AVIC中航證券2025年04月23日證券研究報告|行業(yè)研究|行業(yè)深度報告非金屬材料Ⅱ投資評級增持首次評級機器人專題報告：新材料推動具身智能突破能力邊界首次評級行業(yè)走勢圖仿生或成為人形機器人最終形態(tài)：機器人被設計成人形的明面原因是由于行業(yè)走勢圖滬深300一非金屬材料Ⅱ基礎設施以及技術(shù)的通用性，但深層原因或許是人類對支配的欲望以及對滬深300一非金屬材料Ⅱ -10%更大的發(fā)展空間，也將為各類相關新材料的發(fā)展提供更廣闊的舞臺。結(jié)構(gòu)件輕量化引發(fā)新材料革命：人形機器人自重的降低能夠有效降低能耗，特種塑料及其原材料供應商：中研股份、中欣氟材等。感知需求提升帶來新材料機遇：隨著人們對于人形機器人精細操作的需求相關研究報告為感知和執(zhí)行機構(gòu)，將發(fā)揮愈發(fā)重要的作用，也因此帶來更多新材料的需業(yè)催化—2025-04-15【中航先進制造行業(yè)周報】人形機器人批量進1)傳感器是人形機器人感知世界的最主要的方式——光學六維力矩傳感器入汽車工廠，持續(xù)關注產(chǎn)業(yè)鏈進展—2025-03-【中航先進制造行業(yè)周報】人形機器人量產(chǎn)加【中航先進制造行業(yè)周報】人形機器人量產(chǎn)加感器微小化，建議關注潛在獲益公司：鉑力特、華曙高科；觸覺傳感器是速，持續(xù)關注產(chǎn)業(yè)鏈進展—2025-03-26當前機器人發(fā)展的重要方向，其導電材料的選擇關乎到電極的靈敏度和穩(wěn)定性，建議關注：①傳感器相關企業(yè)：福萊新材、唯科科技等；②導電材料生產(chǎn)企業(yè)：道氏技術(shù)(碳納米管)、黑貓股份(導電炭黑);2)驅(qū)動系統(tǒng)是機器人運動的核心，建議持續(xù)關注仿生機器人中驅(qū)動系統(tǒng)涉及到的新材料和新技術(shù)。①SMA合金具有易于加工、技術(shù)成熟等優(yōu)勢，建議關注具有Ni-Ti記憶合金研發(fā)經(jīng)驗的企業(yè)：西部材料、有研新材；②EAP (電活性聚合物)是制造人工肌肉核心材料，建議關注上游彈性體材料：道恩股份、南京聚隆；股市有風險入市需謹慎[證券研究報告]3)傳動系統(tǒng)是機器人的骨骼和肌腱，在運動過程中承擔傳力傳動的作用，而腱傳動具有靈活性好，距離長等優(yōu)勢，有望成為靈巧手的重要解決方案，建議關注高分子腱繩方案潛在受益企業(yè)：南山智尚、同益中；金屬腱繩提能源新材料助力續(xù)航能力提升：能源和動力是機器人的核心，動力方面，稀土永磁材料的使用有望幫助機器人在更小的體積下實現(xiàn)更加高效的輸出；能源方面，固態(tài)電池、硅基負極等前沿技術(shù)的成熟有望緩解機器人續(xù)航1)在國內(nèi)外人形機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提速下，釹鐵硼永磁材料有望因需求端拓展而迎來價值重估，建議關注具備規(guī)模化供應能力的釹鐵硼磁鋼頭部生產(chǎn)企業(yè)：金力永磁、寧波韻升等。2)全固態(tài)電池的使用將有效的解決續(xù)航和補能焦慮，從而助推高性能人形機器人的商業(yè)化落地.建議關注①氧化物固態(tài)電解質(zhì)受益標的：三祥新材、東方鋯業(yè)等：②硫化物固態(tài)電解質(zhì)受益標的：有研新材、粵桂股份：③硅基負極材料受益標的：貝特瑞、天奈科技：④富鋰錳基正極材料受益標的：風險提示：下游機器人出貨量不及預期的風險、競爭格局變化帶來毛利率波動風險、下游領域技術(shù)路線變更風險、資本市場估值波動風險等。2中航證券研究所發(fā)布證券研究報告請務必閱讀正文之后的免責聲明部分2[證券研究報告]正文目錄一、仿生或成為人形機器人最終形態(tài) 51.1機器人為何做成人形? 51.2“類人化”或為未來發(fā)展方向 7二、機器人帶動新材料煥發(fā)新春 82.1機器人結(jié)構(gòu)件迎來新材料革命 82.1.1鎂合金應用迎來關鍵節(jié)點 92.1.2以塑代鋼下的工程塑料 2.2感知能力提升帶來新材料機遇 2.2.1傳感器 2.2.2驅(qū)動系統(tǒng) 2.2.3傳動系統(tǒng) 2.2.4連接器 212.3能源新材料助力人形機器人 2.3.1稀土永磁具備應用確定性 2.3.2電池性能把握商業(yè)化命脈 三、投資建議 四、風險提示 圖表目錄 5 6 6 7 8 933圖7鎂鋁比達到歷史低位 圖8常用塑料、工程塑料、特種塑料示意圖 圖9常用塑料、工程塑料、特種塑料性能對比 圖10PEEK單價較高 圖11華曙高科UT252P設備打印PEEK材料 圖14六維力矩傳感器 圖16不同觸覺傳感器優(yōu)缺點 圖17壓阻式傳感器結(jié)構(gòu)圖 圖18美劇中的仿生機器人與現(xiàn)實中的仿生機器人 圖19使用記憶合金制造的仿生靈巧手 圖20人工肌肉具有較高的仿真度 圖21不同傳動方式特點及缺陷 圖22UHMWPE纖維與金屬腱繩的性能對比 圖23不同傳動方式特點及缺陷 圖24陶瓷材料與金屬材料對比 圖25永磁同步電機成本結(jié)構(gòu)拆分 圖26特斯拉Optimus機器人參數(shù) 圖27特斯拉Optimus部分參數(shù) 圖28蔚來發(fā)布的150度半固態(tài)電池 圖30液態(tài)、半固態(tài)、全固態(tài)電池發(fā)展路徑 圖31正極材料性能參數(shù)對比 圖32鋰枝晶的生長過程示意圖 圖33硅基負極材料優(yōu)劣勢對比 55一、仿生或成為人形機器人最終形態(tài)隨著人形機器人的風潮席卷全國，人們開始暢想人形機器人的發(fā)展將成為新生代的科技引擎，帶動經(jīng)濟社會快速發(fā)展。