产业化进程：预计2023年全球半固态电池渗透率为1%。分别搭载卫蓝新能源、赣锋锂业半固态电池的蔚来ET7、东风E70，搭载半固态电池的赛力斯纯电动SUV、东风追光轿车均于2022-2023年已经/计划交付。此外，清陶能源、国轩高科、孚能科技生产的半固态电池也于2022-2023年已经或计划装车。根据我们的测算，2023年全球半固态电池渗透率约为1%，需求达到约8.8GWh，2023-2030年，全球固态电池需求增长的CAGR为63.7%。
　　优势：半固态电池相较液态电池具有安全性更好、能量密度更高等优势。半固态电池为液态电池迭代版本，电芯中固态电解质和液态电解质均存在。固态电解质大多耐高温、不可燃，电池自燃或者爆炸的风险明显减小，安全性较高。卫蓝新能源、国轩高科已研发出能量密度为360Wh/kg的半固态电池，相较于液态电池的能量密度上限300Wh/kg提升明显。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。
　　成本：大规模量产时半固态电池的电芯BOM成本预估为0.5729元/Wh。半固态电池核心部材均为常规材料，材料成本低于液态电池。半固态电池环境管控要求高于液态电池，制造成本略高于液态电池。根据浙江锋锂2023年2月的预测，大规模量产时，半固态电池的电芯BOM成本预估为0.5729元/Wh，略低于液态电池的电芯BOM成本0.5766元/Wh。
　　电解质材料变化：氧化物固态电解质电导率适中、热稳定性好。（1）聚合物固态电解质具有成本低、机械加工性能优等特点，但电池的离子电导率较低。（2）氧化物固态电解质具备电导率适中、热稳定性好等优势，主要缺点是界面电阻大等。（3）硫化物固态电解质离子电导率（最高可达2.5×10-2S/cm）比聚合物电解质高约五个数量级，但环境稳定性差。（4）卤化物固态电解质还原稳定性好，但容易和金属锂负极不兼容。
　　电解质发展方向：我国半固态电池主要为氧化物电解质。锂镧锆氧固态电池具有物理化学稳定性好，对金属锂稳定的优势，且电导率适中。磷酸钛铝锂在氧化物电解质中成本较低。我国半固态电池主要为氧化物电解质，布局氧化物电解质的企业包括卫蓝新能源、赣锋锂业、清陶能源等。
　　弹性测算：氧化物电解质体系，建议优先关注高乐股份、上海洗霸。假设各个上市公司能完成1GWh半固态电池以及对应供应材料的产线建设并产生收入，根据收入变化的比例进行排序，针对氧化物固态电解质体系，弹性排序为：电池＞电解质＞正极＞负极＞锆＞钛＞镧，利好电池、电解质环节，建议关注高乐股份、上海洗霸。
　　弹性测算：对上游原材料环节锆板块上市公司收入拉动比例约0.5%。1GWh半固态电池对镧、锆、钛元素需求的拉动量占2022年该品种全球产量的比例分别为0.2%、0.012%、0.001%，半固态电池对原料拉动的弹性顺序为：镧>锆>钛。1GWh半固态电池需求对锆相关上市公司三祥新材、东方锆业，收入拉动比例分别为0.54%、0.45%，居原料环节首位。
　　投资建议：半固态电池是向全固态电池过渡的重要阶段，固态电池是未来锂电池发展的重要趋势。建议关注高乐股份、上海洗霸。
　　风险提示：经济不确定性风险，固态电池研发进度不及预期，下游需求不及预期风险。

研究报告全文：2023年3月21日行业研究半固态电池量产在即氧化物路线蓄势待发半固态电池研究报告要点有色金属产业化进程预计2023年全球半固态电池渗透率为1分别搭载卫蓝新能增持维持源赣锋锂业半固态电池的蔚来ET7东风E70搭载半固态电池的赛力斯纯电动SUV东风追光轿车均于2022-2023年已经计划交付此外清陶能作者源国轩高科孚能科技生产的半固态电池也于2022-2023年已经或计划装分析师王招华车根据我们的测算2023年全球半固态电池渗透率约为1需求达到约执业证书编号S0930515050001021-5252381188GWh2023-2030年全球固态电池需求增长的CAGR为637wangzhhebscncom优势半固态电池相较液态电池具有安全性更好能量密度更高等优势半固联系人马俊态电池为液态电池迭代版本电芯中固态电解质和液态电解质均存在固态电majunebscncom解质大多耐高温不可燃电池自燃或者爆炸的风险明显减小安全性较高卫蓝新能源国轩高科已研发出能量密度为360Whkg的半固态电池相较于联系人王秋琪wangqq1ebscncom液态电池的能量密度上限300Whkg提升明显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成本大规模量产时半固态电池的电芯BOM成本预估为05729元Wh半固态电池核心部材均为常规材料材料成本低于液态电池半固态电池环境管控行业与沪深300指数对比图要求高于液态电池制造成本略高于液态电池根据浙江锋锂2023年2月的16预测大规模量产时半固态电池的电芯BOM成本预估为05729元Wh略8低于液态电池的电芯BOM成本05766元Wh0电解质材料变化氧化物固态电解质电导率适中热稳定性好1聚合物固-8态电解质具有成本低机械加工性能优等特点但电池的离子电导