澳银INSIGHTS|下一代高性能锂电池-固态电池
一、固态电池技术简介
二、上下游产业链
三、固态电池给现有电池产业链带来的变化
四、行业驱动因素
五、市场空间规模
六、行业竞争格局
七、总结与展望
固态电池是采用固态电解质的锂离子电池。传统的锂离子电池是由正极、负极、隔膜和电解质四大部分组成。目前普遍使用的锂离子电池基本采用液态电解质，是将锂盐溶质溶解于有机溶剂中得到的溶液，起到输送离子、传导电流的作用，隔膜用于防止正负极直接接触造成短路。随着电池技术的不断发展，在更高的安全性和能量密度的要求下，固态电池应运而生。固态电解质的引入可以大幅提升电池安全性能，同时匹配高能量密度正负极可以提升电池能量密度。
固态电池分为半固态、准固态、全固态三种类型。半固态（Half solid）液体电解质质量百分比
资料来源：《全固态锂电池技术的研究现状与展望》（旭晓雄等，2013）、华泰研究
传统的液态锂电池：
（1）电池的安全性有上限。
液态电解质中，有机溶剂具有易燃性、高腐蚀性，同时抗氧化性较差，无法解决锂枝晶问题，在剧烈的撞击等条件下会引起一定的安全隐患。从热失控角度看，液态锂电池应在低于60℃的环境中运行工作，但由于内部短路、过度充电、机械滥用等因素，电池温度可能会升至90℃，此时负极表面的SEI膜开始溶解，造成嵌锂碳直接暴露在电解液中，二者发生反应迅速放热，产生大量可燃气体，隔膜进而熔化（液态电池隔膜的耐热极限约为160度，超过此温度后聚合物会转化为流动态），导致正负极直接短路，温度迅速升高至200℃，促使电解液气化分解、正极分解释放氧气，电池发生剧烈燃烧或爆炸。
（2）当前液态锂电池的材料体系逐渐达到上限。
当前液态锂电池能量密度上限约为350Wh/kg，目前基于氧化物正极与石墨负极的传统锂离子电池的能量密度越来越接近其理论上限。
固态电池的优点:
固态电池可以极大缓解液态电池的问题。能量密度方面，固态电池通过搭配高比能材料，大幅减重，能量密度有望达到500Wh/kg甚至更高；
在安全性方面，固态电池具有高强度、高电化学稳定性以及高燃点，因此成为动力电池下一轮技术竞赛中的关键。
（1）高能量密度：
电池能量密度主要取决于两个因素：工作电压和正负极材料克容量。当锂电池在工作时，电池电压会随着电量的降低而下降，若其他条件不变，同等电流下高电压的工作时间明显比低电压长，因此相应具备更高容量。材料克容量指每克锂电池材料所含电量，克容量越大使得能量密度越大。
·从材料端看：固态电解质本身不能提升能量密度，但由于性质更稳定、更安全、电化学窗口可达5V以上，高于液态锂电池（4.2V），可以兼容高比容量的正负极，比如高电压正极、富锂锰基、硅负极、金属锂负极等材料，进而大幅提升电芯能量密度。
·从结构端看：固态电解质将电解液的隔膜功能合二为一，大幅缩小正负极间距，从而降低电池厚度，因此提升电芯能量密度。
·从pack端看：固态电池可简化封装、冷却系统，在有限空间进一步缩减电池重量，体积能量密度较液态锂电池石墨负极提升70%以上。
由于采用液态电解质并考虑安全性，传统液态锂电池电芯成组主要通过外部串联构成模组。全固态电池则可实现电芯内部串联、升压，且不需要焊接集流体，在极片、电芯、成组各个阶段，均能够提升体积比能量密度，具备更高的成组效率。
（2）高安全性：
·不可燃性、热稳定性：固态电池将液态电解质替换为固态电解质，大大降低了电池热失控的风险。热稳定性通常指聚合物抵抗热分解的能力，不同成分的固态电解质耐热极限差异较大（400度-1800度不等），但均显著高于液态电池不超过60度的最高工作温度。很多无机固体电解质材料不可燃（如氧化物固态电解质热稳定性高达1000度）、无腐蚀、不挥发且不存在漏液问题。半固态、准固态电池仍存在一定的可燃风险，但液体含量较少，安全性远高于液态锂电池。