然而，在機器人設計理念的背后，鮮有人思考為何機器人要做成人形。下文將闡釋我們對于人形機器人的理解，并分析其對材料應用趨勢的影響。關于機器人為何要做成人形這個問題，大致可以分為明面和深層兩方面原因。明面原因是人形機器人與人類的生活場景高度契合：人形機器人設計之初就是為了服務人類社會，因此在大部分基礎設施是為了人類方便所設計的基礎上(譬如樓梯),使用類人的運動結(jié)構(gòu)可以更好的對接接口，從而達到無縫對接當前社會基礎設施的效果。此外，技術(shù)上的通用可能也是當前人們紛紛研發(fā)人形機器人的原因，眾所周知，人形機器人是機器人行業(yè)皇冠上的明珠，隨著機械臂、機器狗、無人機等機械機構(gòu)逐步成熟并形成產(chǎn)業(yè)化，基于以上技術(shù)，人們可以開發(fā)更復雜、更智能的類人機器人，從這里可以看出人形機器人的競爭實際上是國家之間產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)比拼，也就是制造業(yè)最頂尖的科技的較量。盡管通用接口可以有效降低人形機器人進入人類社會的門檻，但很多時候接口的匹配并不需要類人機械，例如自動駕駛不必真的需要一個機器人司機，炒菜機器人也不必真的需要一個機器人廚師。與此同時，人形機器人的普及率還存在商業(yè)上的質(zhì)疑，畢竟從企業(yè)利潤的角度來說，研發(fā)機械臂或機器狗可以很快的通過銷售產(chǎn)品回收現(xiàn)金流，而人形機器人距離大規(guī)模進入千家萬戶尚需時日。[證券研究報告]66所以我們不得不在此重新思考這個問題：為什么人形機器人要被設計成人形?科幻電影或許已經(jīng)告訴了我們答案——人們渴望人形機器>從1968年的《2001太空漫游》到1982年的《銀翼殺手》,再到《終結(jié)者》對于自身所處宇宙的唯一性的驕傲和孤獨，也使得圖2《終結(jié)者》電影圖3《銀翼殺手2049》中的“仿生人”主人公瑞秋人形機器人從某種程度上能夠滿足人們對于“同類”的占有欲和支配欲。美生人去淘汰老款仿生人。當科幻照進現(xiàn)實，化水平越來越高，在欲望的驅(qū)使下，未來時代>與此同時，國內(nèi)對人形機器人的出世可能抱有更深層次的心理因素。2017年以來，中國新生兒童數(shù)量的快速下降以及地緣沖突的加劇，引發(fā)了人們產(chǎn)生對2035年前后適齡勞動力的不足、進而影響國內(nèi)中低端制造業(yè)比較優(yōu)勢下降的不安全感。不同于無人工廠、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級等更為遠期的解決方案，人圖4近年來全國人口出生率持續(xù)走低(單位：%)資料來源：國家統(tǒng)計局，中航證券研究所基于上述原因，雖然當前人形機器人仍處于發(fā)展的初期階段，距離行業(yè)規(guī)?；€尚需時日，但出于對未來機器人行業(yè)持續(xù)創(chuàng)新及迭代的需求，我們認為“類人化”的仿生機器人或?qū)⒊蔀樾袠I(yè)發(fā)展的重要方向，這有望帶動行業(yè)內(nèi)的相關產(chǎn)業(yè)鏈的重1.2“類人化”或為未來發(fā)展方向事實上，人形機器人在搬運重物的效率較傳統(tǒng)的機械臂要低。與此同時，人形機器人的類足結(jié)構(gòu)使得其傳動系統(tǒng)相較于輪式結(jié)構(gòu)更為復雜，這會導致更高的制造成本及更低的運動效率。人形機器人犧牲效率換來的是更像人的機械結(jié)構(gòu)，更多的是出于情感因素，而人形機器人越像人，越能夠激發(fā)人們內(nèi)心的情感開關，從而激發(fā)更多的購買需求。從目前人形機器人的外觀來看，機器人整體主要還是由骨骼、關節(jié)、感知器、控制器、大腦以及電池等組成，具備較強的機械感。如果類比人體的話，當前的人形機器人只是具備了骨骼和肌肉，但缺少了仿生皮膚。皮膚覆蓋人體全身表面，是人體最大的器官，約占體重的16%,成人的皮膚面積約為1.2~2.0平方米，這也足以說明人形機器人要達到比肩人類的完全體還有相當長的路要走，仿生皮膚具備較大的應用空7788類人化或?qū)⒊蔀槲磥頇C器人的發(fā)展方向。隨著人形機器人基本的骨架、肌肉以及神經(jīng)系統(tǒng)的搭建完成，人們將對機器人的類人化提出更高的要求。例如更加仿真的皮膚、更多的感知能力以及更完備的情感系統(tǒng)，而攻克這些難點的前提都源于材料應用方面的進步，人形機器人的迭代更替將為新材料的應用提供嶄新的發(fā)展空間。二、機器人帶動新材料煥發(fā)新春人形機器人行業(yè)的發(fā)展為新材料行業(yè)提供了諸多增量機遇，我們認為機器人相關材料主要包括：①負責支撐整體框架的骨骼材料，如鎂合金、工程塑料(PPS、 PEEK);②負責感知和操作的皮膚和肌肉，如傳感器材料、功能驅(qū)動材料、肌腱材料；③負責提供能源和動力的血液和心臟，如釹鐵硼永磁材料、固態(tài)電池材料等。隨著人們對于高負載、精細化以及長續(xù)航機器人的需求日益提升，相關新材料具備廣闊的應用前景。結(jié)構(gòu)件是支撐機器人整體框架的核心，結(jié)構(gòu)件一方面要保證傳力的效率，保證整體結(jié)構(gòu)框架的強度，但另一方面從系統(tǒng)工程的角度，也要盡量減重，從而達到更長續(xù)航、更加靈活的效果。人形機器人自重的降低能夠有效降低能耗，因此在輕量化的背景下，鎂合金、工程塑料等輕量化材料有望在機器人結(jié)構(gòu)件中大展身手。