2023年固態(tài)電池行業(yè)深度報告固態(tài)電池大幅提升電池安全PART1固態(tài)電池具備本征安全，打開能量密度天花板固態(tài)電池：大幅提升電池安全，打破能量密度瓶頸液態(tài)電池中，有機溶劑具有易燃性，且抗氧化性較差，目前已接近能量密度上限。鋰離子電池目前基本采取液態(tài)電解質(zhì)，由溶劑、鋰鹽、添加劑組成，起到輸送離子、傳導(dǎo)電流的作用。但液態(tài)電解質(zhì)中，有機溶劑具有易燃性、高腐蝕性，同時抗氧化性較差、無法解決鋰枝晶問題，因此存在熱失控風(fēng)險，也限制了高電壓正極、鋰金屬負極等高能量材料的使用，預(yù)計理論能量密度上限為300Wh/kg。固態(tài)電池大幅提升電池安全，打破液態(tài)電池能量密度瓶頸。固態(tài)電池采用固態(tài)電解質(zhì)，部分或全部替代液態(tài)電解質(zhì)，可大幅提升電池的安全性、能量密度，是現(xiàn)有材料體系長期潛在技術(shù)方向。依據(jù)電解質(zhì)分類，電池可細分為液態(tài)(25wt%)、半固態(tài)(5-10wt%)、準固態(tài)(0-5wt%)和全固態(tài)(0wt%)四大類，其中半固態(tài)、準固態(tài)和全固態(tài)三種統(tǒng)稱為固態(tài)電池。我們認為車企采用固態(tài)電池，安全性為短期驅(qū)動因素，能量密度為長期驅(qū)動因素。高安全性：固態(tài)電解質(zhì)不可燃燒，大幅降低熱失控風(fēng)險隨著電池能量密度的日益提升，電池?zé)崾Э仫L(fēng)險呈現(xiàn)上升趨勢。從熱失控角度看，電池應(yīng)在低于60℃運行工作，但由于內(nèi)部短路、外部加熱、機械濫用等因素，使電池溫度升至90℃，此時負極表面的SEI膜開始溶解，造成嵌鋰碳直接暴露在電解液中，二者發(fā)生反應(yīng)迅速放熱，產(chǎn)生大量可燃氣體，隔膜進而熔化，電池形成內(nèi)短路，溫度迅速升高至200℃，促使電解液氣化分解、正極分解釋氧，電池發(fā)生劇烈燃燒或爆炸。固態(tài)電池具備本質(zhì)安全性，為車廠短期主要考量因素。1）不可燃性、熱穩(wěn)定性：液態(tài)電解質(zhì)易燃、易揮發(fā)，分解溫度約200℃（隔膜160℃），并存在腐蝕和泄露的安全隱患。而固態(tài)電解質(zhì)具有不可燃、無腐蝕、無揮發(fā)等特性，分解溫度大幅提升，可在更高倍率和更高溫度運行，同時內(nèi)部無液體不流動，電池可承受穿釘、切開、剪開、折彎，從而大幅降低熱失控風(fēng)險。2）鋰枝晶：液態(tài)電池中，鋰枝晶的生長容易刺破隔膜，從而造成短路，而固態(tài)電解質(zhì)具備高機械強度，鋰枝晶生長緩慢且難刺透，進而提升電池安全性能。高成本：固態(tài)電解質(zhì)含稀有金屬，成本明顯高于液態(tài)電池固態(tài)電池成本高于液態(tài)電池，主要體現(xiàn)在固態(tài)電解質(zhì)和正負極。固態(tài)電解質(zhì)目前難以輕薄化，用到的部分稀有金屬原材料價格較高，氧化物電解質(zhì)含鋯、硫化物電解質(zhì)含鍺，疊加為高能量密度使用的高活性正負極材料尚未成熟，銅鋰復(fù)合帶價格1萬元/kg，全固態(tài)對生產(chǎn)工藝、成本和質(zhì)量控制也提出了更嚴苛的要求，生產(chǎn)設(shè)備替換率大，全固態(tài)電池成本預(yù)計明顯高于現(xiàn)有液態(tài)電池。半固態(tài)：兼具安全、能量密度與經(jīng)濟性，率先進入量產(chǎn)階段半固態(tài)電池通過減少液態(tài)電解質(zhì)含量、增加固態(tài)電解質(zhì)涂覆，兼具安全性、能量密度和經(jīng)濟性，率先進入量產(chǎn)階段。全固態(tài)電池工藝并不成熟，仍處于實驗室研發(fā)階段，而半固態(tài)電池已經(jīng)進入量產(chǎn)階段。