电气设备行业：固态电池产业路在何方

固态电池产业路在何方分析师：张鹏登记编码：S0950523070001邮箱：zhangpeng1@wkzq.com.cn电气设备投资评级看好固态电池是理论上高能量密度和高安全性能的最佳体系01半固态电池：本质是液态电池全固态电池：丰满的理想VS骨感的现实固态电池终端应用现状Contents 目录030204固态电池是理论上高能量密01度和高安全性能的最佳体系服务实体 创造价值液态电池升级困境：能量密度提升趋势下，电解液限制了锂金属方向的迭代，且和隔膜为热失控短板图表1：锂电池能量密度提升及材料体系变化方向资料来源：德勤，五矿证券研究所•现有液态锂离子电池体系能量密度已经接近电池材料利用安全极限，接近300Wh/kg能量密度瓶颈。•高比能材料体系下，锂电池的热失控强度和蔓延速度都显著提升，带来更严峻的安全挑战。•电解液和隔膜为电池热失控关键短板。图表2：固态电池相较液态电池在热失控抑制上的理论优势资料来源：eTransportation，何向明团队，五矿证券研究所T1：自产热温度T2：热失控触发温度T3：热失控最高温度时间温度/℃2004006008001000T3T2T1隔膜内短路SEI热失控全燃烧正极分解串扰反应正极+电解液能量密度=（电压*容量）/重量4服务实体 创造价值固态电池的机会：锂电池理论上高能量密度和高安全性能的最佳体系•电解液对锂枝晶生长的低抑制能力限制了负极向锂金属（锂金属比容量远高于人造石墨）方向迭代。•固态电池从本征出发，用固态电解质替代电解液和隔膜：理论上可抑制、缓和热失控、可抑制锂枝晶生长，但固-固界面问题仍未解决。图表3：锂金属负极与电解液的界面反应，金属锂负极的锂枝晶问题资料来源：材料人，物理化学学报，五矿证券研究所金属锂负极与电解液的界面反应生成不稳定的SEI膜多次循环界面反应导致锂枝晶问题SEI膜锂负极+电解液锂枝晶刺穿隔膜图表4：固态电池应用于锂金属负极的理论优势资料来源：eTransportation，Advanced Materials，五矿证券研究所界面副反应相对弱持续的界面反应固态电池液态电池固态电解质-锂金属界面反应相对弱（室温）固态电解质高机械模量抵御锂枝晶生长5全固态电池：丰满的理02想VS骨感的现实服务实体 创造价值全固态电池关键要素/电解质：硫化物长期潜力较大，但仍面临较多技术和工程难题•聚合物和氧化物体系率先应用。•离子电导率是电解质的第一特性，硫化物电解质离子电导率可达10−2 S/cm，接近电解液，长期潜力大。聚合物氧化物硫化物代表材料聚合物基体+锂盐+添加剂• 聚合物: PEO、PPC、PC• 锂盐: LiBF4、LiPF6• 添加剂: AI2O3、SiO2、TiO2• 石榴石型 ★★★• 锂硫银锗矿型 ★★★• NASICON型 ★★• LGPS型 ★★• LiPON型 ★• LPS型 ★★• 钙钛矿型 ★• Thio-LISICONs型 ★★离子电导率• 室温：10−7~10-5 S/cm• 65~78℃：10-4 S/cm10-6~10-3 S/cm10−4~10−2 S/cm性能雷达图主要优缺点• 优点：柔性好、制造容易• 缺点：电导率低• 优点：稳定性高、锂枝晶抵抗力好• 缺点：脆性大、电导率不足• 优点：电导率高，柔性好• 缺点：对锂金属不稳定、电压窗口低、空气不稳定图表5：三种技术路径材料体系&性能优劣分析资料来源：Solid State Roadmap 2035+，五矿证券研究所7服务实体 创造价值固态电池卡点/电解质：氧化物和硫化物仍待进一步降本•氧化物和硫化物仍待进一步降本•氧化物固态电解质对部分稀有金属和小金属影响较大。图表6：氧化物/聚合物/硫化物体系材料成本测算电解质原料单耗（吨/吨）价格（万元/吨）单吨成本（万元/吨）聚合物PEOPEO///LiPF6///原材料成本约1-2当前销售价格/氧化物LATP磷酸二氢铵0.90.550.5碳酸锂0.137.40.93氧化铝0.040.40.02二氧化钛0.351.50.53 原材料成本2.0当前销售价格约30硫化物LPSCl硫化锂0.34远期27.5远期9.5五硫化二磷0.5810.58 氯化锂0.24远期9.52.3原材料成本远期12.3当前销售价格/资料来源：中国知网，wind，生意社，高工锂电、CBC锂电新能源、五矿证券研究所测算注：聚合物按PEO:LiPF6质量比8:2，氧化物按Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3，硫化物按Li5.5PS4.5Cl1.5测算，远期硫化锂按金属锂90万元/吨测算8服务实体 创造价值固态电池卡点/电池性能和制造：界面问题带来制造和成本的难点资料来源：每日经济新闻、《Solid-State Battery Roadmap 2035+》、SMM、wind、五矿证券研究所测算1）采用高镍正极+金属锂负极测算，假设固态电解质是大规模应用状态；2）锂金属价格是按照碳酸锂远期12万/吨测算；3）假设液态电池未来在电解液和固态电解质环节和全固态不一致；4）固态电解质按照硫化物体系Li5.5PS4.5Cl1.5 测算，假设价格在15万元每吨。•全固态电池“固-固”的硬接触造成了界面问题•全固态电池是更高的成本换取了安全性以及对高比能材料的适配性。图表7：全固态电池成本测算(硫化物体系，远期）图表8：全固态电池实现的关键点电池系统集成开发车厂数次验证产业化系统开发•自适应膨胀力设计•热管理开发等量产设备开发•干法混料设备•干法电极片-集流体复合设备•电解片/电解质复合设备•金属锂负极装配设备等电芯研发和制造制造工艺开发•超薄复合固态电解质膜成型技术•复合负极工程化应用技术•全电池复合一体化成型技术等正极材料负极材料固态电解质界面匹配界面匹配资料来源：清陶电池、五矿证券研究所全固态电芯成本测算1gwh单耗单位单价单位成本（元/wh)正极1450t14.2万元/吨0.21锂金属90t88万元/吨0.08固态电解质1200t14万元/吨0.18铜箔550t8万元/吨0.04铝箔450t3.0万元/吨0.01其他0.02材料合计0.53制造等成本0.14良品率100%成本0.679半固态电池：本质是液03态电池服务实体 创造价值产业技术路径：长期方向是全固态，半固态为产业初期的尝试全固态电池界面问题技术难度大，同时涉及干法电极等技术，短期难以解决。半固态理念在中国率先展开。 半固态方案逐步降低电解液含量同时引入固态电解质，部分改善安全性，但也导致倍率性能等变差。 氧化物+聚合物电解质体系较多应用于半固态电池。技术路径图表9：三种技术路径材料体系&性能变化电解液含量隔膜正极负极半固态资料来源：储能头条，五矿证券研究所液态全固态25%5~10%0%传统隔膜复合隔膜固态电解质三元/铁锂三元/高镍三元等高镍三元/富锂锰基等石墨硅基金属锂11服务实体 创造价值12燃油车VS电动车安全性：此前国内电动车相比燃油车安全性有一定劣势•从国内火灾的概率上看，2022年新能源车火灾概率是万分之3，高于燃油车的万分之2。从危害性看，电池的着火速度等往往较快。•良好的电池体系控制可以降低起火率。自2012 至2019 年间全美车辆起火事件中，北美特斯