鎂合金具備多種性能優(yōu)勢：2024年12月20日，寶武鎂業(yè)與國內(nèi)工業(yè)機器人企業(yè)埃斯頓合作推出鎂合金機器人ER4-550-MI,這款機器人相較于鋁合金版本減輕了自身11%的重量，不僅提升了5%的節(jié)拍速度，還因鎂合金材料特性，在減震、電磁屏蔽和散熱方面表現(xiàn)卓越，從而增強了穩(wěn)定性，此外能耗降低10%,顯著提高運行效率，總體來看鎂合金賦能機器人“輕、快、穩(wěn)、省”四大優(yōu)勢。從材料特性來看，①鎂合金密度較鋁合金輕1/3,同類型部件中，鎂合金較傳統(tǒng)鋁合金部件減重超30%,整機重量減少10%以上；②比強度較高，同樣的結(jié)構(gòu)強度要求，鎂合金部件重量只需要鋁合金的60%,這對于承力要求較大的部件減重的同時保證了結(jié)構(gòu)強度；③減震性能突出，較鋁合金高出數(shù)倍，因此可以減少在機器人運動過程中的噪音和震動，非常適合家用；④可以回收再利用，回收能耗僅為原鎂生產(chǎn)能耗的20%左右，符合可持續(xù)發(fā)展和循環(huán)經(jīng)濟的要求。對比維度鎂合金鋁合金核心差異密度(g/cm3)2.6-2.8輕33%,航天/汽車減重首選比強度(MPa·cm3/g)單位重量強度高50%減震性能阻尼系數(shù)0.04-阻尼系數(shù)0.01-抗震能力高3-18倍加工成本原材料貴但壓鑄效率高原材料低且工藝成熟鎂綜合成本高20-30%耐腐蝕性需表面處理(微弧氧化等)自然氧化膜防護鋁合金環(huán)境適應性更優(yōu)典型應用醫(yī)療外骨骼、相機骨架、超薄電子件建筑型材、散熱器、船舶結(jié)構(gòu)鎂：輕量化尖端領域；鋁：傳統(tǒng)工業(yè)主力鎂合金的推廣受制于行業(yè)認知、加工工藝、歷史價格不穩(wěn)定等鎂合金的推廣受制于行業(yè)認知、加工工藝、歷史價格不穩(wěn)定等因素：當前鋁合金的配套生產(chǎn)企業(yè)較多，相關工藝研究也較為成熟，而鎂合金相對小眾，從事該領域的企業(yè)數(shù)量少，下游客戶的設計部門通常會考慮較為成熟的方案，因此鎂合金的推廣受到了行業(yè)認知的阻礙；鎂合金塑性較差，因此在加工過程中容易脫膜，需要在高溫下進行加工，增加了加工難度和成本；從歷史來看，例如2021年由于環(huán)保限產(chǎn)等因素影響，鎂價抬升過快也一定程度影響了下游應用意愿。除此之外，如果要規(guī)?；瘧媚撤N新材料，作為下游制造企業(yè)需要進行材料認證、設備更新、聘請新的專業(yè)技術(shù)人員、培訓工人等，這都是額外的成本增加。鎂鋁比歷史低位，價格優(yōu)勢已非常顯著:根據(jù)產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗，一般鎂鋁比在1.3以下，鎂合金替代鋁合金邊際成本便具有優(yōu)勢，雖然近年來鎂合金在汽車中大型壓鑄件以及建筑模板等終端領域應用有一定突破，但與此同時新增產(chǎn)能較多導致供需偏寬松，疊加硅鐵、煤炭等原材料價格下降等因素，鎂價不斷回落，近一年來鎂鋁比持續(xù)維持在91.0以下，最新鎂鋁比更是達到歷史低位僅有0.84。隨著寶武鎂業(yè)安徽青陽等項目的投產(chǎn)，我們認為未來鎂鋁比會長期維持在一個比較健康穩(wěn)定的位置，同時疊加一體化壓鑄技術(shù)的滲透，也會促進鎂合金在大型復雜零部件領域的進一步大規(guī)模應用，對于鎂合金在汽車、建筑、航空航天等行業(yè)的推廣具有戰(zhàn)略意義。圖7鎂鋁比達到歷史低位——鎂錠價格(萬元/噸)——鋁錠價格(萬元/噸)——鎂鋁比(右軸)資料來源：,中航證券研究所機器人行業(yè)或為鎂合金應用帶來新動能：鎂合金不論是從性能還是成本，都契合了當前人型機器人低成本、輕量化、穩(wěn)定性等綜合需求。隨著鎂合金行業(yè)供給端的建設逐步完備，打消下游客戶對于產(chǎn)品長期穩(wěn)定供應和價格大幅波動的憂慮，會促進機器人企業(yè)的設計部門在立項之初將鎂合金作為機器人部件的重要材料選取考量，同時也需要關注鎂合金深加工產(chǎn)品在汽車、建筑等領域的應用推廣進程。我們推薦在鎂資源或鎂合金精深加工中深度布局的企業(yè)寶武鎂業(yè)、旭升集團、星源卓鎂等。2.1.2以塑代鋼下的工程塑料從廣義上來說，“以塑代鋼”指的是使用有機高分子材料替代金屬材料的過程。而有機高分子材料具有較輕的質(zhì)量，較高的比模量，耐溫差以及耐疲勞等特性，相較于金屬材料，在一些變載荷情況下適應性更強，因此我們判斷有機高分子材料在人形機器人中將有廣泛的應用，目前有機會應用于機器人的塑料主要是工程塑料。工程塑料包括了多種不同特性的塑料其中聚苯硫醚(PPS)和聚醚醚酮(PEEK)作為近年來發(fā)展較為迅速、應用范圍較廣的工程塑料、有機會應用于人形機器人中。[證券研究報告]圖8常用塑料、工程塑料、特種塑料示意圖(PEEK)(PAI)特種工程塑料工程塑料資料來源：《特種工程塑料——我國擁有強勢自主創(chuàng)新知識產(chǎn)權(quán)的新一代塑料急待產(chǎn)業(yè)化》,中航證券研究所度為200℃-220℃,短期可承受260℃的高溫),是一種機械強度、剛性、難燃性、耐化學藥品性、電氣特性、尺寸穩(wěn)定性都優(yōu)良的樹脂，其具有三大優(yōu)勢：①阻燃性能：在不進行任何改性的情況下，就已經(jīng)能達到VO級別的阻燃；②可加工性：其半結(jié)晶的特點使得與其復合的玻纖可以經(jīng)受較低程度的剪切和：通過合理的模具使用，可以實現(xiàn)表面較高的硬度以及金屬般的光澤。