 氧化物电解质 机械强度高、热稳定性和空气稳定性好、电化学窗口宽。 氧化物电解质可 以分为晶态和非晶态，常见的晶态氧化物电解质有钙钛矿型、 LISICON 型、 NASICON 型 和石榴石型。氧化物电解质耐受高电压，分解温度高，机械强度好，但是室温离子电导率 较低（＜ 10-4 S/cm），和正负极固固界面接触差，且通常厚度较厚（＞ 200μ m），大大降低 电池的体积能量密度。通过元素掺杂、晶界改性，氧化物电解质的室温电导率可以提高至 10-3 S/cm 量级。控制晶体体积和增加聚合物涂层可以改善氧化物电解质与正负极的界面接 触。通过溶液 /浆料涂覆法可制成超薄固态电解质膜。 图表 13 氧化物电解质改性策略 资料来源 Challenges, fabrications and horizons of oxide solid electrolytes for solid-state lithium batteries（ Ran Wei 等， 2021） 、 华泰研究 硫化物电解质 室温电导率高，延展性好，可以通过掺杂、包覆提高稳定性。 硫化物电解 质目前主要有玻璃、玻璃陶瓷和晶体三种形态。硫化物电解质室温电导率高，可以做到接 近液态电解质（ 10-4-10-2 S/cm），且硬度适中、界面物理接触好、机械性能良好，是固态电 池重要的备选材料。但是，硫化物电解质的电化学窗口窄，与正负极的界面稳定性较差， 且对水分非常敏感，与空气中的微量水即可发生反应，释放有毒的硫化氢气体，生产、运 输、加工对环境要求很高。掺杂、包覆等改性手段可以稳定硫化物和正负极界面，使其适 配于各类正负极材料，乃至应用在锂硫电池中。 免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。 8 电力设备与新能源 图表 14 硫化物电解质发展历程 资料来源 All-solid-state lithium batteries enabled by sulfide electrolytes from fundamental research to practical engineering design（ Changhong Wang 等， 2021） 、 华泰研究 固液混合电池电解质路线已形成初步共识 。 1）固液混合电池主要采用氧化物与聚合物复合 电解质，已 有 量产。聚合物体系可卷对卷生产，量产能力最好，但离子导电率最低；而氧 化物体系相对来说离子电导率更高，但更“脆”，两者结合正好优势互补。固液混合电池用 氧化物和聚合物复合电解质已 经开始步入 量产阶段 。 2） 全固态路线中硫化物具有 较 大潜力 。 硫化物固态电解质开发处于 早 期，电导率最高；但是生产环境控制十分苛刻，需隔绝水分 与氧气对空气敏感，容易氧化，遇水易产生 H2S 等有害气体 。 图表 15 LLZTO/PEO 复合电解质 导电机理示意图 资料来源 固态电池研究进展 （李杨等， 2019） 、 华泰研究 受制 于 工艺 和成本 ， 全 固态电池仍处技术研 发至 产业化过渡 期 半固态电池向全固态电池过 渡 的阶段中 存在 一系列 科学难题未解 。 半固态电池主要是基于 现有的电化学体系在工艺上做升级，各大电池厂升级的难度和成本相对不大，对正极、负 极、设备影响 较小 。但是全固态电池 仍存在众多 科学问题尚未解决 ， 目前限制全固态电池 发展的核心问题主要有固态电解质的离子电导率低、固 -固界面的接触稳定性、空间电荷 层、颗粒间体积效应、金属锂负极应用困难 、成本较高 等，诸多科学问题在全球范围内仍 处于待解状态 。 免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。 9 电力设备与新能源 1）界面问题 固态电解质拥有高界面阻抗。 传统液 /固接触，界面润湿性良好，不会产生大 的阻抗，相比较之下，固态电解质与正负极之间以固 /固界面方式接触，接触面积小，与极 片的接触紧密性较差，界面阻抗较高，锂离子在界面之间的传输受阻。 2） 金属锂负极应用 于全固态电池仍存在技术难点。 金属锂负极面临电化学充放电过程中的枝晶生长及孔洞产 生问题。不同于石墨负极的锂离子嵌入 /脱出反应，金属锂负极通过沉积 /剥离反应发挥容量， 没有支撑主体的金属锂负极在电化学过程中体积变化 较 大，易出现不均匀沉积，生成锂枝 晶。此外，金属锂剥离过程中，如果从界面剥离金属锂的速度快于其补充速度，将会在界 面处产生孔洞，甚至导致固态电解质与金属锂负极由面接触转变为点接触，造成界面阻抗 的急 剧增大。 图表 16 固态电池和液态电池界面接触问题 图表 17 全固态金属锂负极界面问题 资料来源 Role of Interfaces in Solid-State Batteries（ Xiang Miao 等， 2022）， 华泰研究 资料来源 全固态金属锂电池负极界面问题及解决策略 （ 余启鹏 等， 2020）、 华泰研究 3）源于制备工艺差异， 固态 电池成本 高 聚合物电解质 电池制造工艺发展较早，较为成熟。 