半固態(tài)電池保留少量電解液，可以緩解離子電導(dǎo)率問題，同時使用固化工藝，將液態(tài)電解質(zhì)轉(zhuǎn)化為聚合物固態(tài)電解質(zhì)，疊加氧化物固態(tài)電解質(zhì)涂覆正極/負極/隔膜，提升了電池的安全性/能量密度，同時兼容傳統(tǒng)鋰電池的工藝設(shè)備，達到更易量產(chǎn)較低成本的效果，預(yù)計半固態(tài)電池規(guī)模化量產(chǎn)后，成本比液態(tài)鋰電池高10-20%。PART2以固-固接觸為核心，電解質(zhì)-負極-正極梯次升級變化：減少/取締電解液的使用，增加固態(tài)電解質(zhì)用量半固態(tài)電池：相比液態(tài)電池，半固態(tài)電池減少電解液的用量，增加聚合物+氧化物復(fù)合電解質(zhì)，其中聚合物以框架網(wǎng)絡(luò)形式填充，氧化物主要以隔膜涂覆+正負極包覆形式添加，此外負極從石墨體系升級到預(yù)鋰化的硅基負極/鋰金屬負極，正極從高鎳升級到了高鎳高電壓/富鋰錳基等，隔膜仍保留并涂覆固態(tài)電解質(zhì)涂層，鋰鹽從LiPF6升級為LiTFSI，封裝方式主要采用卷繞/疊片+方形/軟包的方式，能量密度可達350Wh/kg以上。全固態(tài)電池：相比液態(tài)電池，全固態(tài)電池取消原有電解液，選用聚合物/氧化物/硫化物體系作為固態(tài)電解質(zhì)，以薄膜的形式分割正負極，從而替代隔膜的作用，其中聚合物性能上限較低，氧化物目前進展較快，硫化物未來潛力最大，負極從石墨體系升級到預(yù)鋰化的硅基負極/鋰金屬負極，正極從高鎳升級到了超高鎳/鎳錳酸鋰/富鋰錳基等，封裝方式采用疊片+軟包的方式，能量密度可達500Wh/kg。電解質(zhì)：氧化物目前進展最快，硫化物發(fā)展?jié)摿ψ畲蠊虘B(tài)電解質(zhì)是實現(xiàn)高安全性、能量密度、循環(huán)壽命性能的關(guān)鍵。根據(jù)電解質(zhì)的種類，可分為氧化物、硫化物、聚合物三種路線。聚合物體系率先在歐洲商業(yè)化，優(yōu)點為易于加工、生產(chǎn)工藝兼容、界面相容性好、機械性能好，缺點為常溫離子電導(dǎo)率低、電化學(xué)窗口略窄、熱穩(wěn)定性和能量密度提升有限，因此制約了其大規(guī)模應(yīng)用；氧化物綜合性能最好，優(yōu)點為電化學(xué)窗口寬、熱穩(wěn)定性好、機械強度高，缺點為難以加工、界面相容性差、電導(dǎo)率一般。整體看，氧化物體系制備難度適中，較多新玩家和國內(nèi)企業(yè)選取此路線，預(yù)計采用與聚合物復(fù)合的方式，在半固態(tài)電池中率先規(guī)模化裝車；硫化物發(fā)展?jié)摿ψ畲螅瑑?yōu)點為電導(dǎo)率高、兼具強度與加工性能、界面相容性好，缺點為與正極材料兼容度差、對鋰金屬穩(wěn)定性差、對氧氣和水分敏感、存在潛在污染問題、生產(chǎn)工藝要求高。硫化物目前處于研發(fā)階段，但后續(xù)發(fā)展?jié)摿ψ畲?，工藝突破后，可能成為未來主流路線。聚合物：電導(dǎo)率低，性能提升有限，最早商業(yè)化聚合物易于合成和加工，率先實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，但常溫電導(dǎo)率低，整體性能提升有限，制約大規(guī)模應(yīng)用與發(fā)展。聚合物固態(tài)電解質(zhì)由高分子和鋰鹽絡(luò)合形成，同時添加少量惰性填料。鋰離子通過聚合物的分段運動，靠不斷的絡(luò)合與解絡(luò)合而傳遞。