【研报】固态电池专题：锂电完全体 技术大趋势---中泰证券.pdf

中 泰 证 券 研 究 所 专 业 ｜ 领 先 ｜ 深 度 ｜ 诚 信 ｜ 证 券 研 究 报 告 ｜ 2 0 2 3 . 02. 17 固态电池专题：锂电完全体 技术大趋势 分析师：曾彪 S0740522020001 2 CONTENTS 目录 CCONTENTS 专 业 ｜ 领 先 ｜ 深 度 ｜ 诚 信 中 泰 证 券 研 究 所 1 固态电池的研发意义 3 固态电池：安全、体系、工艺上的三重迭代  安全性能迭代：本征安全问题的解决 资料来源：锂电前沿，辉能科技，广州飞升精密设备官网， BMW Group，中泰证券研究所  软包电池鼓包 、 胀气 ， 极耳焊接处漏液 ， 和热失控问题  全固态电池结构 • 存在液态组分 ， 在极耳焊接处容易发生漏液 ， 造成生产良率低 和安全隐患大； • 电解液在电池使用过程中发生反应分解 ， 产生气体 ， 造成内部 内部结构形变 （ 如极片间距扩大 ） ， 影响电池性能和寿命； • 存在可燃有机成分 ， 闪点低 ， 由内部短路产生的热量 、 火星 ， 易引发连锁反应 ， 造成热失控 。 • 摒弃液相组分 ， 固态电解质充当隔膜 、 电解液的功能 ， 隔离正 负极 ， 传导离子； • 电池结构不含有任何低闪点 、 易燃的有机溶剂； • 固态电解质具备一定的厚度和机械强度 ， 对枝晶的产生存在一 定的遏制作用 。 4 固态电池：安全、体系、工艺上的三重迭代  化学体系迭代方向：传统锂电池体系 vs 全固态电池体系 • 随着本征安全性能的提高 ， 全固态体 系 ， 正极材料可以从传统的中 、 高镍 三元材料 ， 替代为无钴 、 富锂正极 ， 和高电压磷酸锂镍正极 （ LiNiPO4， 5.2V， 170mAh/g） ， 能量密度天花 板进一步被突破； • 由于液相组分的去除 ， 负极可以由传 统的石墨负极 （ 330～ 370 mAh/g） ， 过渡到金属锂负极 （ 1500～ 3500 mAh/g） ， 比容量显著提高；在全固 态体系 ， 传统三元正极搭配金属锂负 极 ， 电芯能量密度超过 400Wh/kg； • 界面化学：可通过构建高界面能 、 低 电子电导以及具备自修复功能的人工 界面层 ， 改善锂枝晶造成的潜在问题 。 资料来源： Solid power ，中泰证券研究所  固态电池化学体系 Roadmap（ Solid Power） 5 固态电池：安全、体系、工艺上的三重迭代 资料来源：科研云平台，中泰证券研究所  工艺迭代方向：半固态工艺路线与现有软包工艺兼容  软包电池主要工艺流程  半固态路线 1：隔膜涂覆固态电解质层；正极掺混固态电解质；电解液用量降低 • 工艺路线与现行软包电池工艺一致，成熟度高，产线兼容，无需增设产线设备。  半固态路线 2：增加原位固化工艺，即电解液凝胶化，降低液相组分 • 工艺上的主要把控点，包括固化时间、压力和温度，以及固化 与 化成等工序的顺序； • 固化时间接近 2-3小时，对生产效率造成一定影响； • 设备上面，工艺分为热固化、电化学固化、紫外线固化，热固化设备与传统锂电产线的热压工艺设备兼容，后者需要调整化成工艺、增 加对应设备，影响小。 混料 涂布 辊压 模切 叠片 极耳焊接 顶侧封 铝塑壳成 型 注液 活化 化成 老化 排期封口 后处理 烘烤 6 资料来源： Nature Energy ， Dry electrode technology, the rising star in solid-state battery industrialization， 中泰证券研究所 固态电池：安全、体系、工艺上的三重迭代 • 工厂布局需调整 ， 增配固体电解质成膜工艺设备及生产线； • 新增等静压等新工艺 ， 对产线影响大 。 