“固態電池”站上風口，鋰電技術迎來終局？ | 研報推薦

注：原文為華鑫證券《鋰電終局技術，產業加速落地》，分析師：黎江濤

進入2024年，固態電池成為了新能源汽車行業的熱門話題。

除了行業巨頭寧德時代首次宣布了公布全固態電池發展規劃以外，多家電池廠商與車企也宣布參與“固態電池大戰”。

盡管目前業界對于現有的固態電池仍懷有質疑的態度。但長期來看，即使實現完全商業化仍需要攻克不少難題，“寧比二王”以及中小電池廠商，都在有意加速這項技術的進度。

以下為研報內容節選：

鋰電技術終局，海內外加速推進

1.1、 優勢顯著，固態電池或將成鋰電技術終局

隨著新能源汽車滲透率持續提升，由于電池熱失控導致的新能源車安全事故成為新能源車行業面臨的一大挑戰；此外，隨著液態鋰電池技術愈發成熟，其能量密度提升愈發困難，限制新能源車續航提升，里程焦慮成為限制新能源車滲透率進一步提升另一大瓶頸。因此高安全、高能量密度的固態電池為鋰電池發展必由之路。

目前，液態電池為目前全球鋰電池主流技術，工藝及供應鏈成熟，成本低，但電池本征安全問題及能量密度限制其進一步發展。

半固態電池安全性及能量密度較液態電池有所提升，且產線與液態電池可以較好的兼容，成為液態與固態電池之間的過渡方案；

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

固態電池核心優勢：

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

此外，固態電解質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，其化學穩定性強，不易與電極材料發生反應，進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，在固態電池的應用下均得到良好的解決，固態電池安全性較液態電池大幅提升。

2、能量密度大幅提升。其提升能量密度主要通過：

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

2）固態電解質不易燃，不揮發，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，同時提升正負極材料比容量及電壓平臺，進而提升能量密度；

3）結構優化，由于沒有液態電解質，固態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法正常工作。固態電池由于使用固態電解質，避免了液態電解質的這些問題。

縱使固態電池具有高安全、高能量密度、優秀的低溫性能等一系列優勢，其產業化進程仍存一定阻礙，一方面由于生產工藝復雜、成本高，另一方面由于固態電池仍然存在科學問題。

根據《全固態電池的研究進展與挑戰》，固態電解質離子輸運機制、鋰金屬負極枝晶生長機制、多場耦合體系失控/失效機制為固態電池三大核心科學問題，先進表征技術、原理機制創新、新型材料創制成為固態電池進一步發展重要途徑。

1.2、多技術路徑并存，終局路徑尚未明晰

根據不同的電解質類型，固態電池主要包括聚合物、氧化物、硫化物三種技術路線。

聚合物固態電池具有良好的機械性能，但常溫下離子電導率較低；

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

硫化物電解質離子電導率最高，電化學窗口寬，柔度和可塑性好，或最終為全固態電池主要路徑，但其生產要求高，且硫化鋰前驅體昂貴，短時制約其商業化。

目前海外主要企業如SolidPower、豐田、三星SDI等均選擇硫化物路線作為固態電池技術方向，并以研發全固態電池為主；

國內企業如衛藍、清陶等均選擇氧化物路線，并先行研制、生產半固態電池。雖各企業技術路徑選擇具一定差異。

但從現有趨勢來看，氧化物與半固態、硫化物與全固態成為主流搭配，硫化物或成為全固態電池終局技術路徑。

1.3、海內外企業共同推進，產業化進程加速

全球企業共同推動固態電池商業化進程，各企業規劃固態電池量產時間點普遍在2027-2030年。

全球固態電池勢力主要包括中國傳統電池廠、中國新勢力企業、韓國傳統電池廠、日本主機廠、美國新勢力企業等。

其中，日本對固態電池布局時間早、布局力度大，日本政府推出《日本蓄電池產業戰略》，舉國家之力推動固態電池產業化，試圖在固態電池領域彎道超車，目前豐田具有全球最多的固態電池專利；

韓國主要由三星SDI、LG等龍頭電池企業布局固態電池；

美國固態電池布局以SolidPower、QuantumScape等初創企業為主，其與歐洲龍頭主機廠大眾、寶馬等深度合作；

中國則由傳統電池廠、固態電池新勢力廠商共同推進。

車企端來看，國內企業采用半固態電池作為過渡方案，東風E70、東風嵐圖、蔚來、賽力斯、上汽智己等已實現半固態電池量產上車，而海外企業多采用全固態電池路線。

海外電池企業來看，美國SolidPower及QS、日本豐田固態電池進展較快。

豐田是全球最早布局固態電池的車企之一，其與石化巨頭出光合作研發固態電解質，共同解決質量與成本問題。

中國布局固態電池的企業包括寧德時代為代表的電池廠、衛藍為代表的新勢力、金龍羽為代表的其他行業轉型、贛鋒鋰業為代表的上游企業一體化布局。

整體來看，國內企業半固態電池企業與主機廠合作順利，正有序上車，產業化進程提速。

1.4、eVTOL等場景打開固態電池成長空間

2024年3月，工信部等四部門聯合印發《通用航空裝備創新應用實施方案（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、應急救援等領域實現商業應用，到2030年形成萬億級市場規模。

