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
　　软包电池鼓包、胀气，极耳焊接处漏液，和热失控问题
　　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。
　　全固态电池结构
　　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。
　　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。

研究报告全文：中泰证券研究所专业领先深度诚信证券研究报告固态电池专题锂电完全体技术大趋势20230217分析师曾彪S0740522020001目录CCONTENTS固态电池的研发意义CONTENTS1中泰证券研究所专业领先深度诚信2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摒弃液相组分固态电解质充当隔膜电解液的功能隔离正和安全隐患大负极传导离子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电池结构不含有任何低闪点易燃的有机溶剂内部结构形变如极片间距扩大影响电池性能和寿命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存在可燃有机成分闪点低由内部短路产生的热量火星定的遏制作用易引发连锁反应造成热失控3资料来源锂电前沿辉能科技广州飞升精密设备官网BMWGroup中泰证券研究所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全固态电池体系固态电池化学体系RoadmapSolidPower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LiNiPO452V170mAhg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330370mAhg过渡到金属锂负极15003500mAhg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400Whkg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4资料来源Solidpower中泰证券研究所固态电池安全体系工艺上的三重迭代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铝塑壳成混料涂布辊压模切叠片极耳焊接顶侧封型后处理排期封口老化化成活化注液烘烤半固态路线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5资料来源科研云平台中泰证券研究所固态电池安全体系工艺上的三重迭代工艺迭代方向全固态工艺需要对产线进行全面升级全固态电池生产工艺三星干法电极正极原料混合模切工艺浆料涂覆层压袋抽负极AgC溶剂混合模切堆叠等静压焊接烘干真空固体电解质粘湿法成膜电解质膜模切结剂溶剂混合烘干封装干电极示意等静压示意图图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6资料来源NatureEnergyDryelectrodetechnologytherisingstarinsolid-statebatteryindustrialization中泰证券研究所固态电池开发路径-锂电终极形态固态电池开发路径液态电池向全固态迭代分为半固态准固态和全固态等阶段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15-20wt250-290Whkg一般差成熟完成NCM石墨电解液8-15wtUp1-4好中成熟具备量产条件半固态原位固化固液混高镍硅基负极8wtUp20好中下中具备量产条件合准固态高镍硅基负极固态电解质无High中高大中固态电池NextGENLi-Metal固态电解质无Extremehigh中高大低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7资料来源Solid-StateBatteryRoadmap2035中泰证券研究所目录CCONTENTS固态电池的关键环节固CONTENTS2中泰证券研究所态电解质专业领先深度诚信8固态电池的关键环节固态电解质固态电解质的应用场景半固态电池10wt液态成分全固态电池隔膜1隔膜固态固态电解电解质涂层质膜硅基负极正极锂金属负极1掺混三元NCM新型正极固态电解质材料2包覆固态电解质包覆三元NCM半固态路线固态电解质作为添加剂与正极主材进行掺混全固态电池固态电解质粉体被制造成固态电解质膜夹包裹或做为涂层材料涂覆于隔膜上以此增加离子电导在正负极之间起到隔离正负极防止短路导通离子的效率并缩减液态电解液的用量功能9资料来源BMWGroup中泰证券研究所固态电池的关键环节固态电解质固态电解质三种主要路线固态电池的技术重心围绕电解质的开发展开固态电解质的电导率相对液体电解液低1-2个数量级获得解决液态水平10-210-1Scm的固态电解