率较低2氧化物固态电解质具备电导率适中热稳定性好等优势主要缺点是界面-170322062209221222-2电阻大等3硫化物固态电解质离子电导率最高可达2510Scm比有色金属沪深300聚合物电解质高约五个数量级但环境稳定性差4卤化物固态电解质还原资料来源Wind稳定性好但容易和金属锂负极不兼容电解质发展方向我国半固态电池主要为氧化物电解质锂镧锆氧固态电池具有物理化学稳定性好对金属锂稳定的优势且电导率适中磷酸钛铝锂在氧化物电解质中成本较低我国半固态电池主要为氧化物电解质布局氧化物电解质的企业包括卫蓝新能源赣锋锂业清陶能源等弹性测算氧化物电解质体系建议优先关注高乐股份上海洗霸假设各个上市公司能完成1GWh半固态电池以及对应供应材料的产线建设并产生收入根据收入变化的比例进行排序针对氧化物固态电解质体系弹性排序为电池电解质正极负极锆钛镧利好电池电解质环节建议关注高乐股份上海洗霸弹性测算对上游原材料环节锆板块上市公司收入拉动比例约051GWh半固态电池对镧锆钛元素需求的拉动量占2022年该品种全球产量的比例分别为0200120001半固态电池对原料拉动的弹性顺序为镧锆钛1GWh半固态电池需求对锆相关上市公司三祥新材东方锆业收入拉动比例分别为054045居原料环节首位投资建议半固态电池是向全固态电池过渡的重要阶段固态电池是未来锂电池发展的重要趋势建议关注高乐股份上海洗霸风险提示经济不确定性风险固态电池研发进度不及预期下游需求不及预期风险敬请参阅最后一页特别声明-1-证券研究报告有色金属投资聚焦液态锂离子电池的安全事故频发固态锂离子电池的优势在于电池自燃或者爆炸的风险明显减小安全性较高而且有望进一步提升电池的性能虽然半固态电池仍然处于产业化进程的初期阶段但随着科研院所和企业的研发不断推进未来将实现大规模量产我们通过本篇报告梳理了固态电池的材料种类技术研究进展企业布局情况并测算了半固态电池需求对各个上市公司的拉动以及对行业的拉动我们的创新之处1我们测算了1GWh半固态电池需求对各个上市公司的拉动以及对行业的拉动2我们分析了固态电池材料体系的变化股价上涨的催化因素1半固态电池顺利装车量产2固态电池研发进展顺利商业化难点取得重大突破投资观点半固态电池是向全固态电池过渡的重要阶段固态电池是未来锂电池发展的重要趋势建议关注企业的技术成果发布并持续关注科研院所和企业的研发进度建议关注电池环节的高乐股份电解质环节的上海洗霸敬请参阅最后一页特别声明-2-证券研究报告有色金属目录1初窥半固态电池兼具高安全性高能量密度等优势511半固态电池简介半固态为过渡阶段512固态电池优势高安全性高能量密度713固态电池发展历史可追溯至半个世纪前814全固态电池技术仍需足履实地915全固态电池商业化瓶颈离子电导率低界面问题显著1116产业化路径预计固态电池2030年市场规模达2768GWh122再识半固态电池电解质种类众多性能各异1321正极材料高镍三元是未来的发展方向1422负极材料金属锂负极被认为是负极材料的最终目标1423电解质种类众多性能各异1524隔膜全固态电池有望不再需要隔膜223展望未来半固态电池量产在即2331全球固态电池企业布局情况各家企业百花齐放2332我国半固态电池布局半固态电池量产在即254弹性测算265投资建议2751高乐股份2752上海洗霸286风险提示28敬请参阅最后一页特别声明-3-证券研究报告有色金属图目录图1全固态电池示意图6图2液态锂离子电池示意图6图3固液混合电池示意图6图4固态电池发展大事件9图5基于LLTO骨架的复合电解质膜合成示意10图6全固态电池实验验证方式10图7不同叠片工艺示意11图8固态电池产业化路径12图92023年-2030年全球固态电池需求量预测13图10聚环氧乙烷PEO的结构及其导电机理17图11氧化物固态电解质的晶体结构17图12立方相Li7La3Zr2O12LLZO的晶体结构18图13钛酸镧锂Li12La12TiO3的结构模型示意图18图14Li1xAlxTi2xPO43LATP固态电解质的晶体结构19图15反钙钛矿Li3ClO的晶体结构图20图16Li10GeP2S12中a骨架结构和参与离子传导的锂离子b框架结构c锂离子的传导途径21图17电池材料技术路线图23表目录表1锂离子电池分类6表2液态锂电池半固态电池和全固态电池的性质对比7表3电池应用的基本要求及固态电池的可能解决思路8表4半固态电池与液态电池成本对比8表5固态电池瓶颈和可能的解决途径12表6固态电池正极材料专利14表7固态电池负极材料15表8固态电池负极材料专利15表9四类固态电解质主要产品15表10全球固态电池相关公告24表11我国2022-2023年投产半固态电池主要企业情况26表121GWh半固态电池对上市公司的收入拉动27表131GWh半固态电池对金属需求拉动27表14高乐股份纳米固态电池的产品优势28敬请参阅最后一页特别声明-4-证券研究报告有色金属1初窥半固态电池兼具高安全性高能量密度等优势11半固态电池简介半固态为过渡阶段由于锂离子电池拥有较长的使用寿命和较高的能量密度经常被用作交通工具的动力电池然而近年来锂离子电池相关安全