·液态电池中，锂枝晶的生长容易刺破隔膜，从而造成短路，而固态电解质具备高机械强度，锂枝晶生长缓慢且难刺透，进而提升电池安全性能。
资料来源：《Solid-state lithium batterie: Safety and prospects》（Yong Guo等，2022）；
《全固态锂离子电池关键材料研究进展》（李扬等，2016），华泰研究
（1） 高界面阻抗，离子导电效率低
传统锂电池的电极活性材料颗粒完全浸泡在电解液中，因此其电极和电解质之间可以保持良好接触。固态电池中，电极与电解质之间的界面接触由固-液接触变为固-固接触，由于固相无湿润性，因此接触面积小，形成更高的界面电阻，锂离子在界面之间的传输受阻。
（2） 循环寿命差
固-固接触为刚性接触，对电极材料体积变化更为敏感。循环过程中容易造成电极颗粒之间以及电极颗粒与电解质接触变差，造成应力堆积，导致电化学性能衰减，甚至导致裂缝的出现，造成容量迅速衰减，导致循环寿命差的问题。同时固体电解质中有大量的晶界存在，且晶界电阻往往高于材料本体电阻，不利于锂离子在正负极之间传输，从而影响快充性能和循环寿命。
（3） 成本高
成本高主要体现在固态电解质和正负极，固态电解质目前难以轻薄化，用到的部分稀有金属原材料价格较高，全固态对生产工艺、成本和质量控制也提出了更严苛的要求。
根据Schnell, Joscha等人2020年在《Energy Technology》上发表文章的测算，在使用金
属锂负极之前，以硫化物作为电解质、以石墨作为负极的固态电池成本为158.8$KWh-1，使用石墨负极的传统锂电池总成本为118.7$KWh-1。另外，目前半固态电池的产品良率较低，实际上总成本相对较高。
固态电池产业链上游包括原料矿产、机械设备以及基础材料；中游为电池包的加工制备过程，包括电池封装集成、电源管理系统方案设计等；下游应用于动力领域、消费领域、储能领域，主要包括新能源汽车、储能系统、消费电子等。
资料来源：华泰研究
1、材料体系
（1）电解质
固态电解质是实现高安全性、能量密度性能的关键，理想的固态电解质应具有高电导率、宽电化学窗口及良好的电化学和机械性能。根据电解质种类不同，固态电池可分为聚合物、氧化物、硫化物三种主流技术路线。
·聚合物固态电解质由高分子（主要选用聚氧化乙烯PEO）和锂盐络合形成，同时添加少量惰性填料，可以做成凝胶状，有韧性，界面相容性好，机械性能好。由于聚合物易于合成和加工，与现有的液态电解液的生产设备、生产工艺都比较兼容，率先在欧洲商业化，技术最为成熟，但其缺点有以下：
1）常温电导率较低，需要加热到60度高温才能正常工作；
2）电化学窗口略窄，电位差太大时（>4V）电解质容易被电解；
3）稳定性较差，不能适配高电压的正极材料，在高温下也会发生起火燃烧的现象，热稳定性和能量密度提升有限，制约了其大规模应用，预计后续与无机固态电解质复合，结合两者优势，在应用端实现性能突破。
·氧化物电解质是含有锂、氧以及其他成分（磷/钛/铝/镧/锗/锌/锆）的化合物，氧化物热稳定性和空气稳定性好、电化学窗口宽、机械强度高，缺点为导电率一般，韧性太差太硬，导致界面接触不良，界面阻抗太大。量产方面，氧化物体系制备难度适中，较多新玩家和国内企业选取此路线，预计采用与聚合物复合的方式，在半固态电池中率先规模化装车。
·硫化物的导电率最高，已经可以做到与液态电解质相近，质地软易加工，可以通过挤压来增大界面接触，从而提升电池性能。但是硫化物固态电解质存在成本高、电化学稳定性差、电化学窗口窄，且对水分非常敏感，与空气中的微量水即可发生反应，产生有毒且易燃易爆的硫化氢气体，现有的锂电池制造大多是基于湿法工艺，很难避免跟水分接触，生产工艺难度大，限制了其在高能量密度（高电压、锂金属）的电池应用。
硫化物目前处于研发阶段，但后续发展潜力最大，工艺突破后，可能成为未来主流路线。
