“固態(tài)電池”站上風(fēng)口，鋰電技術(shù)迎來(lái)終局？ | 研報推薦

注：原文為華鑫證券《鋰電終局技術(shù)，產(chǎn)業(yè)加速落地》，分析師：黎江濤

進(jìn)入2024年，固態(tài)電池成為了新能源汽車(chē)行業(yè)的熱門(mén)話(huà)題。

除了行業(yè)巨頭寧德時(shí)代首次宣布了公布全固態(tài)電池發(fā)展規劃以外，多家電池廠(chǎng)商與車(chē)企也宣布參與“固態(tài)電池大戰”。

盡管目前業(yè)界對于現有的固態(tài)電池仍懷有質(zhì)疑的態(tài)度。但長(cháng)期來(lái)看，即使實(shí)現完全商業(yè)化仍需要攻克不少難題，“寧比二王”以及中小電池廠(chǎng)商，都在有意加速這項技術(shù)的進(jìn)度。

以下為研報內容節選：

鋰電技術(shù)終局，海內外加速推進(jìn)

1.1、 優(yōu)勢顯著(zhù)，固態(tài)電池或將成鋰電技術(shù)終局

隨著(zhù)新能源汽車(chē)滲透率持續提升，由于電池熱失控導致的新能源車(chē)安全事故成為新能源車(chē)行業(yè)面臨的一大挑戰；此外，隨著(zhù)液態(tài)鋰電池技術(shù)愈發(fā)成熟，其能量密度提升愈發(fā)困難，限制新能源車(chē)續航提升，里程焦慮成為限制新能源車(chē)滲透率進(jìn)一步提升另一大瓶頸。因此高安全、高能量密度的固態(tài)電池為鋰電池發(fā)展必由之路。

目前，液態(tài)電池為目前全球鋰電池主流技術(shù)，工藝及供應鏈成熟，成本低，但電池本征安全問(wèn)題及能量密度限制其進(jìn)一步發(fā)展。

半固態(tài)電池安全性及能量密度較液態(tài)電池有所提升，且產(chǎn)線(xiàn)與液態(tài)電池可以較好的兼容，成為液態(tài)與固態(tài)電池之間的過(guò)渡方案；

而固態(tài)電池可以解決電池本征安全問(wèn)題，并可大幅提升鋰電池能量密度，此外具有更好的寬溫性能，是鋰電池發(fā)展終局之選，但目前仍有制造成本高、固界面導電性差等問(wèn)題，限制其大規模商業(yè)化應用。

固態(tài)電池核心優(yōu)勢：

1、具有高安全性，主要由于其以熱穩定性強、不易燃的固態(tài)電解質(zhì)，替代易燃的液態(tài)電解液，大幅降低電池自燃、爆炸風(fēng)險。

此外，固態(tài)電解質(zhì)具有更高的機械強度，能更好地抵抗電池內部的機械應力，防止鋰枝晶穿透隔膜導致短路。同時(shí)，其化學(xué)穩定性強，不易與電極材料發(fā)生反應，進(jìn)一步增加電池穩定性。

因此，機械濫用、電濫用、熱濫用三大鋰電池熱失控主要成因，在固態(tài)電池的應用下均得到良好的解決，固態(tài)電池安全性較液態(tài)電池大幅提升。

2、能量密度大幅提升。其提升能量密度主要通過(guò)：

1）以固態(tài)電解質(zhì)替代液態(tài)電解質(zhì)與隔膜，減少電池內部非活性材料，增加有效儲能空間；

2）固態(tài)電解質(zhì)不易燃，不揮發(fā)，也不易引起電池內部短路，使電池可以承受更高電壓，使用更廣泛的電極材料，如金屬鋰負極、富鋰錳基等，同時(shí)提升正負極材料比容量及電壓平臺，進(jìn)而提升能量密度；

