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半固态装车元年，下一代电池机遇梳理
价值目录2024-02-29 17:09四川
固态电池：提升能量密度，解决安全问题的理想电池方案
锂离子电池性能触及天花板，需求升级驱动技术迭代。随着电动车渗透率不断提升，人们对电池安全性和续航里程的要求越来越高。液态锂离子电池作为动力电池主流技术路线，一方面，液态电解质中有机溶剂的易燃性和高腐蚀性、充放电过程中无法避免的锂枝晶问题，引发人们对电池安全性的焦虑；另一方面，液态电池能量密度已逼近材料体系制约下的天花板，向上迭代空间受限。在现阶段同质化产能过剩严重的情况下，摆脱成本导向，探索新技术、寻求安全与性能的突破，成为动力电池产业新的进化之路。
固态电池或为当前最具潜力的电池技术发展方向。根据液态电解质在电池中的质量百分比含量，可将锂电池分为液态电池、半固态电池、准固态电池和全固态电池，其中半固态、准固态和全固态３ 种统称为固态电池。固态电池与液态电池遵循相同的充放电原理，并以固态电解质取代了液态电池中的液态电解质和隔膜，杜绝了易燃漏液的安全隐患，同时显著提升了电池能量密度，成为学术界、产业界的重点研究方向。
优势：高安全性与高能量密度
固态电池可从本质上解决锂离子电池的主要安全隐患。传统锂离子电池可能发生自燃、爆炸等安全事故，其根源来自于易燃易挥发的有机电解液。过度充电、内部短路均会造成热失控，电解液在高温下被点燃，最终导致电池起火或者爆炸。此外，电解液腐蚀、挥发、漏液也都可能为电池体系带来严重的安全隐患。而固态电解质本身不可燃、耐高温、无腐蚀、不挥发，机械强度、热稳定性和电化学稳定性均好于传统电解液，从根本上提高了电池的安全等级。
1）固态电池可适配高电压正极材料。相较于传统电解液，固态电解质的电化学窗口提高至 5V，同时对于液态电池里界面反应严重的材料体系，比如高镍正极、有锰溶出问题的含锰化合物、高电压正极材料兼容性更好，打开能量密度天花板。
2）固态电解质良好的机械性能为锂金属负极的使用提供可能。锂金属作为负极，理论容量 3860 mAh/g，约为石墨的 10 倍，从容量角度而言是最理想的负极形态。但锂金属稳定性差，传统液态锂电池若采用金属锂负极，在循环过程中会产生锂枝晶刺穿隔膜，导致电池内部短路，影响安全性和循环稳定性。而固态电解质具有良好的机械性能，能够有效抑制锂枝晶的形成，兼容锂金属负极，可实现能量密度的跃升。
固态电池材料与工艺的变与不变
电解质：核心变量，关注路线之争
固态电解质三大路线获重点布局。固态电解质的设计开发，是固态电池技术发展的关键。理想的电解质材料应具备高离子电导率（＞10-3 S/cm）、宽电化学窗口、对正负极材料均具有良好的化学和机械稳定性等。目前主流的固态电解质路线主要分为聚合物、氧化物以及硫化物三类，不同的固态电解质性能各有优劣，技术路线尚未有定论。硫化物体系较多为日本和韩国企业所选择，如丰田带头推进硫化物全固态电池量产，而国内和欧美企业大多倾向选择氧化物电解质路线。
氧化物电导率适中而稳定性好，受国内企业青睐。氧化物电解质的离子电导率一般在 10-6~10-3S/cm，致密的形貌使其具有更高的机械强度，在空气中稳定性好，耐受高电压。而形变能力和柔性差，需要高温烧结，是其面临的主要挑战。
氧化物固态电解质按照形态可分为晶态和非晶态电解质。晶态氧化物电解质空气和热稳定性较高，因此容易实现大规模生产。研究比较广泛的晶态固态电解质包括石榴石型 LLZO 电解质、钙钛矿型 LLTO 电解质、NASICON 型 LAGP 和 LATP 电解质。其中 LLZO 离子电导率高，对锂金属稳定，尽管烧结温度高带来更高成本，我们认为长期来看应用潜力相对较大。而非晶态固态电解质主要是 LiPON 型固态电解质，离子电导率低，适配薄膜电池，因此在容量需求较低的电子设备上更具应用前景。
制造工艺：部分环节可兼容，长期降本需革新
湿法工艺与液态电池重叠度高，但过程繁琐成本高昂。第一步混浆，由于硫化物和氧化物电解质均会与水发生反应，因此无法采用水基工艺，只能使用有机溶剂，而溶剂干燥和回收耗能大，将显著抬升制造成本。第二步涂覆，尽管工艺相对成熟，但固态电解质薄膜的大面积生产仍有待验证。第三步需要使电解质层致密化以保证与极片的良好接触，对硫化物电解质可采用压延/辊压工艺，而氧化物电解质延展性差，只能通过高温烧结，但温度不能超过 1000℃，否则会导致副反应和正极材料的分解。
干法工艺具降本潜力，规模应用仍有待研究。为了提升生产效率、降低成本，固态电池或倾向采用无溶剂的干法电极技术。干法电极技术包含活性材料、粘结剂和导电剂的均质机械干混和干法涂覆工艺，“粉末-薄膜”的路线可以简化制造工艺，消除有机溶剂引起的副反应，还可以减少粘结剂使用量，提高活性材料的利用率。行业内仅特斯拉称已将干法石墨负极应用于4680电芯，未大规模量产；其他公司干法电极大多处于工艺设备开发阶段。
产业化进展与公司梳理