低空經濟2023年12月在中央經濟工作會議中被列為戰略性新興產業，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，對低空經濟進行補貼。在國家和地方政策支持下，低空經濟有望進入發展快車道，續接新能源車，帶動鋰電池等產業持續高速增長。

eVTOL對電池能量密度、安全性、倍率性能等具較高要求，有望助推固態電池產業化進程。

作為eVTOL核心組件，電池的性能決定了eVTOL的性能和市場接受度，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，這幾點要求恰為固態電池核心優勢所在。

因此eVTOL的快速發展將對鋰電池性能升級形成助推作用，有望加速固態電池產業化進程。

2、材料體系革新，創造產業新機

鋰電池技術向固態電池轉變過程將帶動材料體系變動，主要包括：

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

2）正負極材料：固態電池可以承受更高電壓，進而使用更廣泛的電極材料，此外固態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：可改善固態電池鋰離子傳輸效率、進一步增強固態電池安全性，與固態電池更適配，有望替代傳統電解銅箔；

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

2.1、固態電解質：革新變化，多方勢力爭相布局

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

固體電解質的成膜工藝是全固態電池制造的核心。不同的工藝會影響固體電解質膜的厚度和離子電導率，固體電解質膜過厚會降低全固態電池的質量能量密度和體積能量密度，同時也會提高電池的內阻；固體電解質膜過薄機械性能會變差，有可能引起短路。

根據對全固態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膜。

固體電解質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單，工藝成熟，易于規?；a，是目前最有希望實現固體電解質膜量產的工藝之一。

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，且殘留的溶劑會降低固體電解質膜的離子電導率。

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

除干法、濕法工藝，還有化學氣相沉積、物理氣相沉積、電化學氣相沉積等工藝，但氣相沉積法生產固態電解質膜成本過高，短期商業化難度較大。

固態電池的商業化應用將顯著提升對固態電解質相關材料的需求。

2.2、正極材料：高鎳三元滲透率提升，富鋰錳基有望應用

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

由于固態電解質與電極材料的界面反應時幾乎不存在電解液面對超過4V高電壓時開始分解的副反應，能承受更高電壓（5V），因此可以在固態電池中使用具有較高電壓平臺的正極材料，通過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、衛藍新能源裝車交付的半固態電池，仍以高鎳三元材料為主。富鋰錳基被業內一致認為是全固態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勢，理論克容量可達350mAh/g，電壓平臺可達4.5V，均顯著高于傳統正極材料。

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電池正極材料，其一方面延續原高鎳路線，并向超高鎳方向發展，另一方面布局富鋰錳基材料。

2.3、負極材料：短期向硅基發展，長期鋰金屬有望應用

固態電池負極材料發展路徑較為清晰，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、循環過程中體積變化帶來的斷路現象以及不穩定的SEI膜造成的性能衰減等問題。

而固態電解質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，可以有效解決鋰金屬負極固有問題，因此長期來看金屬鋰負極或成為固態電池最佳負極材料。

目前，國內主要負極材料企業均對硅基負極進行前瞻布局。

2.4、銅箔：多孔銅箔有望獲滲透率提升

固態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。

固態電池采用多孔銅箔有多點優點：

1）固態電池采用固態電解質，多孔銅箔的孔隙可以增加固態電解質與電極材料的接觸面積，促進電解質的浸潤，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，緩解電極在充放電過程中的體積變化，并可通過提高親鋰性工藝的復合金屬鋰電極以實現負極與集流體的一體化，有利于實現金屬鋰負極應用，進而加快固態電池產業化；

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，孔隙可以被負極活性材料填充，增強負極材料的附著力，進一步提高電池能量密度；

4）多孔銅箔的結構在承受沖擊時有緩沖作用，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電池鋰離子傳輸效率，促進金屬鋰負極應用，并可有效提升固態電池能量密度及安全性，與固態電池極為契合，有望成為固態電池發展過程中重要的材料創行，在固態電池中獲更多應用。

2.5、鋁塑膜：軟包疊片或為固態電池最優選，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電池的裝配工藝。

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

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

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

固態電池的商業化應用有望提升軟包電池滲透率，進而帶動鋁塑膜需求。

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