3）結構優(yōu)化，由于沒(méi)有液態(tài)電解質(zhì)，固態(tài)電池結構設計可以更緊湊，減少電池組件之間的空間，從而提高體積能量密度。

3、具有更好的低溫性能。液態(tài)電池在低溫下，由于電解液粘度增加，鋰離子電導率降低，電池內阻上升，容量損失較大，甚至可能因電解液凝固導致電池無(wú)法正常工作。固態(tài)電池由于使用固態(tài)電解質(zhì)，避免了液態(tài)電解質(zhì)的這些問(wèn)題。

縱使固態(tài)電池具有高安全、高能量密度、優(yōu)秀的低溫性能等一系列優(yōu)勢，其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程仍存一定阻礙，一方面由于生產(chǎn)工藝復雜、成本高，另一方面由于固態(tài)電池仍然存在科學(xué)問(wèn)題。

根據《全固態(tài)電池的研究進(jìn)展與挑戰》，固態(tài)電解質(zhì)離子輸運機制、鋰金屬負極枝晶生長(cháng)機制、多場(chǎng)耦合體系失控/失效機制為固態(tài)電池三大核心科學(xué)問(wèn)題，先進(jìn)表征技術(shù)、原理機制創(chuàng )新、新型材料創(chuàng )制成為固態(tài)電池進(jìn)一步發(fā)展重要途徑。

1.2、多技術(shù)路徑并存，終局路徑尚未明晰

根據不同的電解質(zhì)類(lèi)型，固態(tài)電池主要包括聚合物、氧化物、硫化物三種技術(shù)路線(xiàn)。

聚合物固態(tài)電池具有良好的機械性能，但常溫下離子電導率較低；

氧化物固態(tài)電池離子電導率較高，熱穩定性好，適合大規模生產(chǎn)，但界面接觸差，為目前半固態(tài)電池主要技術(shù)路線(xiàn)；

硫化物電解質(zhì)離子電導率最高，電化學(xué)窗口寬，柔度和可塑性好，或最終為全固態(tài)電池主要路徑，但其生產(chǎn)要求高，且硫化鋰前驅體昂貴，短時(shí)制約其商業(yè)化。

目前海外主要企業(yè)如SolidPower、豐田、三星SDI等均選擇硫化物路線(xiàn)作為固態(tài)電池技術(shù)方向，并以研發(fā)全固態(tài)電池為主；

國內企業(yè)如衛藍、清陶等均選擇氧化物路線(xiàn)，并先行研制、生產(chǎn)半固態(tài)電池。雖各企業(yè)技術(shù)路徑選擇具一定差異。

但從現有趨勢來(lái)看，氧化物與半固態(tài)、硫化物與全固態(tài)成為主流搭配，硫化物或成為全固態(tài)電池終局技術(shù)路徑。

1.3、海內外企業(yè)共同推進(jìn)，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程加速

全球企業(yè)共同推動(dòng)固態(tài)電池商業(yè)化進(jìn)程，各企業(yè)規劃固態(tài)電池量產(chǎn)時(shí)間點(diǎn)普遍在2027-2030年。

全球固態(tài)電池勢力主要包括中國傳統電池廠(chǎng)、中國新勢力企業(yè)、韓國傳統電池廠(chǎng)、日本主機廠(chǎng)、美國新勢力企業(yè)等。

其中，日本對固態(tài)電池布局時(shí)間早、布局力度大，日本政府推出《日本蓄電池產(chǎn)業(yè)戰略》，舉國家之力推動(dòng)固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化，試圖在固態(tài)電池領(lǐng)域彎道超車(chē)，目前豐田具有全球最多的固態(tài)電池專(zhuān)利；

韓國主要由三星SDI、LG等龍頭電池企業(yè)布局固態(tài)電池；

美國固態(tài)電池布局以SolidPower、QuantumScape等初創(chuàng )企業(yè)為主，其與歐洲龍頭主機廠(chǎng)大眾、寶馬等深度合作；