高分子主要選用聚氧化乙烯(PEO)，對鋰鹽溶解性好，高溫離子電導(dǎo)率高，但室溫中結(jié)晶度高，離子電導(dǎo)率低，需進行改性處理，也可采用聚硅氧烷(PS)、聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等材料，但也存在室溫離子電導(dǎo)率低，質(zhì)地較脆等問題，仍在研發(fā)改性階段；鋰鹽主要采用LiTFSI，在聚合物中的良好分散能力與穩(wěn)定性；惰性填料主要為氧化物，如TiO2、Al2O3、ZrO2、SiO2等，起到降低聚合物結(jié)晶度，改善機械性能等作用。聚合物由于易加工、工藝兼容等優(yōu)勢，率先在歐洲商業(yè)化，技術(shù)最為成熟，但其電導(dǎo)率低、電化學(xué)窗口窄，僅能和鐵鋰正極匹配，性能上限較低，工作時需持續(xù)加熱至60℃，因此制約了其大規(guī)模應(yīng)用，預(yù)計后續(xù)與無機固態(tài)電解質(zhì)復(fù)合，通過結(jié)合兩者優(yōu)勢，在應(yīng)用端實現(xiàn)性能突破。PART3半固態(tài)路線先行，全固態(tài)仍處研發(fā)階段產(chǎn)業(yè)鏈：半固態(tài)-全固態(tài)迭代，電解質(zhì)-負極-正極梯次升級固態(tài)電池技術(shù)迭代基于液態(tài)體系，順序遵循固態(tài)電解質(zhì)-新型負極-新型正極。主流廠商按照半固態(tài)到全固態(tài)的發(fā)展路徑布局，核心變化在于引入固態(tài)電解質(zhì)，電解質(zhì)預(yù)計從聚合物+氧化物的半固態(tài)路線，向氧化物半/全固態(tài)路線，再向硫化物全固態(tài)路線迭代；負極從石墨，向硅基負極、含鋰負極，再向金屬鋰負極升級；正極從高鎳三元，向高電壓高鎳三元、超高鎳三元，再向尖晶石鎳錳酸鋰、層狀富鋰錳基等新型正極材料迭代；隔膜從傳統(tǒng)隔膜，向氧化物涂覆隔膜，再向固態(tài)電解質(zhì)膜升級。產(chǎn)業(yè)鏈方面，電池端企業(yè)主要有寧德時代、比亞迪、衛(wèi)藍新能源、清陶能源、億緯鋰能、贛鋒鋰業(yè)、輝能科技、國軒高科、孚能科技、蜂巢能源等；固態(tài)電解質(zhì)企業(yè)主要有天目先導(dǎo)、藍固新能源、奧克股份、上海洗霸、金龍羽、瑞泰新材等；固態(tài)電解質(zhì)前驅(qū)體鋯源/鍺源企業(yè)有東方鋯業(yè)、三祥新材、云南鍺業(yè)、馳宏鋅鍺等；負極企業(yè)有蘭溪致德、貝特瑞、翔豐華等；正極企業(yè)有容百科技、當升科技等；隔膜企業(yè)有恩捷股份等；此外整車企業(yè)以自研或增資入股等方式積極入局，代表公司有豐田、日產(chǎn)、本田等。國內(nèi)：半固態(tài)電池率先落地，23年開始小批量裝車半固態(tài)電池國內(nèi)率先量產(chǎn)，23年開始小批量裝車，24年實現(xiàn)規(guī)模放量。國內(nèi)以市場驅(qū)動為主，行業(yè)基本選用可量產(chǎn)的半固態(tài)路線，電解質(zhì)選用聚合物+氧化物復(fù)合路線，正極仍選用高鎳三元體系，負極升級為預(yù)鋰化的硅基負極，實現(xiàn)能量密度360Wh/kg。代表廠商為衛(wèi)藍新能源、清陶能源、贛鋒鋰業(yè)、輝能科技等，已在高端無人機、航天、軍工等高端領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用，23年實現(xiàn)360Wh/kg以上裝車發(fā)布，如蔚來、上汽、賽力斯、高合等，成為產(chǎn)業(yè)化元年，但仍需規(guī)模效應(yīng)降本，24年實現(xiàn)小規(guī)模放量，24-25年迎來商業(yè)化轉(zhuǎn)折點。負極：蘭溪致德硅碳負極媲美海外龍頭，23年預(yù)計大力擴產(chǎn)掌握硅碳材料低成本納米化核心工藝，一體化布局設(shè)備及前驅(qū)體。