电力设备及新能源行业固态电池深度报告：群雄逐鹿锂电终局技术，发力新材料加速产业化

创造财富担当责任股票代码：601881.SH06881.HK中国银河证券股份有限公司CHINAGALAXYSECURITIESCO.,LTD.固态电池深度报告群雄逐鹿锂电终局技术，发力新材料加速产业化电力设备及新能源团队周然2023.03.30特别鸣谢段尚昌目录创 造 财 富 / 担 当 责 任一固态电池是锂电技术的终极形态三全球加快布局，开发主体、选择路线均存在差异五综述与投资建议二固态电解质是破局关键，半固态电池成优选方案四国内玩家百舸争流，全产业链齐发力六风险提示创 造 财 富 / 担 当 责 任固态电池是锂电技术的终极形态01创 造 财 富 / 担 当 责 任4锂离子电池发展历史数据来源：智慧芽,中国银河证券图1：锂离子电池发展历史•锂离子电池发展已有30多年历史。“锂电池之父”斯坦利·惠廷汉姆于1976年提出最早的锂二次电池雏形：正极材料使用硫化钛，负极使用金属锂并且使用含锂盐的电解液。其意义更多在于确立了锂电池基本原理。但由于电池安全性、稳定性等不理想，始终无法商用。1980年古迪纳夫开发了钴酸锂、磷酸铁锂以及锰酸锂三大正极材料，奠定了现在主流正极材料体系。1991年吉野彰摆脱负极锂金属限制，创新性使用石墨作为负极，进而开发了第一个商用锂离子电池。创 造 财 富 / 担 当 责 任5体系成熟数据来源：《固态电池》李泓，中国银河证券图2：主流锂离子电池正负极体系及应用场景数据来源： 《Current Li-Ion Battery Technologies in Electric Vehicles and Opportunities for Advancements》 ，中国银河证券图3：三大主流锂电池产品类型对比•锂离子电池材料体系成熟，各类产品应用场景基本确定。据中科院研究员李泓报告，钴酸锂电池体积能量密度在600-1000Wh/L，适合应用于消费电子领域；而高端电动汽车领域，偏向于质量能量密度更高的三元电池；储能领域，偏向于安全性、成本优势更突出的磷酸铁锂电池。但面对未来综合要求更高的应用场景（航空航天、国防军工等），液态锂离子电池体系已出现瓶颈。创 造 财 富 / 担 当 责 任6能量密度瓶颈数据来源：《锂离子电池和金属锂离子电池的能量密度计算 》吴娇杨等,中国银河证券•中长期政策目标偏高。《中国制造2025年》提出的电池技术目标是2020、2025年分别达300Wh/kg、400Wh/kg；而中科院研究院吴娇杨等统计表明1991-2015年能量密度已提升3倍，GAGR约3%，按线性推算2020、2025年能量密度仅能达到300Wh/kg、320Wh/kg。但是从实际技术发展情况看，现在的锂离子电池能量密度增速明显放缓并接近理论极限。•能量密度增速放缓，主流材料体系已接近极限。据中科院院士孙世刚，磷酸铁锂、三元电池能量密度分别小于200Wh/kg、300Wh/kg（负极石墨），目前这些主流产品均已接近能量密度天花板。据Enpower统计，Tesla Model 3使用松下2170电池近260Wh/kg，改用高镍正极产品的4680电池能量密度可达283Wh/kg，明显低于政策目标及线性预测结果。•打破材料、技术桎梏才能继续突破。据汽车电子设计测算，升级硅碳负极的4680电池有望实现超300Wh/kg。2022年美国Amprius公司使用全新硅纳米线负极实现450Wh/kg。图4：1990-2025年锂离子电能量密度发展路线图（单位：Wh/kg）数据来源：汽车电子设计,中国银河证券表1：特斯拉2170/4680电池性能对比GAGR约5%创 造 财 富 / 担 当 责 任7能量密度瓶颈（续）数 据 来 源 ： 《Issuesand challenges facingrechargeablelithiumbatteries,Tarascon andArmad,Nature,2001》,中国银河证券•能量密度主要由正负极材料的比容量及两者的电压差决定。根据电池质量能量密度理论计算公式，提高正、负极材料的比容量、提高电池工作的额定电压可以有效提高电池能量密度。正极材料比容量范围有限，提升比容量更多依赖负极；电池电压取决于正负电极的电压差，提升电压主要依赖正极。•主流液态锂离子电池（LIB）无法使用锂金属负极。锂金属负极具有最低电化学电势、接近4000Ah/kg的超高比容量，是最理想的负极材料，但由于其活性极强、稳定性差导致极难与液态电解液兼容，直接限制其能量密度无法实现超越性突破。•电解液难匹配高电压正极。LIB电压不能超过其电解液的工作电压窗口，否则会电解液与正负极将直接反应导致性能失效甚至出现事故。而目前主流电解液电压窗口不超过4.5V，这直接制约了正极材料的可选范围从而限制了能量密度的发展。图5：不同正负极材料的平均电压与比容量创 造 财 富 / 担 当 责 任8难以解决安全性问题数据来源：《面对应用的固态电池研究》李泓，中国银河证券•电解液是造成液态锂离子电池安全事故的最大推手。液态锂离子电池（LIB）的热失控（thermal runaway）被公认是电池安全问题的最主要原因。该过程主要分为三个阶段：阶段一：由内部短路（主要原因是外力穿刺、过充等）、工作温度过高等原因导致的初始温度上升；阶段二：SEI膜分解，热失控加速，电解液反应持续升温，释放可燃气体和氧气，造成后续隔膜、负极、正极分解；阶段三：电解质分解燃烧，系统事故发生。从整个过程来看，化学活性高、易挥发、易燃的液态电解质起到了关键作用，是LIB的最大隐患。图6：液态锂离子电池热失控事故分析创 造 财 富 / 担 当 责 任9难以解决安全性问题（续）数据来源：《Mitigating Thermal Runaway of Lithium-Ion Batteries,Feng et.al.,CellPress》中国银河证券图7：电池电芯、电池包的热失控过程及其缓解策略•提升安全性策略仅能缓解热失控。据清华大学副教授冯旭宁等统计，目前产业主要依靠缓解热失控来应对LIB安全事故，如在电芯内添加阻燃剂、惰性气体等；在Pack层面可增加反穿刺设计、热屏障等。但是高危的电解液是LIB安全问题的本质，而其作为LIB的必需材料，使LIB理论上无法解决安全性问题。创 造 财 富 / 担 当 责 任10工艺优化空间有限数据来源：《面对应用的固态电池研究》李泓，中国银河证券•电芯制造工艺改善趋于成熟。电芯制造流程主要包括：电极制备（湿法为主）→卷绕→封装→注液→化成→分选→组装，而高速率混浆、涂覆和卷绕/叠片技术以及大容量电芯技术推动单线产能不断扩大。据中科院李泓研究员，目前单线产能最高产能可实现2-4GWh，良率达到92-96%，cpk值达1.5-1.67。•但由于湿法电极制备环节中涉及低效率的涂覆、烘干，卷绕环节需要停线插入极片等因素，即使是特斯拉升级后的4680技术，仍涉及复杂的激光焊接环节，因此电芯制造效率提升仍存在较大瓶颈。电芯种类代表规格型号涂布效率单极芯制造效率单线电池制造效率单线最大产能圆柱2170060–120m/min卷绕25ppm300ppm1.8GWh铝壳541489160–120m/min卷绕6ppm12ppm1.6G