等静压工艺的设备生产 、 调试及使用难度大 ， 目前良率较低 ， 需要积累大量 know-how经验以 赶上锂电池辊压 、 热压工艺的效率和良率水平； • 全固态路线 ， 电池组分均为固相 ， 可采用干电极技术 ， 将浆料混合 、 涂布 、 烘干 、 碾压几道工序结合一体 ， 极大提高生产效率 。  工艺迭代方向：全固态工艺，需要对产线进行全面升级 原料混合 干法电极 工艺 模切 堆叠 层压袋抽 真空 Ag /C/溶剂混合 浆料涂覆 /烘干 模切 固体电解质 /粘 结剂 /溶剂混合 湿法成膜 /烘干 模切 等静压 焊接 封装 负极： 正极： 电解质膜： • 等静压示意 图： • 干电极示意 图：  全固态电池生产工艺 （ 三星 ） 7 固态电池开发路径 -锂电终极形态 资料来源： Solid-State Battery Roadmap 2035+，中泰证券研究所  固态电池开发路径 • 本征安全性能的提升 ， 电池可以适配更极端的化学体系 、 Pack层级 ， 可适配空间利用率的软包形态 ， 同时缩减液冷系统配置； • 化学体系方面 ， 随着正负极主材向高克容量体系迭代 ， 材料的单耗显著下降 ， 加之锂回收产业的成熟 ， 电池单位成本有望降低； • 生产制造方面 ， 干电极等高效生产工艺的使用 ， 进一步摊低了制造成本 ， 提高生产效率 ， 为电动车的全面渗透营造条件 。 阶段 正极 负极 电解质 液相含量 能量密度 电性能 安全性 量产难度 研发进度 液态电池 NCM 石墨 电解液 15-20wt% 250-290Wh/kg 一般 差 成熟 完成 半固态 NCM 石墨 电解液 8-15wt% Up 1-4% 好 中 成熟 具备量产条件 高镍 硅基负极 原位固化 /固液混合 600° C 差 高 高 卤化物 10-3 0.36-4.35V 600° C 略差 中 中 氧化物 NASICON 代表材料 LATP（ 磷酸钛铝锂， Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3） 1-2 x 10-3 0.8-5V 1000° C 稳定 低 低 石榴石 代表材料 LLZO（锂澜锆氧， Li7La3Zr2O12） 1-2 x 10-3 ~6V 1000° C 中 中 高 钙钛矿型 代表材料为 LLTO（锂镧钛氧， Li0.33La0.56TiO3） 4 x 10-4 0.6-5V 1000° C 中 中 低 12 CONTENTS 目录 CCONTENTS 专 业 ｜ 领 先 ｜ 深 度 ｜ 诚 信 中 泰 证 券 研 究 所 3 产业趋势，我们如何跟踪 13 资料来源： Materials Today Nano，专利 CN 111977681 A，中泰证券研究所 跟踪点 1：硫化物固态电解质批量工艺的简化、降本  优化固相法工艺，降低能耗，或开发新型硫化物批量生产工艺  液相法： 首先将硫化物前驱体 ， 例如 Li2S和 P2S5， 与 THF等有 机溶剂混合 ， 在室温下持续搅拌 ， 产生沉淀；其次通过离心 ， 和 中温加热 ， 两部分离得到产品 Li3PS4；  气相法： 首先将 Li， M源 （ Sn、 Sb、 As、 P的化合物 ） 混合置 于加热炉； S源加入硫源气体发生装置 ， 对加热炉完成洗气后 ， 在以设定通气速率通入含 S源的气体的环境下 ， 加热炉升温至 200℃ -800℃ ， 保持一定温度保温反应生产硫化物固态电解质 。  固相法涉及机械球磨 混合 ， 粉末压片 ， 惰性气氛 、 真空条件下烧结 ， 时间长 ， 烧结温度高 ， 能耗大且效率不高 。 液相法和气相法硫化物 制备工艺有望简化制备工艺 ， 实现低能耗高效生产 。 • 相较固相法，免除了高温淬火和球磨工艺的高能耗，在大规 模量产具备成本优势； • 产品形貌和粒度可通过溶剂参数调控，粒度可达纳米级别； • 缺点是残留反应物、副产品和溶剂不易排除，造成材料性能 损失。 • 气相法一步合成，工艺步骤简化且操作简单，易于实现规模 化生产； • 无需在真空环境或惰性气氛保护条件下进行合成，生产设备、 产线建设投入成本大幅降低。 14 资料来源：专利 CN 114335704 A， CN 113889660 A，中泰证券研究所 跟踪点 2：氧化物电解质的差异化方案  市场上氧化物电解质主要厂家的工艺路线，存在较大差异化  天目先导： 二次水热法 — 纳米级氧化物电解质 （ LATP）  赣锋锂业： 喷雾干燥 与 固相法结合 — 球形含锂氧化物电解质 （ LLZO） • 水热法可解决固相法烧结过程晶粒尺寸 /晶格结构变化大， 且杂质容易混入的问题。在此基础上，公司通过二次水热的 方式有效控制晶粒尺寸，提高离子扩散系数； • 产品 SEM图像显示，粒径在纳米级别（ 1-500nm），且均匀分 散。相较于一次水热工艺（右图），晶粒尺寸明显降低，且 粒径范围缩小； • 离子电导率达到 10-3 S.cm-1水平，相较一次水热法产品高出 一个量级。 • 将前驱体混合物研磨混匀，以喷雾干燥方式获得球形微观形 貌的前驱体混合物，接着再对前驱体烧结，充分反应获得对 应的多孔球形 LLZO粉体材料； • 产品 SEM图像显示，产品呈多孔球形形貌，颗粒尺寸 0.3- 150μm ，通过喷雾方式，粒径可控； • 多孔形貌的存在，可与聚合物复合，提高离子电导、降低刚 性，与正极包裹、共混，应用于固液混合电池具备更佳适配 性。 15 资料来源： Wind，各公司公告，中泰证券研究所 跟踪点 3：半固态安全性能在车辆层级的验证  半固态电池  2023-2025年，半固态电池有望获得大量的整车系统层级的试验数据，重点关注安全性能的验证。 • 相较于圆柱和方形电池，软包电池的市场份额下滑趋势出现，主要原因是软包电池存在较大的安全隐患，半固态电池作为过渡路线，短 期的驱动因素为安全性能改善。电解液的减少使得外部加热、冲击，以及内部短路造成热失控风险降低，这在电芯层级得到了验证，但 是在系统、装车级别的安全性，仍需要大量数据支撑。 车企 车型 进展 预计供应商 东风汽车 E70 2022年 1月 22日，赣锋锂业固态锂电池在 50辆东风风神 E70车型上首次实现装车运行 赣锋锂业 预计 2024年上半年可实现量产搭载，第二代固态电池，车续航里程可达 1000km 岚图 2022年 12月发布， 82kWh的半固态电池版本，对应续航里程 580km，首批新车已经于 2023年 1月 13日量产下线，预计上半年交付 孚能 赛力斯 SERES-5 规划于 2023年上市，搭载赣锋锂业 90kWh半固态电池组， WLTP续航里程 530km 赣锋锂业 蔚来 ET7 2023年 H1将推出 150kWh半固态电池的车型 卫蓝 长安 深蓝 半固态电池已经进入工程化研发阶段，将于 2025年搭载整车应用 高合汽车 HiPhi X 推出 160kWh超高电池包升能服务，在 NEDC工况续航可达 1000km，预计 2023年 Q1开始交付 国轩高科 16 资料来源： Wind，鑫椤锂电，炭黑市场价格，锂电前沿，吴娇杨等 . 锂离子电池和金属锂离子电池的能量密度计算 [J]. 储能科学与技术，中泰证券研究所 跟踪点 4：半固态电池综合性能、成本情况  半固态电池  在安全性能得到验证之后，半固态电池在体系上，可以适配更激进的化学体系，在能量密度和综合成本上获得双重提升。 NCM 811 + 石墨负极 +半固态体系 材料 用量 单位 单价 单位 成本 正极 活性物质 307.1 g 38.0 万元 /吨 116.7 氧化物固 态电解质 6.3 g 25.0 万元 /吨 1.6 SP 6.1 g 1.0 万元 /吨 0.1 PVDF 4.6 g 42.5 万元 /吨 2.0 铝箔 36.5 g 3.7 万元 /吨 1.4 负极 活性物质 193.5 g 6.2 万元 /吨 12.0 SP 3.9 g 1.0 万元 /吨 0.0 SBR 3.9 g 45.0 万元 /吨 1.7 铜箔 