事故却频频发生锂离子电池相关安全事故频发的原因主要在于传统液态锂离子电池所使用的电解液是有机溶剂例如常见电解液成分大多为高易燃物质容易引发起火自燃和爆炸等事故因此学术界和产业界转向研究固态电池尝试用不可燃的固态电解质替代可燃的电解液以从根本上提高电池的安全性锂离子电池根据电解质不同可以分类为液态锂电池固态电池两类固态电池包括半固态电池准固态电池和全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具体而言锂离子电池可以分为以下六类1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2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3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比例相对较大电解液含量占比在5-104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0-55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电池等均为混合固液锂电池的一种6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敬请参阅最后一页特别声明-5-证券研究报告有色金属表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池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5-10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0-5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许晓雄为全固态锂电池正名光大证券研究所固态电池在构造上比传统液态电池要简单固态电解质除了传导锂离子也充当了隔膜的角色在全固态电池中不需要使用电解液电解质盐隔膜与黏接剂聚偏氟乙烯等材料大大简化了电池的构建步骤图1全固态电池示意图资料来源汤卫平固态电解质及其全固态电池研究光大证券研究所固态电池的工作原理与液态电池是相通的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此时电子通过外电路驱动电子器件图2液态锂离子电池示意图图3固液混合电池示意图资料来源汤卫平固态电解质及其全固态电池研究光大证券研究所资料来源汤卫平固态电解质及其全固态电池研究光大证券研究所敬请参阅最后一页特别声明-6-证券研究报告有色金属表2液态锂电池半固态电池和全固态电池的性质对比性质液态锂电池半固态电池全固态电池固态电解质包括聚合物固态电解质氧化电解质类型液态电解质液态电解质固态电解质物固态电解质硫化物固态电解质等类型负极材料石墨负极或硅碳负极石墨负极或硅碳负极石墨负极硅碳负极金属锂隔膜有隔膜有隔膜并涂覆固态电解质材料无隔膜安全性能安全性相对较差安全性有所改善安全性高能量密度可达300Whkg可达400Whkg可达500Whkg以上资料来源汤卫平固态电解质及其全固态电池研究光大证券研究所12固态电池优势高安全性高能量密度半固态电池属于固态电池中的一种固态电池的优势适用于半固态电池下文主要描述固态电池的优势固态电池具有安全性好能量密度高更加灵活的成组方式等优势1固态电池安全性好采用可燃有机电解液的传统锂离子电池在过度充电内部短路等异常情况下电解液会发热有自燃甚至爆炸的危险而固态电解质大多耐高温不可燃电池自燃或者爆炸的风险明显减小不过作为一种能量存储器件所有电池从热力学角度来说都不可能是绝对安全的电池实际应用中真正决定其安全性的因素是多方面的包括电池的电解质材料特性电极材料特性电池质量控制以及电池管理系统等影响因素因此虽然固态电解质的引入能从原理上极大提高安全性但其后续生产的质量控制电池管理系统依然十分重要2固态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卫蓝新能源国轩高科已研发出能量密度为360Whkg的半固态电池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固态电池具有更加灵活的成组方式固态电池可以采用内串的成组方式通过将电池内部极片以串联方式连接的结构设计实现单体电池电压的提升具有内串结构的单体电池电压可达到多个电芯串联的电压水平减少了包装结构的使用提高成组效率4固态电池有望在新能源汽车电池器件技术中更上一个台阶除了安全性与能量密度高新能源汽车电池器件还需要满足众多要求例如循环寿命长工作温度范围宽耐挤压耐震动等固态电池有望通过如下方式解决这些需求为获得高的质量能量密度采用高能量密度嵌入化合物硫基材料等作为正极为获得高的体积能量密度采用致密薄层电解质技术高压实密度正极等为获得长循环寿命控制正负极体积膨胀保持界面接触例如采