材料选择方面，LPSCI具备成本优势，预计主打低端产品路线，LGPS综合性能最好，但原材料成本高，预计聚焦中高端产品路线。
数据来源：《Lithium battery chemistries enabled by solid-state electrolytes》,东吴证券研究所
全固态电池具有能量密度高、安全性能好的优势，但是现在实施全固态电池会遇到很大的阻碍，受制于工艺和成本，全固态电池技术仍处于实验室研发阶段，而半固态电池是向全固态电池过渡的中间方案，已经进入量产阶段。
1）半固态电池保留一定量电解液，循环性能及倍率性能优于全固态电池；
2）半固态电池电极材料浸润在电解液中，可以改善固态电池导电率低的问题；
3）兼容传统锂电池的工艺设备，半固态电池目前成本比传统锂电池略高，相较全固态电池处于较低位置。
目前半固态电池主要采用氧化物+聚合物复合体系，通过原位固态化等工艺，大幅提升电性能。半固态电池保留一定液体含量，并使用氧化物+聚合物电解质、氧化物隔膜涂覆与正负极包覆，叠加深度预锂化等技术，提升电池综合性能。原位固态化是半固态电池中的重要工艺，其与传统锂电池制备工艺高度兼容，可以解决固固界面问题，工艺的难点在于保证聚合是的热控制，从而影响固化的均匀性。
（2）正极材料
目前市场主流正极材料包括钴酸锂（LCO）、锰酸锂（LMO）、磷酸铁锂（LFP）以及三元正极材料（NCM及NCA）。三元材料具备高能量密度的特点，其中，中高镍（5系、6系）和高镍三元材料（8系、9系）比容量上限分别可以达到205mAh/g、220mAh/g。受固态电池高能量密度要求驱动，高镍化趋势得以加强。8系三元市场占比从2021年的36%增长至2022年的43%，5系三元市场占比从2021年的48%下降至2022年的35%，主要系海内外中高端车型多采用高镍路线带动包括宁德时代、松下、LG能源、三星SDI、SKI等中日韩头部电池企业的高镍电池在国际市场装机大幅增长。
长期来看，随着半固态/固态电池产业化提速，三元材料能量密度高、循环寿命好的优势依旧可以保证其在高端电池市场竞争中占优，因此预计高镍化将持续深入发展。富锂锰基作为新兴正极材料具有更高能量密度上限，有望成为固态电池未来正极材料最优选择。
资料来源：容百科技招股书，振华新材招股书，德勤，中邮证券研究所
（3）负极材料
若要满足高能量密度固态电池的需求，高容量低电压平台的硅基材料具有极大应用潜力，硅在常温下与锂合金化，理论比容量高达4000mAh/g，是目前石墨类负极材料的十倍以上；随着国内外头部电池供应商跟进布局，预计将带动硅基材料爆发式增长。
远期来看，锂金属负极材料因其高容量和低电位的优点有望成为未来固态电池负极最优选择。根据固态电池头部厂商QuantumScape产品数据，使用锂负极后能量密度最高可接近600mAh/g，而使用硅负极则为300mAh/g。尽管锂金属负极理论比容量（3860mAh/g）仍低于硅基材料（4200mAh/g），然而硅材料存在一定缺陷，其在充放电过程中体积膨胀系数达300%（商业化石墨负极膨胀系数为5-10%）。
因此，预计锂金属负极将成为未来固态电池负极选择。锂金属有望在固态电池降本方面发挥巨大作用。根据四类锂电池对比，采用锂负极材料的固态电池总成本最低。锂单价显著低于硅价且通过简化制造工序大幅降低了制造成本使得锂金属负极具有明显的成本优势。锂金属负极应用于半固态/固态电池仍面临锂枝晶的威胁。技术上锂金属仍存在树枝状晶形生长，将可能出现短路（导致热失控）和低库仑效率、循环寿命差的问题
（4） 隔膜
全固态电池或将取代隔膜应用，而作为过渡选择的半固态电池仍对隔膜安全性要求较高。固态电池采用固态电解质，可以保证锂离子在正负极之间自由移动，因此代替了电解液和隔膜。而半固态电池仍需要电解液进行离子传导，因此需要隔膜绝缘阻隔以免正负极直接接触。半固态/固态电池所带来的高镍化会导致正极材料活跃从而致使电池不安全，因此隔膜需要结合涂覆工艺来应用于半固态电池。