质制作难度大成本高聚合物电解质易加工且机械性能好硫化物体系离子电导率最高的达到解氧化物电解质机械化学稳定性且原材柔性佳决液态电解液的水平10-2Scm料丰富易得对高电压的耐受力和热稳定性比较差稳定较差容易与氧气和水反应产生有氧化物电解质的离子电导率与硫化物相比高温下会发生起火燃烧安全性差没毒气体硫化氢批量生产需要对工程制相对较低但其具备稳定的性能更适宜法适配高电压的正极与固态电池正极成做全流程严格管控惰性气体的生产氛做固态电解质涂覆隔膜使用围导致成本比较高发展趋势不符应用上仍需要配合掺杂界面层调控等工通常用来与陶瓷类电解质复合使用以此外硫化物的电化学稳定窗口相对较窄艺去改善离子电导率提升综合性能与锂金属接触会发生反应生产Li2S等物质导致离子电导率的损失10资料来源Solid-StateBatteryRoadmap2035中泰证券研究所固态电池的关键环节固态电解质固态电解质的性能对比当前氧化物固态电解质在产业化应用和量产节点上都走在最前典型的氧化物固态电解质石榴石型LLZO的优点是具有较宽的电化学稳定性窗口在锂金属阳极存在下的化学稳定性强热稳定性亦是最高缺点是镧源相对受限同时超过1000C的烧结温度造成较高的成本NASICON型LATP钠超离子导体电解质制备工艺简单易于加工处理空气稳定强但对锂金属阳极呈现化学不稳定性离子电导率类型电化学稳定窗口热稳定性空气稳定性批量生产难度成本Scm-1硫化物10-2-10-31-25V600C差高高卤化物10-3036-435V600C略差中中NASICON代表材料LATP磷酸钛铝锂1-2x10-308-5V1000C稳定低低Li13Al03Ti17PO43石榴石氧化物代表材料LLZO锂澜锆氧1-2x10-36V1000C中中高Li7La3Zr2O12钙钛矿型代表材料为LLTO锂镧钛氧4x10-406-5V1000C中中低Li033La056TiO3复合电解质应用前景氧化物刚性大脆度高充放电循环过程中体积发生变化由于缺乏弹性界面接触降低存在形成裂缝的隐患与聚合物材料复合使用可以降低该材料的刚性和脆度氧化物的离子电导率作为电解质材料偏低除了与凝胶态液态电解液的混合制备硫化物氧化物复合材料亦是一种解决方案11资料来源吴敬华等固态锂电池十年回顾与展望JOL储能科学与技术中泰证券研究所目录CCONTENTS产业趋势我们如何跟踪CONTENTS3中泰证券研究所专业领先深度诚信12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液相法首先将硫化物前驱体例如Li2S和P2S5与THF等有气相法首先将LiM源SnSbAsP的化合物混合置机溶剂混合在室温下持续搅拌产生沉淀其次通过离心和于加热炉S源加入硫源气体发生装置对加热炉完成洗气后中温加热两部分离得到产品Li3PS4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相较固相法免除了高温淬火和球磨工艺的高能耗在大规气相法一步合成工艺步骤简化且操作简单易于实现规模模量产具备成本优势化生产产品形貌和粒度可通过溶剂参数调控粒度可达纳米级别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13资料来源MaterialsTodayNano专利CN111977681A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且杂质容易混入的问题在此基础上公司通过二次水热的貌的前驱体混合物接着再对前驱体烧结充分反应获得对方式有效控制晶粒尺寸提高离子扩散系数应的多孔球形LLZO粉体材料产品SEM图像显示粒径在纳米级别1-500nm且均匀分产品SEM图像显示产品呈多孔球形形貌颗粒尺寸03-散相较于一次水热工艺右图晶粒尺寸明显降低且150m通过喷雾方式粒径可控粒径范围缩小多孔形貌的存在可与聚合物复合提高离子电导降低刚离子电导率达到10-3Scm-1水平相较一次水热法产品高出性与正极包裹共混应用于固液混合电池具备更佳适配一个量级性14资料来源专利CN114335704ACN113889660A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车企车型进展预计供应商E702022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东风汽车预计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1000km2022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日岚图孚能量产下线预计上半年交付赛力斯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ET72023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HiPhiX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15资料来源Wind各公司公告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