聚合物电解质层可通过干法或湿法制 备，电芯组装通过电极和电解质间的卷对卷复合实现，干法和湿法都非常成熟，易于制造 大电芯，与现有的液态电池的制备方式最为接近。 1993 年美国 Bellcore 就 最 先 宣布 了采用 PVDF 凝胶电解质制造成的聚合物电池，并于 1996 年公布了完整的聚合物电池的规模化生 产技术。 图表 18 聚合物 -锂离子充电电池 制造工艺 资料来源 聚合物 -锂离子充电电池 （佚名 ， 1998）、 华泰研究 氧化物电解质 电池制备工艺 不同于现有液态电池 。以德国 RWTH PEM 制备工艺为例， 1） 分别 将正极材料和电解质材料加入球磨机中研磨 ； 2） 使用高频溅射法，将固态 电解质 溅射 到正极材料表面； 3） 将复合好的正极 -电解质材料进行高温烧结； 4） 通过电子束蒸发法将 负极分布到电解质材料上。 该方法挑战之一在于电子束蒸镀法耗时较长且负载的金属锂负 极易剥落。 免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。 10 电力设备与新能源 图表 19 氧化物固态电池制备流程 资料来源 RWTH Aachen、 华泰研究 硫化物电解质 电池制备对环境要求高。 硫化物电解质电导率较高且较为柔软，可以 采用 涂布法生产，其生产工艺与现有的液态电池生产工艺没有很大的差异 ， 但为了改善电池的 界面接触，通常需要在涂布后进行多次热压以及添加缓冲层来改善界面接触。 硫化物电解 质对于水分非常敏感，与空气中的微量水也会发生反应生成有毒气体硫化氢，所以对电池 制造的环境要求很高。 图表 20 硫化物固态电池制备流程 资料来源 All-solid-state lithium-ion and lithium metal batteries - paving the way to large-scale production（ Schnell 等， 2018）、 华泰研究 聚合物 固态电池 聚合物固态电解质 以采用 聚合物 PEO、 锂盐 LiTFSI 为例 。由于电化学窗 口限制，聚合物电解质固态电池正极使用 LFP 正极材料，负极使用金属锂，能量密度为 300Wh/kg。 我们预计 只考虑材料，聚合物固态电池的 成本 约为 0.46 元 /Wh。考虑到聚合物 电解质电池的制造工艺与传统液态电池类似， 我们假设 直接材料费用约占电池制造费用的 80，则 聚合 物固态电池的 总成本 约为 0.58 元 /Wh。 免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。 11 电力设备与新能源 氧化物 固态电池 氧化物电解质以 LLZO 为例，使用高镍正极和金属锂负极，单体电池能 量密度可达 350Wh/kg。 我们预计 只考虑材料，氧化物固态电池的 成本 约为 0.92 元 /Wh。 考虑到氧化物固态电解质对空气稳定， 我们假设 直接材料费用约占电池制造费用的 75， 则氧化物固态电池的 总成本 约为 1.23 元 /Wh。 硫化物 固态电池 LiS 是制备硫化物电解质的主要原材料，以 LPS 硫化物电解质为例，考 虑到硫化物电解质固态电池可以使用高镍正极和硅碳负极，单体电池能量密度可达 350Wh/kg， 我们预计 只考虑材料，硫化物固态电池的 成本 约为 0.94 元 /Wh。考虑到硫化物 电解质空气敏感，对工艺要求更高， 我们假设 直接材料费用约占电池制造费用的 70，则 硫化物固态电池的 总成本 约为 1.34 元 /Wh。 图表 21 固态电池 成本拆分 （ 材料价格 参考 2023 年 4 月 20 日 数据 ） 聚合物电解质 氧化物电解质 硫化物电解质 材料 单价（万元 /吨） 材料 单价（万元 /吨） 材料 单价（万元 /吨） 电解质 -PEOLiTFSl 13 电解质 -LLZO 60 电解质 -Li2SP2S5 80 正极 -LFP 7 正极 -高镍三元 25 正极 -高镍 25 负极 -金属锂 185 负极 -金属锂 185 负极 -硅碳负极 15 （元 /Wh） 材料成本 0.46 0.92 0.94 总成本（不含税） 0.58 1.23 1.34 资料来源 Wind、 华泰研究 图表 22 不同 环节 的材料和加工成本 资料来源 Solid versus Liquid A Bottom-Up Calculation Model to Analyze the Manufacturing Cost of Future High-Energy Batteries（ Joscha 等， 2020）、 华泰研究 免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。 