半固态电池：率先商业化的过渡方案半固态电池落地能见度高，国内企业布局领先。固态电池的商业化应用之路面临技术与成本两大阻碍，行业普遍认为其产业化时间节点在2030年左右。而半固态电池仍保留隔膜与部分电解液，材料体系较液态电池变化较小，工艺设备与液态电池的重合度较高，可继承现有的成熟产业链，有望率先实现产业化落地。因此，国内较多企业选择半固态电池作为过渡阶段产品，积极进行研发与产能布局，代表企业包括卫蓝新能源、清陶能源、赣锋锂业、辉能科技等。目前经过装车验证的半固态电池能量密度最高可达 368 Wh/kg，相较于成熟高镍三元电池提升 40%左右。据我们统计，截至 2023 年底，国内公开发布的半固态电池产能规划合计已达 240GWh。
半固态装车元年已至，产业化进程加快。2021 年 1 月 9 日，蔚来在 NIO Day 上发布 150kWh 半固态电池包，自此半固态车规级电池进展捷报频传。在车企和电池厂的合力推动下，半固态电池自 2022 年起逐步实现量产与装车交付，如蔚来的半固态电池供应商卫蓝新能源，分别在 2022 年年 11 月和 2023 年 6 月实现电池包下线与装车交付。动力电池联盟发布的数据显示，2023 年，卫蓝新能源、赣锋锂电等企业的固液混合态电池实现批量装车，装车量约 0.8GWh，其中卫蓝新能源11月、12月装车量分别为0.41GWh和0.35GWh，标志着半固态电池的产业化进程大幅提速。
公司梳理：产业链齐发力，把握新技术机遇
车企规划为固态电池规模化提供充足想象空间。固态锂电池在能量密度和安全性方面的优势，让各大整车厂加速拥抱固态电池，纷纷将其作为下一代动力电池的主要技术路线。包括丰田、日产、宝马、福特在内的国际车企均计划在 2025～2030 年间推出搭载全固态电池的电动车型。
国内依托院校科研成果的企业走在前列，传统电池厂以技术储备为主。国内领跑固态电池产业化的企业以具院校研发背景的新兴企业为主，典型代表有清华大学南策文院士团队创办的清陶能源、依托中科院物理所成立的卫蓝新能源等。同时，国内车企也与这些新兴企业积极合作，推进装车验证与产线建设。而传统电池厂在固态电池方面多有技术储备与专利布局，但在产业化推进上相对保守。
固态电解质为供应链核心增量，关注研发进展与供货情况。作为固态电池的关键组分，固态电解质也获得产业内公司的重点布局。除固态电池企业自行研发生产外，进展较为领先的企业主要有天目先导和蓝固新能源，均已具备成熟产品与千吨级以上产能，二者与卫蓝新能源同样具有中科院物理所的技术背景。上海洗霸和金龙羽分别凭借与中科院上海硅酸盐所和重庆大学的深度技术合作，或有望将相关产品推向量产。其余公司的固态电解质产品基本尚处于实验室研发阶段。
上游资源端，电解质有望带来锆、锗、镧等小金属需求增量。氧化物电解质 LLZO 以二氧化锆为原料，国内锆资源储量低而消费量大，下游主要应用领域为陶瓷和耐火材料，氧化锆供应商包括东方锆业、三祥新材、凯盛科技。多种氧化物、硫化物电解质含金属锗，锗的应用领域广泛，含光纤、红外、光伏等，中国是锗矿资源大国，主要供应商包括驰宏锌锗、云南锗业。氧化物电解质 LLZO、LLTO 还涉及镧的使用，镧为稀土金属，国内贡献全球大部分稀土产量，相关企业包括中国稀土、北方稀土、盛和资源、广晟有色等。
固态电池多采用软包路线，或提升铝塑膜需求。软包电池凭借叠片工艺、能量密度高以及凝胶态封装技术等优势，有望在固态电池领域发展应用，铝塑膜是软包电池的主要封装材料。由于生产技术难度较高，在阻隔性、冲深、耐穿刺、耐电解液和绝缘性等性能方面皆有严格要求，量产后控制产品一致性的难度也较大，铝塑膜成为现阶段软包电池唯一还未实现批量国产化的关键材料。目前国内具备铝塑膜批量供货能力的主要有新纶新材、紫江新材、道明光学和明冠新材。
投资建议
固态电池被认为是解决锂电池安全问题以及提升能量密度的理想方案，作为下一代电池技术路线获产业重点布局。2022 年以来，固态电池的研发和产业化取得了明显的进展，尤其是国内企业在半固态电池领域的技术进步和成本降低均大幅超预期，以卫蓝新能源和赣锋锂电等为代表的半固态电池在 2023 年实现量产装车，标志着半固态电池已经进入产业化元年。随着电池企业的产能规划落地和更多车企车型的装车应用，固态电池的产业化进程有望加快。建议关注布局半固态的电池企业 宁德时代(300750，未评级)、亿纬锂能(300014，未评级)、赣锋锂业(002460，未评级)等。
与液态锂离子电池相比，固态电池在材料端的核心变量为固态电解质，并有望提升高性能正负极材料和软包封装的渗透率。建议关注在相关材料上布局深入进度领先的企业：电解质上海洗霸(603200，未评级)、金龙羽(002882，未评级)，正负极材料容百科技(688005，未评级)、当升科技(300073，买入)、贝特瑞(835185，未评级)、璞泰来(603659，未评级)、天齐锂业(002466，未评级)、赣锋锂业(002460，未评级)、杉杉股份(600884，未评级)，铝塑膜新纶新材(002341，未评级)、明冠新材(688560，未评级)。
此为报告精编节选，报告PDF原文：
《电气设备-新能源汽车产业链行业新技术系列报告（二）：半固态装车元年已至，下一代电池技术蕴藏机遇-东方证券[卢日鑫,李梦强,林煜]-20240227【27页】》
报告来源：【价值目录】
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