耐化學腐蝕性能、耐輻射性能、電性能、阻燃性能等，是一款兼具韌性和剛性的材料，其具有以下突出性能：①耐熱性：PEEK可以在250℃長期使用，高溫下仍能保持較高的強度，因此適用于高溫下工作的部件；②耐腐蝕性：PEEK在高溫下保持較好的耐腐蝕性，在水環(huán)境中連續(xù)工作卻能保持良好的力學性在高劑量的電離輻射下仍能保持正常工作，且在交變應力的耐疲勞性也非常優(yōu)秀。特性性能指標指標說明單位特種工程塑料工程塑料PEEKPTFE剛性拉伸模量拉伸模量數(shù)值越大，說明剛性越好MPa43004000剛性和韌性一般呈現(xiàn)反比最好的情況下韌性并非最低，展示了其全面的機械特性韌性缺口沖擊強度沖擊強度數(shù)值越大，說明材料的韌性越好KJ/m228耐熱長期使用溫度值越高，通常代表該材料耐熱性能越好℃熱性能最好的材料之一耐磨摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)越小，通常代表耐磨性越好一磨性能最好的材料之一耐腐蝕耐化學性能值越大，說明材料的耐化學性能越好-PEEK、PTFE、PPS均為耐腐蝕性最好的材料電性能介電強度值越大，說明材料的絕緣性能越好KV/mmPEEK絕緣性能與其他工程塑料無明顯差距具體到機器人應用，我們認為PPS和PEEK在人形機器人中應用有所不同，由于PPS具有性價比高、易加工以及表面質(zhì)感較好等特點，因此在表面件、普通非承力件以及其他大型件上主要使用PPS以及其他塑料；而由于PEEK單價較高，且具有耐腐蝕、高溫以及交變載荷下力學性能好等特點，主要應用于結(jié)構(gòu)件、關鍵承力件以及特殊高溫環(huán)境下的專用機器人中，用量雖然不大，但是價值量較高。PTFE4.7PSU9.11PPS4.3PEEK33.7PEEK加工難度較PPS更高，非金屬增材制造具備加工優(yōu)勢。由于PEEK熔點較高且熔融后具有較高的黏度，高溫流動性較差，易發(fā)生熱量堆積，且難以使用復合方法對其進行改性。因此傳統(tǒng)工藝無法解決其加工過程中刀具磨損和熱量堆積導致開裂的問題。而采用增材制造來加工PEEK材料就成為了重要選擇，華曙高科開發(fā)的SLSFlight快速成型技術(shù)，可以使用較高功率的激光頭對PEEK材料進行熔融，有效解決了因其較高的結(jié)晶速率導致的錯位問題，具有較高的技術(shù)壁壘?！耙运艽摗睆母旧辖鉀Q了機器人材料過重帶來的續(xù)航和靈活性問題，從而有效地控制機器人的重量。因此從“以塑代鋼”角度，我們建議關注特種塑料及其原材料供應商：中研股份、中欣氟材、新瀚新材等。2.2感知能力提升帶來新材料機遇感知、認知、決策、執(zhí)行是人類賴以了解并改造世界的主要途徑，而感知能力則是其中了解世界以及改造世界后得到反饋的直接途徑，包括了視覺、嗅覺、聽覺、觸覺、味覺等等。在視覺已經(jīng)被廣泛普及到每一款人形機器人的當下，特斯拉OptimusGen2引入觸覺使得人形機器人抓取雞蛋更加自如，這意味著人們對于人形機器人的期望從搬運重物等工業(yè)勞動轉(zhuǎn)變?yōu)閺氖赂泳毜募艺裙ぷ鳎@個階段，柔性電子皮膚仍然是作為配角，覆蓋在機器人指尖作為小范圍的感知。隨著人們對于人形機器人精細操作的需求日益增長，人形機器人的觸覺感知維度和數(shù)據(jù)量要求也日益突出，柔性電子皮膚或?qū)⒏采w全身更多部位，帶來感知能力的進一步提升。靈巧手作為感知和執(zhí)行機構(gòu)，將發(fā)揮愈發(fā)重要的作用，也因此帶來更多新材料的需求。如果說人的大腦是用來認知世界的物質(zhì)基礎，那么人的雙手就是改造世界的現(xiàn)實依靠。如果說機器人的視覺、聽覺以及計算芯片都是這些“硅基生命體”認識世界的途徑，那么靈巧手則是這些機器人用以感知世界、改變世界的核心結(jié)構(gòu)。通過高自由度的活動單元、高靈敏度的感知能力以及高控制算法，靈巧手得以觸摸這個世界、感知這個世界。我們認為，機器人的靈巧手(觸覺和執(zhí)行)是與大腦(決策核心)、圖像識別(視覺)以及大語言模型(聽覺和表達)一樣值得受到關注的環(huán)節(jié).也是具備發(fā)展?jié)摿Φ暮诵哪K之一。圖12機器人與人體對比視覺聽覺和表達電機、連桿腿部、足部運動能力資料來源：Tesla,中航證券研究所靈巧手主要構(gòu)成包括了傳感器(電子皮膚)、驅(qū)動系統(tǒng)(動力源)、傳動系統(tǒng)(傳動)以及連接器(關節(jié)).對應人體的皮膚、血管和肌肉組織、骨骼和肌腱以及關節(jié)系統(tǒng)。我們將從這四個方面來敘述相關的新材料應用機會。圖13靈巧手與人手對比指尖傳感器指尖傳感器(電子皮膚)連接器(關節(jié))驅(qū)動系統(tǒng)(肌肉和血管)傳動系統(tǒng)(肌腱和骨骼)資料來源：因時靈巧手，中航證券研究所2.2.1傳感器當前靈巧手涉及到的傳感器包括了多維力矩傳感器、觸覺傳感器和溫度傳感器等、分別用于測量實時抓握力、接觸物體的表面狀態(tài)以及察覺工作環(huán)境的溫度：[證券研究報告]1)多維力矩傳感器價值量較高：多維力矩傳感器是一種能夠同時測量物體在空間方向上線性力和繞軸線的力矩(扭矩)的傳感器，而其中涉及三個力(X、Y、Z)和三個力矩的傳感器，被稱為六維力矩傳感器。根據(jù)感力原件不同，分為應變式、光學式和壓電式傳感器，六維力矩傳感器在人形機器人中價值量占比較高。