82.1 g 10.3 万元 /吨 8.5 电解液 (10wt%） 81.6 g 6.4 万元 /吨 5.2 隔膜 4.3 m2 2.2 元 /平米 9.4 壳体 0.1 m2 27.0 元 /平米 1.4 成本 /元 159.89 叠片层数 30 正极压实密度 g/cc 3.40 正极涂布面密度 mg/cm2 40.00 负极压实密度 g/cc 1.60 负极涂布面密度 mg/cm2 19.89 负极极片长 *宽 177mm*152mm 能量密度 Wh/kg 299 成本 /Wh 0.74 NCA 高镍 + 石墨 /硅氧负极 +半固态体系 材料 用量 单位 单价 单位 成本 正极 活性物质 300.7 g 40 万元 /吨 120.3 氧化物固 态电解质 6.1 g 25 万元 /吨 1.53 SP 6.0 g 1 万元 /吨 0.06 PVDF 4.5 g 42.5 万元 /吨 1.92 铝箔 36.5 g 3.735 万元 /吨 1.36 负极 活性物质 182.5 g 10 万元 /吨 18.3 SP 3.6 g 1 万元 /吨 0.04 SBR 3.6 g 45 万元 /吨 1.64 铜箔 82.1 g 10.325 万元 /吨 8.48 电解液 (10wt%） 66.6 g 6.35 万元 /吨 4.23 隔膜 4.3 m2 2.175 元 /平米 9.4 壳体 0.1 m2 27 元 /平米 1.4 成本 /元 168.6 叠片层数 30 正极压实密度 g/cc 3.40 正极涂布面密度 mg/cm2 40.00 负极压实密度 g/cc 1.50 负极涂布面密度 mg/cm2 19.15 负极极片长 *宽 177mm*152mm 能量密度 Wh/kg 343 成本 /Wh 0.71 NCM 811 + 石墨负极 +常规体系 材料 用量 单位 单价 单位 成本 正极 活性物质 308.4 g 38.0 万元 /吨 117.2 SP 6.2 g 1.0 万元 /吨 0.1 PVDF 4.6 g 42.5 万元 /吨 2.0 铝箔 36.5 g 3.7 万元 /吨 1.4 负极 活性物质 193.5 g 6.2 万元 /吨 12.0 SP 3.9 g 1.0 万元 /吨 0.0 SBR 3.9 g 45.0 万元 /吨 1.7 铜箔 82.1 g 10.3 万元 /吨 8.5 电解液 (15wt%） 115.1 g 6.4 万元 /吨 7.3 隔膜 4.3 m2 2.2 元 /平米 9.4 壳体 0.1 m2 27.0 元 /平米 1.4 成本 /元 161.0 叠片层数 30.0 正极压实密度 g/cc 3.4 正极涂布面密度 mg/cm2 40.0 负极压实密度 g/cc 1.6 负极涂布面密度 mg/cm2 20.3 负极极片长 *宽 177mm*152mm 能量密度 Wh/kg 287 成本 /Wh 0.74 • 过渡到半固态体系，沿用传统 811体系，由于电解液的质量占比从 15wt%缩减到 10wt%，能量密度提升 4%，对成本影响较小； • 在体系上进一步提升到高镍 NCA（ 220mAh/g） +石墨 /硅氧体系（ 420mAh/g），能量密度提升 19.5%，成本相较传统电池降低约 4%。 17 CONTENTS 目录 CCONTENTS 专 业 ｜ 领 先 ｜ 深 度 ｜ 诚 信 中 泰 证 券 研 究 所 4 产业链主要公司梳理 18 资料来源：中泰证券研究所 产业链主要公司梳理  产业链相关公司  固态电解质是固态电池的关键环节： 硫化物和氧化物固态电解质是两大主要路线，当前节点前者存在较大工艺难点：复杂的烧结工艺导 致品质与良率偏低，且全流程管控、和惰性氛围要求导致成本高昂；氧化物 +聚合物复合电解质方向，短期内具有更佳的应用前景。