中國則由傳統電池廠(chǎng)、固態(tài)電池新勢力廠(chǎng)商共同推進(jìn)。

車(chē)企端來(lái)看，國內企業(yè)采用半固態(tài)電池作為過(guò)渡方案，東風(fēng)E70、東風(fēng)嵐圖、蔚來(lái)、賽力斯、上汽智己等已實(shí)現半固態(tài)電池量產(chǎn)上車(chē)，而海外企業(yè)多采用全固態(tài)電池路線(xiàn)。

海外電池企業(yè)來(lái)看，美國SolidPower及QS、日本豐田固態(tài)電池進(jìn)展較快。

豐田是全球最早布局固態(tài)電池的車(chē)企之一，其與石化巨頭出光合作研發(fā)固態(tài)電解質(zhì)，共同解決質(zhì)量與成本問(wèn)題。

中國布局固態(tài)電池的企業(yè)包括寧德時(shí)代為代表的電池廠(chǎng)、衛藍為代表的新勢力、金龍羽為代表的其他行業(yè)轉型、贛鋒鋰業(yè)為代表的上游企業(yè)一體化布局。

整體來(lái)看，國內企業(yè)半固態(tài)電池企業(yè)與主機廠(chǎng)合作順利，正有序上車(chē)，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程提速。

1.4、eVTOL等場(chǎng)景打開(kāi)固態(tài)電池成長(cháng)空間

2024年3月，工信部等四部門(mén)聯(lián)合印發(fā)《通用航空裝備創(chuàng )新應用實(shí)施方案（2024-2030年）》，提出到2027年新型通用航空裝備在城市空運、物流配送、應急救援等領(lǐng)域實(shí)現商業(yè)應用，到2030年形成萬(wàn)億級市場(chǎng)規模。

低空經(jīng)濟2023年12月在中央經(jīng)濟工作會(huì )議中被列為戰略性新興產(chǎn)業(yè)，近兩年利好政策頻出，此外，深圳、廣州等地出臺地方性扶持政策，對低空經(jīng)濟進(jìn)行補貼。在國家和地方政策支持下，低空經(jīng)濟有望進(jìn)入發(fā)展快車(chē)道，續接新能源車(chē)，帶動(dòng)鋰電池等產(chǎn)業(yè)持續高速增長(cháng)。

eVTOL對電池能量密度、安全性、倍率性能等具較高要求，有望助推固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

作為eVTOL核心組件，電池的性能決定了eVTOL的性能和市場(chǎng)接受度，其中高能量密度、高比功率、高安全性等為其對電池的核心要求，這幾點(diǎn)要求恰為固態(tài)電池核心優(yōu)勢所在。

因此eVTOL的快速發(fā)展將對鋰電池性能升級形成助推作用，有望加速固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

2、材料體系革新，創(chuàng )造產(chǎn)業(yè)新機

鋰電池技術(shù)向固態(tài)電池轉變過(guò)程將帶動(dòng)材料體系變動(dòng)，主要包括：

1）固態(tài)電解質(zhì)：固態(tài)電池以固態(tài)電解質(zhì)替代電解液及隔膜，由于固態(tài)電池最終技術(shù)路徑未定且目前技術(shù)尚不成熟，最終對于各細分材料的彈性拉動(dòng)尚無(wú)法給出明確結論，若氧化物最終成為主流路線(xiàn)，則對鋯、鑭等金屬元素需求將有較大拉動(dòng)，若硫化物成為最終路線(xiàn)，則鍺元素或將迎來(lái)大規模應用；

2）正負極材料：固態(tài)電池可以承受更高電壓，進(jìn)而使用更廣泛的電極材料，此外固態(tài)電池安全性大幅提升，對活性高、安全性差的正負極材料具有更高包容度，故正極將更廣泛的應用高鎳三元，并逐漸向富鋰錳基轉變；負極將向硅基負極、鋰金屬負極演化；