圖14六維力矩傳感器匯川技術(shù)、未川科技、步科股份、未川科技、大腦32000元復波減違器1500元/個1或行星減速諧波：綠的諧波、豐立智能、雙環(huán)傳動；旋轉(zhuǎn)關節(jié)4230元/組*14108500元熱像頭(500元：3奧普特等芯動聯(lián)科、敏芯股份川科技華伍股份等軸承(交叉璃子軸承150元1+角資觸軸承100元21五洲新春、力星股份、長盛軸承、國機精工3000元寧德時代、億緯鋰能、比亞迪等控制器整動形：300元/個1天方矩電間二120元/個12000元旅柱江修形絲紅(平4均60元/個)北特科技、貝斯特、恒立液壓、五洲新春編菇400元個1奧普光電、匯川技術(shù)、禾川科技線性關節(jié)靈巧手11650元/組*2鳴志電器，江蘇雷利(鼎智科藍油華等錫碼器：400元/6奧普光電，匯川技術(shù)、未川科技軸承(梁球軸承100元1四點核軸承50元五洲新春、力星股份、長盛軸承、國機精工螺蛇蝸杵：50元/個5資料來源：中航證券研究所光學傳感器適用于精微操作。盡管目前應變式、壓電式傳感器在成本上較光學傳感器有較大優(yōu)勢，但光學傳感器的測量精度較高，可以實現(xiàn)較低成本的納米級位移分辨。華力創(chuàng)科學在此基礎上，通過金屬3D打印技術(shù)，首次將多維力傳感器的尺寸微縮至毫米級別，產(chǎn)品在騰訊、強腦科技、速騰聚創(chuàng)等公司得到應用。與此同時，手術(shù)機器人中，使用光學傳感器的末端夾爪，可以實現(xiàn)較好的生物相容性。圖15光基六維力傳感器尺寸最小的六維力傳感器工業(yè)系列大量程·多維力傳感器80KN智能防碰撞裝置智能恒力浮動裝置資料來源：華力創(chuàng)科學，中航證券研究所2)觸覺傳感器是當前市場關心的重要環(huán)節(jié)。柔性觸覺傳感器是電子皮膚中最重要的傳感元件之一，通過接觸獲得物體表面的特性，并將其轉(zhuǎn)化為電信號，反饋到處理中樞，建立機器人與外界交互的感知與負反饋通路。當前觸覺傳感器包括了壓阻式、電容式、壓電式、電磁式以及視觸覺等。壓阻式和電容式是產(chǎn)業(yè)目前應用較為成熟的方案，壓阻式性價比較高，適用范圍較廣，而電容式可以無接觸的情況下進行測量。而其他觸覺傳感器也有自己的優(yōu)勢，比如視觸覺傳感器可以測量物體表面的材質(zhì)以及粗糙程度等信息。對于哪種技術(shù)路線可以主導未來的觸覺傳感器市場，目前產(chǎn)業(yè)內(nèi)也尚無定論，一般會采用多種方案混合的方法來達到客戶需求。傳感技術(shù)調(diào)節(jié)參數(shù)優(yōu)點缺點電容式電容值靈敏度高、空間分辨率高、動態(tài)范圍大存在寄生電容、對噪聲敏感、測量電路復雜壓阻式電阻值頻率響應高、空間分辨率高、噪聲干擾小、易結(jié)構(gòu)化可重復性差、遲滯、功率消耗高、工藝復雜壓電式電荷頻率響應高、靈敏度高、可靠性高、動態(tài)范圍大空間分辨率差、測量電路復雜、僅適用動態(tài)檢測光電式光強度空間分辨率高、無電氣干擾、響應速度快、成本低整體結(jié)構(gòu)缺乏柔性、對彈性體依賴性強磁敏式磁場強度靈敏度高、體積小結(jié)構(gòu)設計復雜、分辨率低超聲式超聲波空間分辨率高、不受電磁干擾布線困難、存在滯后和非線性、易受外部超聲干擾壓阻式傳感器結(jié)構(gòu)較為簡單，制備成本低，是當前最主流的柔性觸覺傳感器類型，其結(jié)構(gòu)一般包含了傳感器的基底層、介電層以及傳感層，其中傳感層的關鍵部件導電電極和傳感材料都是導電材料，除了金屬基材料以外，碳基材料等也有應用的可能，包括了碳納米管、炭黑材料以及石墨烯等。碳納米管具有較高的機械強度、化學穩(wěn)定性和優(yōu)異的導電性，且可以直接沉積在可拉伸的基底上，因此具有較好的商業(yè)加工前景。而炭黑材料在兼顧導電性和穩(wěn)定性的同時，可以實現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)和較低的成本，因此也成為壓阻式傳感器導電材料的重要選擇；圖17壓阻式傳感器結(jié)構(gòu)圖AAB0.475"0.975"Hydraulicfill-tubeNottoscale.electrodeMountingscrewElectrodeleads(notshown)Working資料來源：《智能感知機械手柔性觸覺傳感器的研究》,中航證券研究所傳感器是人形機器人感知世界的最主要的方式——光學六維力矩傳感器具有精度高、敏感度高等優(yōu)勢，而使用金屬3D打印制造傳感器可以實現(xiàn)傳感器微小化，建議關注潛在獲益公司：鉑力特、華曙高科。觸覺傳感器是當前機器人發(fā)展的重要方向，,其導電材料的選擇關乎到電極的靈敏度和穩(wěn)定性，建議關注：①傳感器相關企業(yè)：漢貓股份(導電炭黑)。2.2.2驅(qū)動系統(tǒng)功能材料驅(qū)動或?qū)⒊蔀榉律鷻C器人的重要驅(qū)動方式。驅(qū)動系統(tǒng)是靈巧手的核心部件和動力來源，目前較為成熟的方案包括了電機驅(qū)動、液壓/氣壓驅(qū)動以及功能材料驅(qū)動。其中功能材料驅(qū)動具有較好的靈活性和精度，也更加接近人體，因此仿真機器人大多采用這種方案。我們認為當前機器人向人形方向發(fā)展的目的主要包括適配接口、更易被接受以及文化因素等，因此旨在陪伴用途的人形機器人理應朝著更加仿真的方向發(fā)展。盡管當前仿真機器人仍面對類似恐怖谷效應等問題，就如美劇《西部世界》中機器人的呈現(xiàn)形式一樣，但機器人的仿真化仍然是大部分科學家努力的目標，因此功能材料驅(qū)動或?qū)⒊蔀槲磥淼陌l(fā)展方向。[證券研究報告]SMA(記憶合金)就是這種方案的驅(qū)動系統(tǒng)中的重要材料。SMA是一種堅固的智能材料，可以在溫度和應力下發(fā)生相變，具有獨特的記憶效應，同時易于加工，可以被制造成不同形狀，如線、板、管、帶等。目前最為成熟的記憶合金是Ni-Ti合金，具有更好的熱機械、抗疲勞和生物相容性，目前已經(jīng)有部分科研單位采用記憶合金來制造仿生靈巧手。