关注 相关标的： 【 上海洗霸 】 、 【 金龙羽 】 、 【 赣锋锂业 】 ；  半固态电池技术过渡路线： 短期驱动因素为安全性能改善，电解液的减少使得外部加热、冲击，和内部短路造成热失控风险降低；同时 半固态路线生产制造与现有软包产线兼容性高，切换方便，具备快速起量条件。电池环节相关标的关注 【 珈伟新能 】 、 【 赣锋锂业 】 【 国轩高科 】 、 【 孚能科技 】 ；工艺上，固液混合电解质，或原位固化、电解液凝胶化工艺，在过渡阶段可以解决当前聚合物固态电解 质常温离子电导率较差的问题，关注相关标的 【 瑞泰新材 】 。  全固态的终极形态： 锂离子电池实现安全、体系及工艺方向的三重迭代，电池环节关注 【 德尔股份 】 、 【 高乐股份 】 、 【 宁德时代 】 、 【 亿纬锂能 】 。  产业链格局发生变化： 安全方面，软包电池胀气、极耳焊处漏液两大痛点根除，作为全固态电池理想形态，软包电池市占率有望回升， 铝塑膜有望受益 【 明冠新材 】 、 【 新纶新材 】 ；体系方向，负极从传统的石墨，过渡到半固态的石墨 +硅碳 /硅氧负极，最终全固态使用 金属锂负极。正极方面，亦由中镍三元，向半固态的高镍，全固态的无钴、富锂、锂硫等极端体系发展。固态电解质膜替代传统电解液 和隔膜，上游锆产业有望因 LLZO电解质的开发受益 【 东方锆业 】 ；工艺方面，干电极技术的使用对粘结剂提出更高要求，关注聚四氟乙 烯厂商 【 东岳集团 】 。产业叠片工艺占比提升，关注极片切刀龙头 【 德新科技 】 。 19 资料来源： Wind，上海洗霸官方网站，公司公告， Nature Communications，中泰证券研究所 固态电解质：上海洗霸  上海洗霸  固态电池核心环节 — 固态电解质  相关规划： • 技术来源： 复旦大学 赵东元院士团队（钠电硬碳 /硅基负 极）、上硅所 张涛团队（氧化物固态电解质）； • 差异化技术： 通过表面锂供体反应修饰界面，构建表面活 性功能衍生层，提升 LLZO空气稳定性 和 离子电导率 • 年产 1-10吨级固态电解质 粉体试产线试产成功，纯 度合格， XRD检测无杂项 • 主营业务表现 /百万元 （ 2021年水处理业务占营收 比例 85.4%） 38% 29% 24% 29% 28% 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 0 100 200 300 400 500 600 700 营业总收入 毛利率 • 拟投资 4.7亿，新建 50吨锂离子电池固态电解质粉体产线 及研 发中心， 建设期为 24 个月 ； • 聚焦低成本氧化物 （开发原料替换、水溶剂取代、废料回收技 术），并拓展开发高热稳定性隔膜、复合固态电解质、全固态 陶瓷电解质等电池部件。 • 思路： 利用 LLZO表面层 Li2CO3、 LiOH（界面阻抗大）等 自发反应惰性层作为反应锂源，与特定金属氧化物反应 （ Co3O4），生成 LiCoO2包裹层（高速离子传输通道、且 正极内部颗粒间界面适配， 在 整个 正极实现快 离子传输） • 核心工艺点： 一次烧结反应合成 LiCoO2； 补充额外锂源 （ Li2O），通过 二次烧 结将锆酸镧缺锂相还原，消除杂相 （提纯）。 20 资料来源： Wind，公司公告，专利 CN113488693B，中泰证券研究所 固态电解质：金龙羽  金龙羽  固态电池核心环节 — 固态电解质  相关规划： 16% 16% 15% 13% 13% 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16% 18% 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 2018A 2019A 2020A 2021A 2022Q1-3 营业总收入 毛利率 • 主营业务表现 /百万元（电 缆、电线） • 线缆行业市场饱和，竞争激烈，计划进行产业升级转型， 2021年 8月与重庆锦添翼签订协议，五年内投入不超过三亿 元，在重庆设立研发中心，建设固态电池及其关键材料的中试 线； • 聚焦氧化物， 中试线已产出样品，内部测试。 • 产学合作，研发成果归属 子公司和锦添翼（李新禄 教授为法人代表） • 技术来源： 重庆大学 李新禄教授团队； • 差异化技术： 双层石墨烯包覆，内层包覆石墨烯纳米带、 外层包覆自支撑石墨烯（金属锂负极表面接触时表面电荷 分布均匀，免除锂枝晶的生长，保障循环，倍率和安全 性） • Li3xLa2/3‐ xTiO3双层石墨 烯包覆钙钛矿型 • Li1.7Al0.7Ti1.3(PO4)3双层 石墨烯包覆 NASCION型 21 资料来源： CN 113054248 A，瑞泰新材公告，招股说明书，中泰证券研究所 固液混合电解质：瑞泰新材  瑞泰新材 控股子公司 （ 国泰华荣 ） 开发了固液混合电解质： 针对 聚合物电解质室温下存在离子电导率 偏 低 、 与正负极界面接触较差 ， 阻抗大 的问题 ， 将液态或凝胶态电解质加入聚合物骨架中 ， 形成固液混合电解质 ， 制备 室温离子电导率高的复合型固态电解质 。  半固态关键工艺 24% 25% 28% 21% 21% 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 2018A 2019A 2020A 2021A 2022Q1-3 营业总收入（百万元） 毛利率 • 主业持续增长， 2021年电解液及添加剂业务占营收比例达 76%； • 电解液添加剂产能：截止 2022年 Q3产能 485.7吨 /年，以新型锂 盐为主，部分产品已应用于固态锂离子电池，张家港基地和衢 州基地分别规划 4000吨和 2100吨产能； • 电解液产能：截止 2022年 Q3产能 11万吨 /年，波兰基地 4万吨 / 年达量产状态，宁德基地 8万吨 /年项目开始试生产 • 聚合物电解质为含有磺酸基的嵌段聚合物，具有多孔结构； • 液态 (LiPF6， EC/DMC/EMC)或凝胶态电解质（ LiTFSI， EMIMBF4）占聚合物电解质重量的 1％～ 10％ 22 5.风险提示  固态电池产业化进度不及预期。  锂离子电池或其他新技术持续迭代。  测算结果基于一定假设导致的结果不确定性的风险。  研究报告使用的公开资料可能存在信息滞后或更新不及时的风险。 23 重要声明  中泰证券股份有限公司（以下简称“本公司”）具有中国证券监督管理委员会许可的证券投资咨询业务资格。 本报告仅供本公司的客户使用。本公司不会因接收人收到本报告而视其为客户。  本报告基于本公司及其研究人员认为可信的公开资料或实地调研资料，反映了作者的研究观点，力求独立、客 观和公正，结论不受任何第三方的授意或影响。本公司力求但不保证这些信息的准确性和完整性，且本报告中 的资料、意见、预测均反映报告初次公开发布时的判断，可能会随时调整。本公司对本报告所含信息可在不发 出通知的情形下做出修改，投资者应当自行关注相应的更新或修改。本报告所载的资料、工具、意见、信息及 推测只提供给客户作参考之用，不构成任何投资、法律、会计或税务的最终操作建议，本公司不就报告中的内 容对最终操作建议做出任何担保。本报告中所指的投资及服务可能不适合个别客户，不构成客户私人咨询建 议。  市场有风险，投资需谨慎。在任何情况下，本公司不对任何人因使用本报告中的任何内容所引致的任何损失负 任何责任。  投资者应注意，在法律允许的情况下，本公司及其本公司的关联机构可能会持有报告中涉及的公司所发行的证 券并进行交易，并可能为这些公司正在提供或争取提供投资银行、财务顾问和金融产品等各种金融服务。本公 司及其本公司的关联机构或个人可能在本报告公开发布之前已经使用或了解其中的信息。  本报告版权归“中泰证券股份有限公司”所有。事先未经本公司书面授权，任何机构和个人，不得对本报告进 行任何形式的翻版、发布、复制、转载、刊登、篡改，且不得对本报告进行有悖原意的删节或修改。