（5） 电芯
电芯能量密度提升对固态电池性能影响巨大。传统锂电池由于单体电池内部使用液态电解液，并且承载电压超过5V后可能会出现易分解甚至爆炸的情况，所以只能实现外部串联而无法进行内部串联。但固态电池可以在电池内部实现串联，使单体电池电压远高于传统动力电池。在半固态电池中使用密封胶，将单片电芯两边封装起来。当电解液不能四处流动，电芯内部实现串联，可以减少非必要结构件的使用，大幅度提升固态电池的存储效率，从而提高电芯的能量密度。
（6） 封装
根据外壳的不同，锂电池电芯的封装主要分为硬壳和软包两大类。硬壳封装的材料主要为钢壳和铝壳，根据其内部正负极的排列方式不同，又分为圆柱形和方形，而软包封装主要采用铝塑膜。当固态电池采用固态电解质时，电芯不需要硬壳的封装保护。因此软包也许是未来最适合的固态电池包装形式，会受益于固态电池的产业化而大幅发展。
数据来源：东吴证券研究所
2、生产工艺流程
（1）传统锂电池
传统锂电池生产工艺流程主要包括：电极制备（湿法为主）-卷绕-封装-注液-化成-分选-组装。
数据来源：金银河招股说明书，信达证券研发中心
（2）半固态电池
半固态锂电池制备工艺流程可兼容传统锂电池生产工艺。半固态电池可以最大程度兼容现有工艺、设备及材料，具备快速落地的可能。一些半固态电池企业之所以能快速推向市场，就是因为尽可能地借用现有液态电池装备和工艺，其中仅有 10%-20%的工艺设备要求不同，主要包括固态电解质膜引入、原位固化工艺、负极一体化工艺等。
数据来源：国家知识产权局，信达证券研发中心
（3）全固态电池
全固态锂电池与传统锂离子电池生产工艺有一定区别。目前主流的电池制备工艺有叠片工艺和卷绕工艺，全固态锂电池对现有电池制备工艺可以部分兼容，但在部分环节也需要进行一定的调整。
·正、负极材料的制备可以兼容液态锂电池的现有工艺流程，电极极片制备保持现有工艺不变；
·电解质溶液采用溶胶凝胶混合物，需要烘烤蒸发溶剂，得到固体电解质薄膜，需要增加电解质涂覆、紫外照射烘烤工艺；
·由于没有电解液，不需要注液工序；
·如果采用硫化物固态电解质路线，由于硫化物电解质易与水分、氧气发生反应，对生产环境要求较高，最好能在充满惰性气体的全封闭室内进行生产。
1、 政策端驱动
鉴于固态电池的优异潜能，很多国家都在大力支持发展固态电池。在我国，2020年11月，国务院办公厅印发《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》，明确要求加快固态动力电池技术的研发和产业化。2022年6月1日，国家发改委等九部门联合印发了《“十四五”可再生能源发展规划》，明确指出要研发固态锂电池技术。2022年8月18日，科技部等九部门印发《科技支撑碳达峰碳中和实施方案（2022-2030年）》，明确指出要研究固态电池等更安全、长寿命、高能量效率的前沿储能技术。
资料来源：工信部，中国政府网，东吴证券研究所
2、 需求端驱动
随着液态锂电池的发展，其能量密度已经接近上限。新能源汽车对传统燃油车的替代要求动力电池的能量密度更高，快充性能更好以及安全性更高。根据中国汽车工业协会的统计，预估2025年我国新能源汽车销量有望达到1300万辆的水平，行业渗透率达到50%，近五年复合增长率为59%。根据GGII的统计，预计2025年国内锂电池（包括动力电池、消费电池与储能电池）的装机数量有望达到1118GWh，近五年复合增长率为49.5%。固态电池具备较高的安全性以及较高的能量密度，有望从高端市场开始实现商业化，逐渐应用于电动汽车、储能、可穿戴设备、军工航空等领域。