EAP(電活性聚合物)是一種更加新型的智能材料，在電場的刺激下，電活性聚合物內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，引起薄膜的變形，可以模擬出逼真的肌肉拉伸和舒張的效果，所以又被成為人工肌肉。EAP的核心部件是彈性體，介電彈性體(DE)由于其較強的機電應變、能量密度以及快速響應能力，成為了首選。目前使用到的介電彈性體包括丁腈橡膠、硅橡膠、熱塑性聚氨酯彈性體、丙烯酸酯彈性體等。驅(qū)動系統(tǒng)是機器人運動的核心，我們看好仿生機器人在未來的發(fā)展前景，建議持續(xù)關注仿生機器人中驅(qū)動系統(tǒng)涉及到的新材料和新技術(shù)。SMA合金具有易于加工、 技術(shù)成熟等優(yōu)勢，建議關注具有Ni-Ti記憶合金研發(fā)經(jīng)驗的企業(yè)：西部材料、有研新材；EAP(電活性聚合物)是制造人工肌肉核心材料、建議關注上游彈性體材料：道恩股份、南京聚隆。2.2.3傳動系統(tǒng)傳動系統(tǒng)是機器人的骨骼和肌腱，因此成了傳力、傳動的作用。目前行業(yè)內(nèi)主要的傳動方案包括腱繩結(jié)構(gòu)、絲杠連桿結(jié)構(gòu)和齒輪帶輪混合結(jié)構(gòu)。腱繩結(jié)構(gòu)適合遠距離傳動，有效提高了抓取速度，于此同時，腱繩的彈性也為手指運動提供了更大的靈活性。盡管目前腱繩還存在負載弱、精度低等問題，但已經(jīng)成為當前較為主流的傳動方圖21不同傳動方式特點及缺陷傳動方式特點缺陷腱傳動由腱(鋼絲繩、迪力馬繩等)加上滑輪或者軟管實現(xiàn)傳動。腱一般具有很高的抗拉強度和很輕的重量，容易實現(xiàn)多自由度和遠距離動力傳輸，節(jié)省空間和成本，是一種柔順傳動方式。腱本身的剛度有限，影響位置精度；控制時需要一定的預緊力，容易產(chǎn)生摩擦；腱的布局容易產(chǎn)生力矩和運動的耦合。這些因素都增加了手爪抓取控制的難度和復雜性。連桿傳動采用平面連桿機構(gòu)傳動，剛度好、出力大、負載能力強、加工制造容易、易獲得較高的精度，構(gòu)件之間的接觸可以依靠幾何封閉來實現(xiàn)，能夠較好實現(xiàn)多種運動規(guī)律和運動的軌跡的要求。結(jié)構(gòu)冗雜，笨重，柔性不足，抗沖擊性能較弱，對手內(nèi)空間配置要求較高。齒輪/蝸輪蝸桿傳動驅(qū)動器通過齒輪或蝸輪蝸桿將旋轉(zhuǎn)變成直線運動，拉動驅(qū)動器和手指之間的彈簧來驅(qū)動手指產(chǎn)生動作，手指部分采用金屬連接，各個手指動作相互獨立，具有多種的抓取構(gòu)形，和別的多指靈巧手相比，驅(qū)動更加靈活，但是手指的閉合時間較長。結(jié)構(gòu)冗雜，笨重，柔性不足，抗沖擊性能較弱，對手內(nèi)空間配置要求較高，手指的結(jié)構(gòu)比較復雜，容易出現(xiàn)故障。人工肌肉(液壓/氣動)液壓驅(qū)動和氣動的驅(qū)動方式是近年來興起的一種重要的驅(qū)動方式，是模擬人肌肉的一種驅(qū)動方式。由于材料和技術(shù)的限制，這些“人工肌肉”技術(shù)還遠遠不能滿足機器人手爪實現(xiàn)可靠、快速和精確地抓取功能。資料來源：小米技術(shù)，中航證券研究所腱繩材料方案各有千秋：腱繩方案目前主要以金屬腱繩為主，其主要優(yōu)勢在于加工藝的逐步成熟——其較高的比強度、耐磨性、耐沖擊性能以及較低的密度等特性使得其在自重相對較小的同時又具備了較高的自由度，可以實現(xiàn)強度、重量和磨損壽命的最佳平衡，逐步被產(chǎn)業(yè)界接受，成為當前腱繩材料的潛在方案之一。圖22UHMWPE纖維與金屬腱繩的性能對比性能對比UHMWPE纖維鋼絲繩粗細程度僅為頭發(fā)絲五分之一多股鋼絲捻制比強度比強度是鋼絲繩的8倍以上密度0.97g/cm^3,輕量化優(yōu)勢凸顯7.8g/cm^3耐沖擊性柔性強，吸能優(yōu)勢突出(防彈衣應用)中等耐磨性耐磨性較高中等，需要進行表面改性耐腐蝕性高度耐腐蝕容易受到潮濕環(huán)境影響柔韌性較好，可反復折疊容易形成金屬疲勞絕緣性介電常數(shù)2.3左右，絕緣性好導電性強耐溫性熔點較低耐高溫成本較高，約為鋼絲繩的5-10倍數(shù)資料來源：新材料縱橫、印染學習與交流，如翎防護，中航證券研究所2020靈巧手年份軟管鋼絲+特氟龍涂層合成纖維聚酯纖維鋼絲高分子聚乙烯齒形帶韌帶傳動系統(tǒng)是機器人的骨骼和肌腱，在運動過程中承擔傳力傳動的作用，而腱傳動具有靈活性好，距離長等優(yōu)勢，有望成為靈巧手的重要解決方案，建議關注高分子腱繩方案潛在受益企業(yè)：南山智尚、同益中：金屬腱繩提供商：大業(yè)股份。2.2.4連接器人形機器人技術(shù)面臨硬件層面的挑戰(zhàn)，特別是關節(jié)部件的成本占比高且性能要求嚴格。輕量化設計、高扭矩密度以及有效的冷卻散熱系統(tǒng)是實現(xiàn)高性能人形機器人的關鍵。此外，關節(jié)的壽命也是決定機器人整體壽命的重要因素。據(jù)鈦虎機器人數(shù)據(jù)，就當前機械臂和靈巧手而言，關節(jié)部件的成本占比較高，接近乃至超過60%的比例。關節(jié)本身需滿足多項關鍵參數(shù)要求，如提高扭矩密度以增強爆發(fā)能力，以實現(xiàn)搬運等復雜動作，許多機器人在視頻演示中表現(xiàn)良好，但在實際應用中，往往在持續(xù)工作10至20分鐘后便需暫停一至兩分鐘進行冷卻，這是因為較重的關節(jié)結(jié)構(gòu)在大量運動、反復震蕩及大電流環(huán)境下，容易出現(xiàn)過熱、磨損等問題。因此人們對于材料在減重、耐磨以及耐溫等方面的需求在保持高功率輸出的機器人行業(yè)就顯得格外突出。