用复合电极柔性无定型凝胶态界面等为实现宽温区工作-70150采用超离子导体固液结合热管理等为提高耐挤压针刺的能力采用不易粉化的金属锂复合电极与不易氧化不易燃易爆的固态电解质为提高耐震动的水平采用含有柔韧物质或者系统减震为降低成本易于量产可通过提升能量密度与寿命使原材料易于制备且极片和电解质层膜易于加工电芯易于快速制备等等敬请参阅最后一页特别声明-7-证券研究报告有色金属表3电池应用的基本要求及固态电池的可能解决思路电池应用性能要求固态电池的可能解决途径质量能量密度高采用高能量密度嵌入化合物硫基空气等作为正极体积能量密度高采用致密薄层电解质技术高压实密度嵌入化合物正极循环寿命长控制正负极体积膨胀保持界面接触的机制例如复合电极柔性无定形凝胶态界面体积变化小存在体积变化缓冲机制复合电极宽温区工作70150采用超离子导体固液结合热管理倍率特性好高倍率正负极的设计和考虑聚合物无序层固液界面设计高离子导电复合材料薄膜化耐挤压针刺采用不易粉化的金属锂复合电极无易氧化易燃易爆的固体电解质耐震动含有柔韧性物质或者系统减震耐过充宽电位窗口电解质与正极材料耐过放选择高稳定正负极材料耐短路电芯内有熔断热保护机制无内短路有抑制锂枝晶生长穿刺的机制能量效率高电极电解质界面的面电阻小正极电化学极化扩散极化小自放电率低无锂枝晶无持续界面反应低成本易于量产通过提升能量密度与寿命降低成本使原材料易于制备且极片和电解质层膜易于加工电芯易于快速制备资料来源李泓固态锂电池研发愿景和策略光大证券研究所成本大规模量产时半固态电池的电芯BOM成本为05729元Wh半固态电池核心部材均为常规材料材料成本低于液态电池半固态电池环境管控要求高于液态电池制造成本略高于液态电池根据浙江锋锂2023年2月的预测大规模量产时半固态电池的电芯BOM成本预估为05729元Wh略低于液态电池的电芯BOM成本05766元Wh表4半固态电池与液态电池成本对比电芯电芯BOM成本传统隔膜固态膜成本占比电解液固化剂成本占比膜电解液合计成本膜电解液合计成本元Wh占比元Wh传统液态三元碳057667651220198501145半固态三元碳057291232702193401108资料来源浙江锋锂新能源科技有限公司固态锂电池材料与电池技术开发进展光大证券研究所注此次BOM成本计算均以三元正极20万元吨进行计算成本会随材料价格变动而变化13固态电池发展历史可追溯至半个世纪前固态电池的发展历史可追溯到1972年当时SCROSATIB等首次报道了一种采用LiI为电解质的固态锂离子一次电池随后在1983年日本东芝公司宣布开发一款可实用的LiTiS2薄膜全固态电池1987年中国科技部将固态电池列为第一个863计划重大专题是我国固态电池发展历史上的重要事件1992年美国橡树岭国家实验室的BATES等成功开发了一种无机薄膜固态电解质LiPON并研制出多种材料体系的薄膜全固态电池2000年以后固态电池的发展逐渐加速2005年日本东京都立大学KANAMURA小组开始设计以钙钛矿结构Li-La-Ti-O材料为固态电解质的全固态电池2011年法国最大的电动汽车项目运营商博洛雷集团正式推出了Autolib乘用车这是世界上首次用于EV的商业化固态电池案例2012年美国苹果公司开始布局固态电池的应用研发同年中国科技部将固态储能锂电池列入十二五的863计划进行支持2017年多家公司宣布其全固态电池的研发已经或即将取得新进展日本敬请参阅最后一页特别声明-8-证券研究报告有色金属日立宣布其全固态电池技术已研发完成已开始送样潜在客户锂电池发明人JOHNGOODENOUGH提出了玻璃状介质技术开始为全固态电池商业化量产化做准备2018年中国科技部将对动力及储能应用的固态电池同时列入国家重点研发计划进行支持2020年之后固态电池的发展更加迅速2020年Bollore与奔驰联合进行搭载44KWh金属锂聚合物电池的公共汽车研发QuantumSpace宣布将于2026年开发出有20GWh产能的固态电池生产线2021年本田宣布固态电池将于2030年实现商业化量产2021年中国科学技术大学研发出的新材料氯化锆锂突破了锂电池固态电解质材料生产成本和综合性能难以兼得的重大瓶颈哈佛大学研究团队在Nature上发表的论文表示新型固态电池可重复使用1万次充电速度最快达3分钟这标志着固态电池的寿命和充电速度完成了历史性飞跃未来的固态电池将迎来更快更优质的发展图4固态电池发展大事件资料来源许晓雄等为全固态锂电池正名光大证券研究所14全固态电池技术仍需足履实地制备工艺湿法工艺易大规模量产干法工艺更具成本优势根据是否采用溶剂固态电解质的成膜工艺分为湿法工艺和干法工艺成膜工艺是全固态电池制造的核心不同的工艺会影响固态电解质膜的离子电导率和厚度固态电解质膜过厚会降低全固态电池的能量密度同时也会提高电池的内阻固态电解质膜过薄机械性能会变差有可能引起短路因此可根据对全固态电池的性能要求选择合适的成膜工艺进而得到具备所需离子电导率和厚度的固态电解质膜1湿法工艺湿法工艺成膜操作简单工艺成熟易于大规模生产是目前最有希望实现固态电解质膜量产的工艺之一按照载体不同湿法工艺可分为模具支撑成膜正