根据EVTank的预测，2025、2030年全球新能源汽车的销量将达到2540万辆，5210万辆，2025、2030年新能源车单车带电量有望达到48、53KWh/辆，对应动力电池需求分别为1220、2768GWh，假设2023年全球固态电池渗透率为1%，根据EVTank的预测，至2023年全球固态电池渗透率有望达到10%，需求达到276.8GWh，2023-2030年，全球固态电池需求增长的CAGR为63.7%。
资料来源：EVTank，iFinD，川财证券研究所
国内的固态电池技术当前处于起步阶段，产业化仍需时间。据预测2030年中国固态电池出货量将达251.1GWh，2030年市场空间有望达200亿元人民币。
海外整体处于领先地位，车企入局为固态电池企业提供了资金、技术、客户多重保障，有助于推进固态电池商业化进程。日本主攻硫化物路线，研发布局最早，技术和专利全球领先，打造传统车企和电池企业共同研发体系，代表厂商包括丰田、松下、日产等企业，力争2030年实现全固态电池商业化，能量密度目标500Wh/kg。韩国主攻硫化物技术体系，政府提供税收抵免支持固态电池研发，叠加动力电池巨头联合推进，领先厂商包括三星SDI、LG、SKI等企业，目标于2025-2028年开发出能量密度400Wh/kg的商用技术，2030年完成装车。欧洲以聚合物路线为主，同时布局硫化物路线，其中德国研发布局投入最大。美国以全固态路线为主，全路线布局，由能源部出资，初创公司主导研发，如，QuantumScape、Solid Power等，并与众多车企达成合作，目标在2030年达到能量密度500Wh/kg。
2020年起，我国首次将固态电池列入行业重点发展对象并提出加快研发和产业化进程，2023年进一步提出加强固态电池标准体系研究，目前尚未出台补贴政策，仍以市场驱动为主。国内企业进入固态电池行业，主要分为两种：将固态电池的研发与产业化作为主营业务的企业，比如卫蓝新能源、清陶能源等；传统锂离子电池企业进军固态电池相关业务，比如赣锋锂业、比亚迪、宁德时代等。国内短期聚焦于更具兼容性、经济性的聚合物+氧化物的半固态电池路线，代表厂商为卫蓝新能源、清陶能源、赣锋锂业、辉能科技等，已在高端无人机、航天、军工等高端领域实现应用。2020年实现首次装车突破，但能量密度在260Wh/kg水平，性能提升有限，2023年实现360Wh/kg以上装车发布，如蔚来、上汽、赛力斯、高合等，成为产业化元年。
资料来源：东吴证券研究所
目前固态电池是一个热门的研究方向，主要原因是电动车的崛起，对于电池的安全性和能量密度提出了更高的要求。在低碳背景下，新能源已经成为全球发展的主要方向，随着我国新能源汽车产销双丰收，以及消费电子、储能等行业的快速发展，固态电池的需求不断攀升。
固态电池技术迭代基于液态体系，遵循固态电解质—新型负极—新型正极的顺序变化升级。但目前受性能、成本制约，要实现全固态电池商业化，还存在许多瓶颈。在消费电子领域，固态电池高安全与高比能优势显著，率先于无人机等成本敏感度较低的高端消费领域实现小批量产，此外作为高安全便携式电源已在可穿戴设备、儿童消费电子等对安全性要求较高的消费电子产品上实现应用。在动力电池方面，国内目前还处于从液态电池向全固态电池过渡的半固态电池的阶段，半固态电池的装车早于国外，但仍需规模效应降本，预计24年开启规模化装车，2024-2025年迎来商业化转折点。
储能方面，固态电池具备本征安全，契合储能电池高安全要求，但循环寿命、性价比受限，当前应用以示范性储能项目为主，需技术突破成本降低后实现商业化应用，预计2030年前后规模化应用于储能领域。
资料来源
华泰研究、信达证券研发中心、容百科技招股书，振华新材招股书，德勤，金银河招股说明书，前瞻产业研究院，国家知识产权局，工信部，中国政府网，中商情报网、东吴证券研究所、中邮证券研究所
参考文献：
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