近年來陶瓷材料其較高的剛度、較強的耐磨性以及較好的耐溫性受到剎車行業(yè)的廣泛關注，與傳統(tǒng)鑄鐵盤相比，陶瓷制動盤尤其是碳陶剎車盤抗熱衰減性能好，重量卻不到鑄鐵盤的一半，因此陶瓷材料在剎車系統(tǒng)中滲透率逐步提高。而剎車盤對材料的要求與機器人關節(jié)極為相似，也帶來陶瓷材料在機器人領域應用的想象空間。與鋼材、鋁材相比，陶瓷材料主要優(yōu)勢在于耐磨性和剛度較高的同時，耐溫性不低。成本盡管相對于傳統(tǒng)的鋼材、鋁材仍有劣勢，但機器人對材料的價格敏感度較低，與此同時產(chǎn)業(yè)落地也會帶來工藝成本和研發(fā)成本的攤薄。未來機器人使用陶瓷材料達到減重、高功率輸入或?qū)⒊蔀榭赡?。材料碳陶材料鋁基碳化硅傳統(tǒng)鋼材鋁合金密度1.8-2.2g/cm32.7-3.0g/cm3耐溫性極高高高中等剛度較好較好好一般耐磨性優(yōu)優(yōu)良較差制造成本中高高低加工周期長中短最短我們認為，陶瓷材料能夠解決機器人關節(jié)的輕量化、散熱快、壽命長等功能痛點。隨著量產(chǎn)工藝的成熟、陶瓷材料有望被應用在更多的機器人場景。建議關注在碳陶材料領域深度布局的金博股份；在鋁基碳化硅材料領域積極研發(fā)的燦勤科技。2.3能源新材料助力人形機器人自人形機器人出現(xiàn)以來，能源和動力就成為困擾行業(yè)的難題，動力方面，使用更加集成化、輸出扭矩更大的電機系統(tǒng)是提高機器人負載的核心方法，稀土永磁材料的使用有望幫助機器人在更小的體積下實現(xiàn)更加高效的輸出；能源方面，機器人的續(xù)航和補能時間的問題阻礙了其商業(yè)化落地，而固態(tài)電池、硅基負極等前沿技術(shù)的成熟有望緩解機器人續(xù)航焦慮，也帶來了相關領域企業(yè)的發(fā)展機遇。2.3.1稀土永磁具備應用確定性稀土永磁電機切入人形機器人應用，下游應用拓展為釹鐵硼磁鋼提供新增量。永磁同步電機為機器人伺服電機中的核心零部件，其主要由定子、轉(zhuǎn)子和端蓋等部件構(gòu)成，定子包括定子鐵芯和定子銅線繞組，轉(zhuǎn)子的核心是永磁磁芯。據(jù)立新電機數(shù)據(jù)顯示，磁性材料為永磁同步電機中第一大材料成本，占比約為30%。由于高性能釹鐵硼永磁材料具備較高的磁能積，且釹鐵硼永磁同步電機相較其他永磁電機體積更小，因此無論在性能還是工作效率方面都是永磁同步電機中的最優(yōu)選。人形機器人中的伺服電機也將采用釹鐵硼永磁同步電機方案，釹鐵硼永磁材料也因此切入嶄新的應用領2222[證券研究報告]資料來源：立新電機，中航證券研究所釹鐵硼永磁材料生產(chǎn)企業(yè)與客戶合作研發(fā)磁組件，產(chǎn)業(yè)力永磁公告，磁組件為磁性材料(釹鐵硼等)與金屬、非金屬等材料通過粘接、注塑等工藝裝配而成的組合件，其價值量和盈利性相較釹鐵硼磁鋼產(chǎn)品更高。金力永磁于2023年下半年公告擬投資建設“墨西哥新建年產(chǎn)100萬臺/套磁組件生產(chǎn)線項目”,該項目的建設投產(chǎn)有助于滿足公司客戶在人形機器人領域磁組件的非標準化訂單需求，未來人形機器人產(chǎn)業(yè)化提速將為釹鐵硼磁材提供需求增長機遇。據(jù)中科三環(huán)2024年年報披露，每臺Optimus人形機器人中含有28個無框電機、34個空心杯電機，其中高性能釹鐵硼用量可達到4.5kg,若以年產(chǎn)100萬臺Optimus計算，新增的釹鐵硼磁鋼年化需求達4500噸。2025年被普遍視為人形機器人產(chǎn)業(yè)的“商業(yè)化元年”,國內(nèi)外企業(yè)加速布局，逐步從實驗室研發(fā)轉(zhuǎn)向規(guī)?；慨a(chǎn)，國內(nèi)企業(yè)如宇樹科技、優(yōu)必選等已在多場景展示技術(shù)成熟度，同時政策指明特種服務、制造業(yè)、民生三大示范場景，未來機器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展機遇可期。基于我國釹鐵硼永磁材料占據(jù)全球大部分產(chǎn)量，具備較大的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，在國內(nèi)外人形機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提速下，釹鐵硼永磁材料有望因需求端拓展而迎來價值重估。建議關注具備規(guī)?；芰Φ拟S鐵硼磁圖26特斯拉Optimus機器人參數(shù)擁有28擁有11個2.3.2電池性能把握商業(yè)化命脈人形機器人在工作中須脫離電源線，續(xù)航和補能焦慮或?qū)⒊蔀橹萍s人形機器人推廣的核心要素，因此機器人的電池續(xù)航時間成為了需要攻克的重難點。根據(jù)京東上線的宇樹機器人資料顯示，其續(xù)航時間為2~4小時；特斯拉人形機器人Optimus則采用了2.3千瓦時的鋰電池。由于人形機器人在快速運動和高負載過程中電池的損耗較大，以目前鋰離子電池的能量密度、續(xù)航能力和補能時間遠遠無法達到未來對人形機器人的工作要求。目前業(yè)內(nèi)普遍認為高能量密度、高安全性能的固態(tài)電池是推動人形機器人電動化的關鍵因素之一。與傳統(tǒng)的鋰離子電池相比，固態(tài)電池用固態(tài)電解質(zhì)替代了傳統(tǒng)鋰電池的電解液和隔膜，并具備高能量密度、長循環(huán)壽命和良好的安全性能等優(yōu)勢，且體積更小，充電效率更高，目前已在新能源汽車、儲能系統(tǒng)等領域展現(xiàn)出了巨大的應用潛力。