12 电力设备与新能源 市场空间 固液混合电池 2030 年全球 市场空间或超 3000 亿元 受政策 需求端驱动，全球市场大力发展中 各国大力发展固态电池，多项文件明确指出要发展固态锂电池技术。 鉴于（半）固态电池 的优异潜能，很多国家都在大力支持发展（半）固态电池。 在我国， 2020 年 11 月，国务 院办公厅印发新能源汽车产业发展规划（ 2021-2035 年），明确要求加快固态动力电池 技术的研发和产业化。 2022 年 6 月 1 日，国家发改委等九部门联合印发了“十四五”可 再生能源发展规划，明确指出要研发固态锂电池技术。 2022 年 8 月 18 日，科技部等九部 门印发科技支撑碳达峰碳中和实施方案（ 2022-2030 年），明 确指出要研究固态电池等 更安全、长寿命、高能量效率的前沿储能技术。 图表 23 各国固态电池未来发展规划与目标 国家 性能目标 未来发展目标 美国 2016 年发布 Battery500 计划，计划 5 年打造能量密度 500Wh/kg，循环命 1000 次的电芯，到 2030 年，电池包成本降至 80/kWh 从三元体系转向低 钴 、无 钴 的正极材料和 锂金属负极体系发展 日本 2020 年电池包能量密度 250wh/kg，成本 20000 日元 / kWh 以下，循环次数 1000-1500 次； 2030 年电池包 能量 密度 500wh/kg，成本降到 10000 日 元 /kWh 以下，循环次数 1000-1500 次 从三元体系向全固态电池、锂确电池发展， 同时紧抓氢燃料电池 德国 2019 年教 研部宣布在未来四年为“电池研究工厂”项目追加 5 亿欧元投资， 实现电池 “德国制造” ， 2030 年电芯能量密度 400wh/kg，环次数 2000 次， 成本 75 欧元 /kWh 全固态电池为主，支持锂离子技术和新概 念电池 中国 2025 年动力电池能量密度 400Wh/kg， 2030 年能量密度目标 500 Wh/kg， 液态 电解质变为固态电解质 着眼于固态电解质，关注正负极材料改变 资料来源 中国粉体网 、 华泰研究 图表 24 全球固态电池布局 资料来源 中科院物理研究所 、 华泰研究 1）聚合物 技术 路线 企业和机构主要分布在欧洲和美国，在法国已有装车。 法国 Bollor 旗下的子公司 Blue Solutions 在 2012 年就开始建立第一条 PEO 基聚合物固态电池的生产 线，并应用在 Bollor的共享电动汽车 Blue Car 上，并逐渐扩大应用至电动大巴 Bluebus 上，后与戴姆勒合作，为大巴 e Citaro 提供固态电池。 该 聚合物固态电池 循环次数可达 3000 次，电芯能量密度超过 250Wh/kg， 但是 需要在 50-80℃温度区间使用 ，商业化应用难度较 大 。美国 Ionic Materials、 Solid Energy 和 Seeo 也在聚合物电解质领域有布局。 免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。 13 电力设备与新能源 图表 25 Blue Solutions PEO 基 聚合物固态电池 资料来源 Blue Solutions、 华泰研究 2）硫化物技术路线 企业和机构主要分布在日韩和美国，丰田预计最早 2025 年装车。 ① 丰田 2019 年 宣布与松下合作将固态电池产业化， 截至 22 年 3 月底 已有专利 1331 项 ，位 居全球首位， 其规划 2025 年前量产固态电池，电量从 0到充满仅需 15min，使用 30 年 后仍可保持 90的性能 。 ② 日产 与多家单位合作完成了基于硫化物固态电解质的全固态 电池 1kWh/L 级电极的充放电性能实测 ， 电池在 25℃ 下 从 15充电到 80仅需 15min，并 能安全通过针刺测试 ， 公司目标 2028 年推出全固态电池电动车。 ③ 三星 SDI 公司预计 2023 年 Q4 实现 20Ah 的试制电芯 ， 目标 2027 年量产 900Wh/L 的全固态电池。 ④ LG 新 能源 公司 计划 2025-2027 年实现全固态电池的商业化。 ⑤ 美国 Solid Power 已完成其 硫化物固态电池自动化生产线安装并启动试生产 ，并 将于 2023 年 向宝马集团交付全尺寸的 汽车电池用于测试 。该 硫化物固态电池 采用 富硅阳极，能量密度达 390Wh/kg， 循环寿命超 1000 次 ， 已 完成安装的自动化试生产线每周将生产 300 个 固态电池，年 产量约 15000 个。 