NCM811石墨负极常规体系NCM811石墨负极半固态体系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材料用量单位单价单位成本材料用量单位单价单位成本活性物质3084g380万元吨1172活性物质3071g380万元吨1167活性物质3007g40万元吨1203氧化物固氧化物固SP62g10万元吨0163g250万元吨1661g25万元吨153正极态电解质态电解质PVDF46g425万元吨20正极正极SP61g10万元吨01SP60g1万元吨006铝箔365g37万元吨14PVDF46g425万元吨20PVDF45g425万元吨192活性物质1935g62万元吨120铝箔365g37万元吨14铝箔365g3735万元吨136SP39g10万元吨00负极活性物质1935g62万元吨120活性物质1825g10万元吨183SBR39g450万元吨17SP39g10万元吨00SP36g1万元吨004负极负极铜箔821g103万元吨85SBR39g450万元吨17SBR36g45万元吨164电解液15wt1151g64万元吨73铜箔821g103万元吨85铜箔821g10325万元吨848隔膜43m222元平米94电解液10wt816g64万元吨52电解液10wt666g635万元吨423壳体01m2270元平米14隔膜43m222元平米94隔膜43m22175元平米94成本元1610壳体01m2270元平米14壳体01m227元平米14成本元叠片层数30015989成本元1686叠片层数30叠片层数30正极压实密度gcc34正极压实密度gcc340正极压实密度gcc340正极涂布面密度mgcm2400正极涂布面密度mgcm24000正极涂布面密度mgcm24000负极压实密度gcc16负极压实密度gcc160负极压实密度gcc150负极涂布面密度203mgcm2负极涂布面密度mgcm21989负极涂布面密度mgcm21915负极极片长宽177mm152mm负极极片长宽177mm152mm负极极片长宽177mm152mm能量密度Whkg287能量密度Whkg299能量密度Whkg343成本Wh074成本Wh074成本Wh071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NCA220mAhg石墨硅氧体系420mAhg能量密度提升195成本相较传统电池降低约416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目录CCONTENTS产业链主要公司梳理CONTENTS4中泰证券研究所专业领先深度诚信17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18资料来源中泰证券研究所固态电解质上海洗霸固态电池核心环节固态电解质上海洗霸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年产1-10吨级固态电解质主营业务表现百万元极上硅所张涛团队氧化物固态电解质粉体试产线试产成功纯2021年水处理业务占营收度合格XRD检测无杂项比例854差异化技术通过表面锂供体反应修饰界面构建表面活700营业总收入毛利率4540性功能衍生层提升LLZO空气稳定性和离子电导率6003835500302929284002425300201520010100500思路利用LLZO表面层Li2CO3LiOH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拟投资47亿新建50吨锂离子电池固态电解质粉体产线及研正极内部颗粒间界面适配在整个正极实现快离子传输发中心建设期为24个月核心工艺点一次烧结反应合成LiCoO2补充额外锂源聚焦低成本氧化物开发原料替换水溶剂取代废料回收技Li2O通过二次烧结将锆酸镧缺锂相还原消除杂相术并拓展开发高热稳定性隔膜复合固态电解质全固态提纯陶瓷电解质等电池部件19资料来源Wind上海洗霸官方网站公司公告NatureCommunications中泰证券研究所固态电解质金龙羽固态电池核心环节固态电解质金龙羽相关规划技术来源重庆大学李新禄教授团队产学合作研发成果归属主营业务表现百万元电子公司和锦添翼李新禄缆电线教授为法人代表5000营业总收入毛利率18差异化技术双层石墨烯包覆内层包覆石墨烯纳米带450016161615外层包覆自支撑石墨烯金属锂负极表面接触时表面电荷40001435001313分布均匀免除锂枝晶的生长保障循环倍率和安全12性30001025008200061500100045002002018A2019A2020A2021A2022Q1-3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LiLaTiO双层石墨双层3x23x3Li17Al07Ti13PO43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烯包覆钙钛矿型石墨烯包覆NASCION型线聚焦氧化物中试线已产出样品内部测试20资料来源Wind公司公告专利CN113488693B中泰证券研究所