极支撑成膜以及骨架支撑成膜湿法工艺中采用的溶剂可能存在成本高毒性大的缺点且残留的溶剂会降低固态电解质膜的离子电导率敬请参阅最后一页特别声明-9-证券研究报告有色金属图5基于LLTO骨架的复合电解质膜合成示意资料来源翟喜民等全固态电池生产工艺分析光大证券研究所2干法工艺干法工艺的工作原理是将固态电解质与聚合物粘结剂分散成高粘度混合物通过对其施加足够的压力使其成膜干法工艺形成的固态电解质膜通常厚度偏大制作成的全固态电池的能量密度偏低但干法工艺在成本上更加具有优势因为不采用溶剂直接将固态电解质和粘结剂混合成膜所以不需要烘干并且由于干法成膜无溶剂残留还可获得更高的离子电导率装配工艺分段叠片和一体化叠片各有千秋全固态电池通常采用软包的方式集成与液态电池生产相比不需要电解液注入工艺可能不再需要耗时耗力的化成过程目前全固态电池大多数试验和验证都基于扣式电池和模具电池聚合物固态电池通常都可以制备成扣式电池无机电解质硫化物氧化物电解质固态电池通常利用模具电池进行实验通过使用粉末压制法制备致密的固态电解质圆片为获得良好的机械接触与正极和负极层贴合并施加压力只有开发适配的规模化集成工艺才能获得实际应用的全固态电池图6全固态电池实验验证方式资料来源翟喜民等全固态电池生产工艺分析光大证券研究所从工艺成熟度效率成本等方面考虑叠片是最适用于全固态电池制备的工艺可以通过正极固态电解质膜和负极的简单堆叠实现电池各组件的集敬请参阅最后一页特别声明-10-证券研究报告有色金属成全固态电池生产工艺分析文献中按照裁片与叠片的先后顺序将叠片工艺分为分段叠片和一体化叠片分段叠片沿用液态电池叠片工艺将正极固态电解质层和负极裁切成指定尺寸后将叠片按顺序依次进行包装一体化叠片是在裁切前将正极固态电解质膜和负极压延成三层结构按尺寸需求将该三层结构裁切成多个正极-固态电解质膜-负极单元并将其堆叠在一起后进行包装对于全固态电池而言堆叠一起的各组件之间势必会存在各种各样的界面问题对于氧化物和硫化物固态电解质膜需要进行压制处理改善固态电解质与电极之间的机械接触针对聚合物全固态电池可以通过加热降低聚合物固态电解质膜同正负极间的界面电阻图7不同叠片工艺示意资料来源翟喜民等全固态电池生产工艺分析光大证券研究所15全固态电池商业化瓶颈离子电导率低界面问题显著目前要实现全固态电池商业化还存在许多瓶颈例如固态电解质离子电导率较低且界面问题较为显著1离子电导率低固态电解质材料离子电导率偏低进而降低了电池的倍率性能和功率密度例如液态电解质离子电导率为10-2Scm左右而聚合物固态电解质离子电导率可低至10-810-7Scm2界面问题显著固态电解质和电极之间的界面阻抗大界面相容性低对电池性能产生负面影响例如物理接触问题体现在电解质和电极间维持点的接触容易使电解质和电极之间产生裂缝等缺陷进而限制锂离子的传输化学接触问题体现在电解质和电极间的副反应会降低固-固界面的稳定性增大界面阻抗进而降低锂离子的迁移速率因此现有新兴电池体系以半固态电池为主一方面半固态电池的生产工艺与液态电池较为接近制造成本变化小可操作性较强另一方面半固态电池是一种中间态有利于后续向全固态电池发展针对离子电导率低的问题可通过对电解质链段接枝或交联添加锂盐或增塑剂的方式提高聚合物固态电解质的离子电导率可通过添加涂层或平衡锂离子含量来改善氧化物固态电解质离子电导率表现可通过提高氯离子含量来实现硫化物固态电解质离子电导率的提升针对界面问题可通过采用紫外固化法制备共聚合的新型聚合物电解质来实现聚合物固态电解质和电极之间良好的界面接触可通过涂布法粉末共烧敬请参阅最后一页特别声明-11-证券研究报告有色金属结原位生长电极层包覆修饰电解质表面溅射沉积电极层等方式来改善氧化物固态电解质和电极材料之间体积膨胀和界面抗阻大的问题可通过设计双电解质异质结构或引入缓冲层的方式来调控硫化物固态电解质和电极之间的界面问题表5固态电池瓶颈和可能的解决途径瓶颈解决途径离子电导率低改进固态电解质例如可通过对电解质链段接枝或交联添加锂盐或增塑剂的方式提高聚合物固态电解质的离子电导率界面问题显著降低界面电阻例如可通过涂布法粉末共烧结原位生长电极层包覆修饰电解质表面溅射沉积电极层等方式来改善氧化物固态电解质和电极材料之间的界面问题资料来源樊晓红固态锂电池聚合物电解质研究进展刘鲁静等全固态锂离子电池技术进展及现状光大证券研究所全固态电池技术依然存在需要解决的难点而半固态电池的技术已经成熟界面工艺等技术难点已经突破大规模商业化量产指日可待16产业化路径预计固态电池2030年市场规模达2768GWh在过去十年的动力电池发展中由于材料性能的提高以过渡金属基氧化物为正极活性材料石墨为负极活性材料的乘用车电芯的平均能量密度从约150Whkg和260Whl增加到目前的250Whkg和600Whl图8固态电池产业化路径资料来源FraunhoferSolid-StateBatteryRoadmap2035光大证券研究所注紫色代表氧化物固态电解质浅蓝色代表硫化物固态电解质深蓝色代表聚合物固态电解质敬请参阅最后一页特别声明-12-证券研究报告有色金属得益于固态电池的高安全性高能量密度优势固态电池将从高端