图表 26 丰田全固态电池实现商业化应用的基础技术及其效果 资料来源 丰田汽车 、 华泰研究 免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。 14 电力设备与新能源 3）氧化物技术路线 企业和机构主要分布在中国和美国，中国多为半固态电池。 美国 Quantum Scape 与大众合作，其全固态氧化物电池可在 15min 内充电 80，能量密度 380-500Wh/kg，循环 800 次后仍保持 80的容量， 公司 预计 2024 年 下半年开始量产 。国 内的清陶发展采用 LLZO 和 LLTO 作为固态电解质材料， 2018 年建成首条 0.1GWh 产线， 2020 年 1GWh 固态锂电池项目建成投产，已搭载在哪吒 U、北汽蓝谷展示车上。卫蓝新能 源完成了能量密度 300Wh/kg 以上高镍三元正极的 氧化物半 固态电池设计开发，已经给多 家整车厂送样测试，成功通过针刺、挤压、过充、短路等滥用试验，循环寿命达到 1200 次 以上 。辉能科技采用 高镍三元正极 硅氧负极 的氧化物半固态电池 ， 公司 预期到 2025 年体 积能量密度能够接近 900Wh/L。 赣锋锂业 重庆赣锋 20GWh 新型锂电池科技产业园项目正 在建设中，规划建成国内最大的固态电池生产基地 ； 首批搭载赣锋固态电池的 50 辆东风 E70 电动车已 完成交付 。 图表 27 搭载 赣锋锂电 半固态电池的 赛力斯纯电 SUV 将于今年上市 资料来源 赣锋锂电 、 华泰研究 海外固态电池多为全固态电池，暂无可靠量产计划 。 海外车企方面，各主流龙头车企纷纷 设定了固态电池相关的发展规划，并开始进行研发布局。大部分头部车企如大众、现代、 宝马、丰田、通用都选择投资相应的固态电池公司，联合开展研发。美国的固态电池初创 公司较多，发展技术路线比较多样。其中，福特与宝马投资的 Solid Power、大众投资的 Quantum Scape 等新晋厂商发展较快。而海外电池厂方面，无论是为了顺应下游车企需求 还是行业发展共识的大势所趋，日韩头部电池厂都已给出了明确的商业化时间表，但目前 来看，都仍未能进入量产阶段。 图表 28 海外固态电池商业化时间表 公司 国家 合作方 技术路线 进展 丰田 日本 - 硫化物 2014 年实验室研发出 400Wh/kg，计划 2025 年左右量产 松下 日本 - 硫化物 2020 年与丰田成立合资公司加大固态电池研发，丰田计划 2025 年上市搭载全固 态电池车辆 本田 日本 - - 计划 2024 年春季启动全固态电池示范生产线 日产 日本 - - 计划 2028 财年实现全固态电池大规模量产 三星 SDI 韩国 - 硫化物 进入技术验证阶段， 2022 年 3 月全固态电池试验线开始建设，计划 2027 年量产 LG 新能源 韩国 - 聚合物 /硫化物 2026 年前推出聚合物固态电池，在 2030 年前推出硫化物电池 SK On 韩国 - 硫化物 2025 年前，交付三元正极和硅 /石墨负极的固态电池， 2030 年前推出锂金属阳极 电池 Solid Power 美国 福特、宝马、现代 硫化物 2021 交付 2Ah 的全固态电池，能量密度达到 320Wh/kg。现推出能量密度 350Wh/kg 的硫化物全固态电池，计划 2025 年量产 Quantum Scape 美国 大众、上汽 氧化物 2020 年研发出能量密度超过 400wh/kg 的全固态电池，是以氧化物和锂金属为主 要的技术路线， 2024 年建立 1GWh 试生产线，计划 2025 量产 Factorial Energy 美国 现代、起亚、奔驰、 Stellantis 高压牵引固态电池 计划 2026 年量产 24M 美国 大众 半固态 2019 年 3 月首次交付高能量密度半固态锂电池。计划在挪威建设一座年产 32GWh 的工厂 资料来源各公司公告、各公司官网、华泰研究 免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。 15 电力设备与新能源 国内参与者以固液混合路线为主，研发团队、商业化落地 及与 车企合作是核心 。 国内以氧 化物和聚合物复合的固液混合 （半固态） 路线为主， 搭载清陶能源半固态电池的北汽商用 车已下线、东风 E70 已交付 ， 孚能科技半固态电池已实现量产装车， 2023 年搭载半固态电 池的蔚来 ET7、 赛力斯 -SERES-5 将上市推出 。 图表 29 国内固态电池产业化进展 公司 技术路线 合作 车企 进展 卫蓝新能源 氧化物 蔚来 搭载 150kWh 半固态电池的 ET7 车型将于 23 年上半年推出，能量密度 360Wh/kg 清陶能源 氧化物 上汽 合作研发的 1000 公里以上长续航里程固态动力电池将于 23 年率先应用于上汽自主品牌新款车型 北汽 22 年 11 月清陶能源与北汽福田联合开发的首套量产商用车固