3）多孔銅箔：可改善固態(tài)電池鋰離子傳輸效率、進(jìn)一步增強固態(tài)電池安全性，與固態(tài)電池更適配，有望替代傳統電解銅箔；

4）鋁塑膜：軟包疊片可以改善固態(tài)電池柔韌性，與固態(tài)電池更適配，有望帶動(dòng)鋁塑膜需求。

2.1、固態(tài)電解質(zhì)：革新變化，多方勢力爭相布局

固體電解質(zhì)膜為全固態(tài)電池獨有結構，取代了液態(tài)電池的隔膜和電解液，主體為固體電解質(zhì)。

固體電解質(zhì)的成膜工藝是全固態(tài)電池制造的核心。不同的工藝會(huì )影響固體電解質(zhì)膜的厚度和離子電導率，固體電解質(zhì)膜過(guò)厚會(huì )降低全固態(tài)電池的質(zhì)量能量密度和體積能量密度，同時(shí)也會(huì )提高電池的內阻；固體電解質(zhì)膜過(guò)薄機械性能會(huì )變差，有可能引起短路。

根據對全固態(tài)電池的性能要求選擇合適的成膜工藝，得到所需厚度和離子電導率的固體電解質(zhì)膜。

固體電解質(zhì)的成膜工藝根據是否采用溶劑分為濕法工藝和干法工藝。濕法工藝成膜操作簡(jiǎn)單，工藝成熟，易于規?；a(chǎn)，是目前最有希望實(shí)現固體電解質(zhì)膜量產(chǎn)的工藝之一。

按照載體不同，濕法工藝可分為模具支撐成膜、正極支撐成膜以及骨架支撐成膜。濕法工藝中采用的溶劑可能存在毒性大，成本高的缺點(diǎn)，且殘留的溶劑會(huì )降低固體電解質(zhì)膜的離子電導率。

干法工藝不采用溶劑，直接將固體電解質(zhì)和粘結劑混合成膜，不需要烘干，在成本上更具優(yōu)勢，同時(shí)干法成膜無(wú)溶劑殘留，可獲得更高的離子電導率。但干法工藝形成的固體電解質(zhì)膜通常厚度偏大，會(huì )降低全固態(tài)電池能量密度。

除干法、濕法工藝，還有化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、電化學(xué)氣相沉積等工藝，但氣相沉積法生產(chǎn)固態(tài)電解質(zhì)膜成本過(guò)高，短期商業(yè)化難度較大。

固態(tài)電池的商業(yè)化應用將顯著(zhù)提升對固態(tài)電解質(zhì)相關(guān)材料的需求。

2.2、正極材料：高鎳三元滲透率提升，富鋰錳基有望應用

固態(tài)電池正極材料相較于傳統液態(tài)鋰離子電池變化較小，材料體系可繼續沿用，關(guān)鍵在于向高比能、高能量密度的方向進(jìn)行革新。

由于固態(tài)電解質(zhì)與電極材料的界面反應時(shí)幾乎不存在電解液面對超過(guò)4V高電壓時(shí)開(kāi)始分解的副反應，能承受更高電壓（5V），因此可以在固態(tài)電池中使用具有較高電壓平臺的正極材料，通過(guò)提升工作電壓以獲得更高的能量密度。

目前市面上清陶能源、衛藍新能源裝車(chē)交付的半固態(tài)電池，仍以高鎳三元材料為主。富鋰錳基被業(yè)內一致認為是全固態(tài)電池可選用的理想正極材料，其在高電壓和高放電比容量具有先天優(yōu)勢，理論克容量可達350mAh/g，電壓平臺可達4.5V，均顯著(zhù)高于傳統正極材料。