应用市场开始商业化有望应用于电动汽车电网储能可穿戴设备军工航空航天等领域其中硫化物固态电解质由于离子电导率优异成为以丰田为首的国内外各机构研究的热点并且2021年的东京奥运会上已使用装载硫化物全固态电池的电动汽车固态电池也可以应用于无人机中目前单台无人机中固态电池用量相对较小固态电池应用的主要领域是新能源汽车的动力电池根据EVTank的预测20252030年全球新能源汽车的销量将达到2542252120万辆2022年新能源汽车单车带电量为46kwh辆假设2023年单车带电量与2022年持平2024年开始单车带电量每年上升1kwh辆20252030年单车带电量为4853kwh辆对应动力电池需求分别为12202768GWh根据固态电池企业的布局进度已有多家企业2023年正在进行产能建设半固态电池处于量产前夕假设2023年全球固态电池渗透率为1需求达到88GWh由于全固态电池还未商业化需求绝大多数为半固态电池根据EVTank的预测至2030年全球固态电池渗透率为10需求达到2768GWh2023-2030年全球固态电池需求增长的CAGR为637图92023年-2030年全球固态电池需求量预测资料来源EVTank光大证券研究所预测2再识半固态电池电解质种类众多性能各异半固态电池属于固态电池中的一种是迈向全固态电池的过渡阶段半固态电池材料使用与全固态电池具有相似性下文将主要描述固态电池的关键材料同时也适用于半固态电池具有较高的能量密度的高镍三元正极材料是未来的发展方向金属锂负极和硅负极是具有前景的负极材料金属锂负极具有高能量密度的潜力但用于大规模制造的加工技术还不成熟硅负极具有较高的理论比容量被认为是下一代液态电池的首选技术在固态电池中应用的前景也非常可期敬请参阅最后一页特别声明-13-证券研究报告有色金属21正极材料高镍三元是未来的发展方向固态电池与传统液态电池的正极材料相似最典型的固态电池正极材料是如下三种类型1三元正极材料2具有尖晶石结构的锰酸锂材料3具有橄榄石结构的磷酸铁锂材料其中具有较高能量密度的高镍三元正极材料是未来的发展方向固态电池专利中正极依然主要使用三元材料磷酸铁锂与传统的液态电池一致清陶能源卫蓝新能源国轩高科锋锂能源蔚来汽车的专利中均提及使用三元正极材料其中国轩高科的专利中提及使用高镍三元正极材料表6固态电池正极材料专利公司清陶能源卫蓝新能源国轩高科锋锂能源上汽集团蔚来汽车镍钴锰酸锂三元材料和其他金钴酸锂锰酸锂磷酸镍钴锰三元材料523正极材料属锂化合物如钴酸锂镍钴高镍三元811材料镍钴锰三元材料等硫碳复合材料铁锂和三元材料等其中等酸锂锰酸锂镍锰酸锂等的一种或多种资料来源企知道专利平台光大证券研究所22负极材料金属锂负极被认为是负极材料的最终目标金属锂负极和硅负极是具有前景的负极材料在液态电池和固态电池中均可以使用金属锂负极具有高能量密度的潜力但用于大规模制造的加工技术还不成熟硅负极具有较高的理论比容量被认为是下一代液态电池的首选技术在固态电池中应用的前景也非常可期目前固态电池负极材料主要分为金属锂负极碳基负极和氧化物负极三大类负极的发展路径为石墨硅碳硅氧金属锂高容量低电位的金属锂被视为固态电池的终极目标最初石墨是锂离子电池负极的主要材料石墨碳具有适合锂离子嵌入和脱出的层状结构同时具有良好的电压平台充放电效率在90以上然而不足在于石墨碳理论容量较低仅为372mAhg并且目前实际应用已经基本达到理论极限高能量密度的需求无法满足石墨烯碳纳米管等纳米碳作为新型碳材料出现在市场上可以使电池容量扩大到之前的23倍同时在电池技术发展的过程中对锂离子电池的要求越来越高如高能量高安全性等而石墨材料无法满足这些需求因此研发出硅基材料硅基材料包括硅碳硅氧等硅的储备量丰富成本低无污染并且硅基材料比碳基材料的理论比容量更高理论比容量为994mAhg然而它在嵌锂过程中体积膨胀严重体积变化率为260碳材料仅为12金属锂由于其高容量低电位的优势被视为固态电池负极材料发展的最终目标通过使用金属锂负极可以提高电池的能量密度固态电池则可抑制锂枝晶的生长使金属锂负极的运用成为可能然而金属锂在循环过程中会有锂枝晶的产生不仅会使可供嵌入或脱出的锂量减少甚至可能造成短路等安全问题另外金属锂十分活泼容易与空气中的氧气和水分等发生反应并且金属锂不耐高温给电池的组装和应用带来困难上述问题的解决方法之一是加入其它金属与锂组成合金这些合金材料的特点是具有高的理论容量并且通过加入其他金属可以降低金属锂的活性可以有效控制锂枝晶的生成和电化学副反应的发生从而提高了界面稳定性锂合金的通式是LixM其中M可以是InBAlGaSnSiGePbAsBiSbCuAgZn等此外氧化物负极材料主要包括金属氧化物金属基复合氧化物和其它氧化物典型的氧化物负极材料有TiO2MoO2In2O3A12O3Cu2OVO2敬请参阅最后一页特别声明-14-证券研究报告有色金属SnOxSiOxGa2O3Sb2O5Bi2O5等这些氧化物的理论比容量较高然而在从氧化物中置换金属单质的过程中大量的锂被消耗造成巨大的容量损失并且循环过程中伴随着巨大的体积变化容易造成电池的失效表7固态电池负极材料材料体系代表优点缺点研究