蘭溪致德成立于2018年，16年起開始硅碳負極研發(fā)，核心研發(fā)團隊由硅材料、碳材料、設(shè)備開發(fā)等領(lǐng)域的專家共同構(gòu)成，現(xiàn)已掌握硅碳材料低成本納米化制備技術(shù)，獲16項授權(quán)發(fā)明專利，推出ZDS01(低成本、普通首效）、ZDS02（高首效）、ZDS03(高倍率）三大系列硅碳產(chǎn)品。此外公司一體化布局原材料硅烷，同時自研硅碳負極設(shè)備，打破海外龍頭硬件壟斷，實現(xiàn)低成本高品質(zhì)的全產(chǎn)業(yè)鏈布局。產(chǎn)品獨家媲美海外龍頭，且已處于高產(chǎn)階段，導(dǎo)入寧德時代、比亞迪等多家頭部客戶。公司21年實現(xiàn)500噸量產(chǎn)，產(chǎn)品經(jīng)海內(nèi)外30+重點電池廠一年以上試用，獲高度認可，已導(dǎo)入寧德時代、比亞迪、國軒高科、珠海冠宇、華為、OPPO等多家動力電池/3C消費電子頭部客戶。產(chǎn)品性能方面，公司為國內(nèi)唯一一家能夠與海外龍頭日本信越化學(xué)高端7系產(chǎn)品抗衡且實現(xiàn)量產(chǎn)的企業(yè)，高端產(chǎn)品S020.1C容量達1400-1600mAh/g，首效達88%-90%，部分指標超越信越同類產(chǎn)品，低成本產(chǎn)品S010.1C容量突破2100mAh/g，技術(shù)水平國內(nèi)領(lǐng)先。遠期產(chǎn)能規(guī)劃超2.35萬噸，預(yù)計23年大幅擴產(chǎn)。公司硅碳負極22年產(chǎn)能超2000噸，在建一體化硅碳負極項目一期8000噸預(yù)計23年底投產(chǎn)，23年產(chǎn)能預(yù)計達1.15萬噸，遠期達2.35萬噸，此外配套原材料硅烷規(guī)劃產(chǎn)能達5000噸。正極：容百科技深度綁定衛(wèi)藍新能源，獲3萬噸意向訂單積極布局固態(tài)正極材料，21年實現(xiàn)批量供貨。公司在固態(tài)電池材料方面掌握多項前沿技術(shù)，開發(fā)的高鎳單晶型Ni90產(chǎn)品測試1/3C容量達≥206mAh/g，低成本高容量，循環(huán)壽命優(yōu)良，適用于液態(tài)/半固態(tài)電池，21年起批量供貨下游固態(tài)電池公司，預(yù)計22年底隨半固態(tài)電池實現(xiàn)裝車。此外公司同步儲備全固態(tài)電池用正極材料、氧化物固態(tài)電解質(zhì)（LATP、LLZO）、硫化物固態(tài)電解質(zhì)制備技術(shù)。產(chǎn)能方面，公司22年底高鎳產(chǎn)能達25萬噸，產(chǎn)線可兼容固態(tài)電池用正極材料生產(chǎn)，具備量產(chǎn)能力。深度綁定衛(wèi)藍新能源，獲3萬噸固態(tài)正極材料意向訂單。公司22年4月與衛(wèi)藍新能源達成協(xié)議，雙方將在全/半固態(tài)電池和材料領(lǐng)域的戰(zhàn)略、技術(shù)、產(chǎn)品開發(fā)、供應(yīng)鏈等方面開展全面深度合作，同等條件下，衛(wèi)藍新能源將公司作為高鎳三元正極材料第一供應(yīng)商，22-25年衛(wèi)藍新能源承諾向公司采購不少于30000噸正極材料，實現(xiàn)與頭部客戶深度綁定。隔膜：恩捷股份攜手衛(wèi)藍新能源，大力布局半固態(tài)隔膜密切跟蹤產(chǎn)業(yè)趨勢，前瞻布局固態(tài)電池。公司為全球濕法隔膜龍頭，積極對固態(tài)電池、鋰金屬電池等新型電池進行針對性隔膜開發(fā)，18年成立前沿技術(shù)研究所布局半固態(tài)電池隔膜，20年半固態(tài)電解質(zhì)隔膜研發(fā)項目立項，22年與中科院共設(shè)“中科恩捷柔性固體電池聯(lián)合實驗室“。攜手衛(wèi)藍新能源、天目先導(dǎo)共建半固態(tài)涂層隔膜項目，規(guī)劃產(chǎn)能達6億平