此外，富鋰錳基材料以較便宜的錳元素為主，貴重金屬含量少，成本更低、安全性更好。

國內高鎳三元正極材料供應商均積極布局固態(tài)電池正極材料，其一方面延續原高鎳路線(xiàn)，并向超高鎳方向發(fā)展，另一方面布局富鋰錳基材料。

2.3、負極材料：短期向硅基發(fā)展，長(cháng)期鋰金屬有望應用

固態(tài)電池負極材料發(fā)展路徑較為清晰，將遵循從石墨到硅基，最終邁向金屬鋰負極的路徑。

金屬鋰因具有高比容量、最低的電化學(xué)勢和較小的密度，被認為是用于下一代高比能和可充電電池最理想的負極材料。

但金屬鋰負極存在一定應用瓶頸，主要包括鋰枝晶穿刺隔膜引起的短路、循環(huán)過(guò)程中體積變化帶來(lái)的斷路現象以及不穩定的SEI膜造成的性能衰減等問(wèn)題。

而固態(tài)電解質(zhì)具有較高的機械強度和較高的鋰離子遷移數，可以抑制鋰枝晶生長(cháng)，可以有效解決鋰金屬負極固有問(wèn)題，因此長(cháng)期來(lái)看金屬鋰負極或成為固態(tài)電池最佳負極材料。

目前，國內主要負極材料企業(yè)均對硅基負極進(jìn)行前瞻布局。

2.4、銅箔：多孔銅箔有望獲滲透率提升

固態(tài)電池與多孔銅箔有較高適配度，有望助力多孔銅箔滲透率提升。

固態(tài)電池采用多孔銅箔有多點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：

1）固態(tài)電池采用固態(tài)電解質(zhì)，多孔銅箔的孔隙可以增加固態(tài)電解質(zhì)與電極材料的接觸面積，促進(jìn)電解質(zhì)的浸潤，從而改善鋰離子的傳輸效率，提高電池的充放電性能；

2）泡沫銅集流體可抑制枝晶生長(cháng)，緩解電極在充放電過(guò)程中的體積變化，并可通過(guò)提高親鋰性工藝的復合金屬鋰電極以實(shí)現負極與集流體的一體化，有利于實(shí)現金屬鋰負極應用，進(jìn)而加快固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化；

3）多孔銅箔的孔隙結構減少了集流體的重量，但保持了良好的導電性，有助于提升電池模組的能量密度，同時(shí)，孔隙可以被負極活性材料填充，增強負極材料的附著(zhù)力，進(jìn)一步提高電池能量密度；

4）多孔銅箔的結構在承受沖擊時(shí)有緩沖作用，可以提升電池整體的抗沖擊性能。

整體而言，多孔銅箔可改善固態(tài)電池鋰離子傳輸效率，促進(jìn)金屬鋰負極應用，并可有效提升固態(tài)電池能量密度及安全性，與固態(tài)電池極為契合，有望成為固態(tài)電池發(fā)展過(guò)程中重要的材料創(chuàng )行，在固態(tài)電池中獲更多應用。

2.5、鋁塑膜：軟包疊片或為固態(tài)電池最優(yōu)選，鋁塑膜有望加速應用

從工藝成熟度、成本、效率等方面考慮，疊片軟包或為最適用于固態(tài)電池的裝配工藝。

首先，固態(tài)電池電解質(zhì)為氧化物或硫化物，相比液態(tài)電解質(zhì)柔韌性較差，疊片軟包設計可以更好地解決柔韌性問(wèn)題，防止電池在使用過(guò)程中因內部壓力或變形導致的破裂；

其次，固態(tài)電池制造過(guò)程不需要電解液注入和化成工序，軟包封裝的疊片工藝簡(jiǎn)化了生產(chǎn)流程，減少了對傳統液態(tài)電池工藝的依賴(lài)；

此外，軟包疊片與全固態(tài)電池的固-固界面處理相匹配，可以更精確的控制和優(yōu)化固態(tài)電解質(zhì)與電極的接觸。

固態(tài)電池的商業(yè)化應用有望提升軟包電池滲透率，進(jìn)而帶動(dòng)鋁塑膜需求。

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