方向循环过程中电极体积变化大严重时会导致电极粉化失败循环性能合成新型合金材料制备超细纳米金属锂负极材料金属锂高容量低电位大幅下降金属锂是电极活性物合金和复合合金体系质相应的安全隐患仍存在碳的理论容量较低可开发空间已碳基硅基锡基材料使用掺杂石墨烯碳纳米管等纳米碳族负极材料技术成熟价格低充放电效率高不大硅负极正在开发中但受限以石墨为例碳作为新型碳材料于体积膨胀在电化学过程中大量的Li被消金属氧化物金属基复合耗造成巨大的容量损失并且循氧化物负极材料理论比容量高通过与碳基材料的复合进行改善氧化物和其他氧化物环过程中伴随着巨大的体积变化容易造成电池的失效资料来源许晓雄等为全固态锂电池正名光大证券研究所国内固态电池专利中覆盖了石墨碳基负极金属锂负极清陶能源卫蓝新能源国轩高科上汽集团蔚来汽车专利中均提及可采用金属锂负极表8固态电池负极材料专利公司清陶能源卫蓝新能源国轩高科锋锂能源上汽集团蔚来汽车金属锂合金材料石石墨硅碳硅氧硅墨无定形碳中间相金属锂负极石石墨硅和硅碳复合材负极材料或钛酸锂中的一种或几金属锂金属锂或锂合金碳微球纳米硅硅碳墨负极等料中的任意一种种金属锂材料硅氧材料与钛酸锂的一种或多种资料来源企知道专利平台光大证券研究所23电解质种类众多性能各异半固态电池电芯中固态电解质和液态电解质均存在半固态电池主要使用的固态电解质材料是氧化物电解质硫化物是全固态电池的主流路线但在半固态电池里面的应用空间有限因为电极中的液体会破坏硫化物材料结构进而影响电池性能表9四类固态电解质主要产品种类名称及分子式具体分类性能优点性能缺点代表企业1立方相LLZO离子电导率1四方相LLZO离子电导率锂镧锆氧高约为10-3Scm左右低石榴石型电解质Li7La3Zr2O12LLZO2物理化学稳定性好2与金属锂界面阻抗较3对金属锂稳定大容易生长锂枝晶清陶能源卫蓝新能氧化物钛酸镧锂1热稳定性好1对金属锂不稳定源赣锋锂业辉能钙钛矿型电解质Li12La12TiO32机械性能良好2制备温度高科技1制备工艺简便磷酸铝钛锂LATP容易被金属锂还原对NASICON型电解质2对空气稳定LiAlTiPOLATP负极不稳定1xx2x433热稳定性良好敬请参阅最后一页特别声明-15-证券研究报告有色金属4机械性能良好5LATP离子电导率高约为10-3Scm左右1离子电导率高约为2310-6Scm锂磷氧氮制备过程生产率低批量生产LiPON型电解质2热稳定性好LiPON成本较高3和多种正极和金属锂负极的相容性好1离子电导率高约为10-1化学稳定性一般410-2Scm左右LPS2对水分敏感物理稳定玻璃态电解质2热稳定性高LiS-PS性一般2253安全性能好3与电极相容性差4电化学窗口宽硫化物锂锗磷硫离子电导率高约为1210-1锗元素成本高宁德时代晶态电解质2Li10GeP2S12Scm左右2对金属锂不稳定1化学稳定性一般锂磷硫氯离子电导率高约为9310-2对水分敏感物理稳定晶态电解质3-3Li55PS45Cl159510Scm性一般3与电极相容性差聚环氧乙烷PEO室温离子电导率低约为10-聚合物对金属锂负极稳定8-7HOCH2CH2OnH10Scm左右1离子电导率较高约为5110-4Scm左右LiYClLi-M-X类电解质容易和金属锂负极不兼容36a62良好的电压稳定性氧化还原电位高和正极匹配性较高1离子电导率高约为1510-3Scm左右卤化物Li2Sc23Cl4Lia-M-X4类电解质2良好的电压稳定性氧化还容易和金属锂负极不兼容原电位高和正极匹配性较高1离子电导率较低低于良好的电压稳定性氧化还原电位10-5ScmLiCoClLi-M-X类电解质6a8高和正极匹配性较高2容易和金属锂负极不兼容资料来源吴敬华等固态锂电池十年回顾与展望李杨全固态锂离子电池关键材料研究进展等光大证券研究所聚合物固态电解质聚合物固态电解质SPE由聚合物基体和锂盐构成具有机械加工性能优黏弹性好等特点虽然聚合物固态电解质具有较好的柔性容易构建固-固界面但其室温离子电导率低导致电池的倍率性能和功率密度都较低常用的锂盐有LiPF6LiTFSILiClO4LiAsF4和LiBF4等SPE基体包括聚环氧乙烷PEO聚丙烯腈PAN聚偏氟乙烯PVDF聚甲基丙烯酸甲酯PMMA聚环氧丙烷PPO聚偏氯乙烯PVDC以及单离子聚合物固态电解质等其它体系由于聚合物具有良好的柔性和可加工性聚合物固态电解质特别适用于为可穿戴设备供电的固态电池系统但由于锂盐对湿度敏感合成过程需在干燥条件下进行使得生产成本增加此外聚合物有限的热稳定性对电池工作温度的变化范围仍有较严格的要求当使用金属锂作为电池负极时由于一些聚合物固态电解质机械强度有限往往难以阻止锂枝晶的生长这些问题都限制了聚合物固态电解质的广泛应用得益于PEO对金属锂稳定并且可以更好地解离锂盐目前主流的SPE基体仍为最早被提出的PEO及其衍生物然而由于聚合物固态电解质中离子传输主要发生在无定形区而室温条件下未经改性的PEO的结晶度高导致离子电导率较低处于10-7Scm的数量级同时锂离子迁移数也很低0203对电池大电流充放电的能力有严重影响敬请参阅最后一页特别声明-16-证券研究报告有色金属图10聚环氧乙烷PEO的结构及其导电机理资料来源李杨全固态锂离子电池关键材料研究进展光大证券研究所氧化物固态电解质氧化物固态电解质包括晶态和玻璃态两类晶态电解质包括石榴石型钙钛矿型NASICON型等电解质而玻璃态氧化物固态电解质主要是应用在薄膜电池中的LiPON型电解质和反钙钛矿型Li32xMxHalO固态电解质与其他无机固体锂离子导电化合物如卤化物和硫化物相比氧化物锂离子导体通常对环境空气和高温更为稳定因此可以在制造和操作过程中轻松处理此外氧化物固态电解质的优势在于其原料更易于获取因此近年来氧化物固态电解质飞速发展图11氧化物固态电解质的晶体结构资料来源刘鲁静全固态锂离子电池技术进展及现状光大证券研究所1石榴石型固态电解质石榴石型固态电解质的通式可表示为Li3xA3B2O12其中A为八配位阳离子B为六配位阳离子通过共面的方式AO8和BO6交错连接构成三维骨架由O构成的八面体空位和四面体空位填充骨架间隙当x0时Li难以自由移动被严格束缚在作用较强的四面体空位24d相应的电解质体系电导率较低当x0时随x增加束缚能力较弱的八面体空位48g96h由Li逐渐占据四面体空位出现空缺离子电导率逐渐上升敬请参阅最后一页特别声明-17-证券研究报告有色金属图12立方相Li7La3Zr2O12LLZO的晶体结构资料来源刘鲁静全固态锂离子电池技术进展及现状光大证券研究所2钙钛矿型理想的钙钛矿为立方面心密堆结构分子式记作ABO3其中A位于立方体顶角处B位于体心处O位于面心处以钛酸镧锂Li12La12TiO3为典型代表通常由晶体中的空穴浓度Li在材料中传输瓶颈大小及晶体有序度等决定钙钛矿结构固态电解质的电导性在其材料中掺杂原子半径较大的离子可制造空穴浓度较高的电解质材料有效提升离子电导率和界面性能图13钛酸镧锂Li12La12TiO3的结构模型示意图资料来源刘鲁静全固态锂离子电池技术进展及现状光大证券研究所3NASICON型NASICON型分子式为MA2B3O12其中MA和B分别为一价四价和五价离子且锂离子在固态电解质中通过不同位点间的取代实现锂离子传递-电导率取决于骨架离子A2B3O12的大小因此NASICON型电解质的改性方法主要是提高骨架离子间隙的离子掺杂敬请参阅最后一页特别声明-18-证券研究报告有色金属图14Li1xAlxTi2xPO43LATP固态电解质的晶体结构资料来源陈龙全固态锂电池关键材料固态电解质研究进展光大证券研究所4LiPON型电解质早在1992年美国橡树岭国家实验室OakRidgeNationalLabORNL就在高纯氮气气氛中采用射频磁控溅射装置溅射高纯Li3PO4靶制备得到锂磷氧氮LiPON电解质薄膜该材料综合性能优异室温离子导电率为23106Scm电化学窗口为55VvsLiLi热稳定性较好并且与LiCoO2LiMn2O4等正极以及金属锂锂合金等负极相容性良好LiPON薄膜离子电导率的大小取决于薄膜材料中非晶态结构和N的含量N含量的增加可以提高离子电导率LiPON被认为是标准的固态电池电解质材料并且已经得到了商业化应用5反钙钛矿型固态电解质反钙钛矿结构固态电解质的特性是环境友好低成本高的室温离子电导率25102Scm优良的电化学窗口和热稳定性以及与金属锂稳定反222钙钛矿结构锂离子导体可表示为Li32xMxHalO其中M为MgCaSr或Ba2等高价阳离子Hal为元素Cl或I敬请参阅最后一页特别声明-19-证券研究报告有色金属图15反钙钛矿Li3ClO的晶体结构图资料来源陈龙全固态锂电池关键材料固态电解质研究进展光大证券研究所硫化物固态电解质与O2相比S2的半径大且极化作用强用硫替换氧化物晶态电解质中的氧一方面可以增加晶胞体积扩大锂离子传输通道尺寸另一方面弱化了骨架对锂离子的吸引和束缚增大可移动载流子锂离子的浓度因此相比于氧化物固态电解质硫化物固态电解质表现出更高的离子电导率硫化物固态电解质主要包括玻璃及玻璃陶瓷态电解质和晶态电解质等硫化物固态电解质有一些缺陷例如制备条件复杂充放电稳定性低环境稳定性差与电极的界面接触不好等因此虽然离子导电性高但实际应用仍存在一定难度为解决这些问题通过引入适当的添加剂开发高离子电导率对空气高稳定性的新型固态硫化物固态电解质体系成为可能同时为了优化电极与固态硫化物电解质之间的界面相互作用可以通过扩大接触面积寻找更多匹配的电极材料修饰电极表面等方法来降低电阻在今后硫化物固态电解质的发展中此类研究和开发是非常有必要的1玻璃及玻璃陶瓷态电解质硫化物玻璃态电解质通常由P2S5SiS2B2S3等网络形成体以及网络改性体Li2S组成玻璃态电解质研究最多的是Li2S-P2S5体系此类材料完全结晶时离子电导率并不高此外还有Li2S-SiS2Li2S-B2S3体系硫化物玻璃态电解质体系组成变化范围宽室温离子电导率高可达104102Scm同时具有安全性能好热稳定高电化学稳定窗口宽达5V以上的特点在构建高功率以及高低温固态电池方面优势突出近几年发现通过热处理或球磨法制备玻璃态电解质可以形成部分结晶的半玻璃-半陶瓷结构其离子电导率明显提高另外可通过掺杂和改性等措施提高离子电导率和化学稳定性敬请参阅最后一页特别声明-20-证券研究报告