若未來固態(tài)電池實現(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)，人形機器人的續(xù)航難題也迎刃而解，人形機器人的商業(yè)化也將具備更高的價值和更大的潛力。2424TeslaSOCWi-Fi,LTE資料來源：Tesla,中航證券研究所固態(tài)電池尚處于產(chǎn)業(yè)大規(guī)模應用前期，未來有望具備指數(shù)級增量空間。根據(jù)中研網(wǎng)資訊，2023年，全球固態(tài)電池出貨量約為1GWh,主要以半固態(tài)電池為主。預計到2030年，全球固態(tài)電池出貨量將增長至614.1GWh,市場規(guī)模有望超過2500億元。型，每種路線都有其獨特的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)。當前以氧化物+聚合物復合為代表的半固態(tài)路線為主流方案，已在蔚來ET7、智己L6等新能源車型上得到應用，而以硫化物為代表的全固態(tài)路線尚未得到鋪開應用。根據(jù)當前固態(tài)電池技術(shù)的推進進程，半固態(tài)電池作為過渡方案，將在短期內(nèi)主導市場，而全固態(tài)電池作為明日之星，許多電池大廠已開始提前深度布局，但目前由于成本高、技術(shù)瓶頸仍存等問題而尚未實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化，行業(yè)內(nèi)普遍認為固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化時間將集中在2027年至2030年。圖28蔚來發(fā)布的150度半固態(tài)電池資料來源：蔚來，中航證券研究所資料來源：智己，中航證券研究所固態(tài)電解質(zhì)選材路線主要圍繞氧化物、聚合物、鹵化物、硫化物展開。對工業(yè)化需求而言，固態(tài)電解質(zhì)需具備高離子電導率、寬電化學窗口、良好的加工性以及低的原材料和制造成本。預計未來固態(tài)電池的技術(shù)發(fā)展將延續(xù)“梯次滲透”的過程：氧化物+聚合物復合的半固態(tài)電池目前產(chǎn)業(yè)化進展較快，其主要優(yōu)勢包括能量密度提升、安全性能提升、兼容傳統(tǒng)鋰電池工藝等優(yōu)點，目前已得到部分車型的應用，但其因固態(tài)電解質(zhì)材料和工藝調(diào)整導致生產(chǎn)成本仍然相較液態(tài)電池更高；鹵化物全固態(tài)電池當前處于實驗室驗證和初步產(chǎn)業(yè)化探索期，其未來潛在應用場景集中在高能量密度需求領域。鹵化物全固態(tài)電池為鋯基電解質(zhì)為核心發(fā)展方向，其主要優(yōu)勢是具備相對低的成本、高電導率與化學穩(wěn)定性以及較高的安全性，但該路線距離成熟化仍需突破關鍵材料穩(wěn)定性(如空氣敏感性問題)、界面設計優(yōu)化 (固固接觸阻抗)及器件工藝成熟度等瓶頸；硫化物全固態(tài)電池的研發(fā)和應用任重道遠，硫化物固態(tài)電解質(zhì)因其高離子傳導率和良好的熱穩(wěn)定性，成為了全固態(tài)電池技術(shù)的重要發(fā)展方向。該路線的主要優(yōu)勢是能量密度高、高離子電導率、寬電化學窗口、高安全性等，但其發(fā)展仍然受到當前中國、日韓、歐美等主要經(jīng)濟體均出臺了相關規(guī)劃和政策，以推動全固態(tài)電池發(fā)展，但仍有許多難題需要攻克。針對后續(xù)固態(tài)電池技術(shù)的發(fā)展要點，我們將從正負極材料應用角度對潛在的行業(yè)發(fā)展機遇進行梳理。圖30液態(tài)、半固態(tài)、全固態(tài)電池發(fā)展路徑凝膠半固態(tài)準固態(tài)全固態(tài)預鋰化負極富鋰負極300Wh/Kg350Wh/Kg400Wh/Kg500Wh/Kg能量密度液態(tài)石墨負極250Wh/Kg25wt%資料來源：深圳市電池行業(yè)協(xié)會，中航證券研究所當前固態(tài)電池正極材料主要集中在高鎳三元、鎳錳酸鋰、富鋰錳基等路線，富鋰錳基被業(yè)內(nèi)認為是最理想的固態(tài)電池正極材料。正極材料是固態(tài)電池中儲存正電荷和參與電化學反應的關鍵部分，固態(tài)電池的正極材料相較于傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池變化較小，材料體系可繼續(xù)沿用，關鍵則在于向著高比能、高能量密度的方向進行革新。據(jù)高工鋰電資訊，高鎳三元、鎳錳酸鋰、富鋰錳基三大路線對比如下：1)在追求高性能的背景下，高鎳三元正極朝著9系超高鎳的方向發(fā)展，采用9系高鎳三元克容量發(fā)揮最高有望達到215mAh/g左右，配石墨負極其平均電壓將達到3.62V左右；2)通過向錳酸鋰中摻入少量過渡金屬離子，形成的鎳錳酸鋰具有147mAh/g的理論容量和4.7V的電壓平臺，但循環(huán)性能上具備明顯劣勢；3)富鋰錳基在高電壓和高放電比容量方面具備先天優(yōu)勢，其正極理論容量可達320mAh/g,電壓平臺為3.7—4.6V,均顯著高于正極材料，被業(yè)內(nèi)一致但正極材料在技術(shù)發(fā)展中仍面臨諸多挑戰(zhàn)，正極材料與固態(tài)電解質(zhì)之間的固固界面接觸不充分會導致在充放電過程中電荷阻抗升高，影響電池性能。包覆、噴涂等技術(shù)可改善界面問題，但復雜的操作和高昂的生產(chǎn)成本會阻礙全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化。正極材料理論克容量成本電壓平臺高鎳三元較高鎳錳酸鋰中等富鋰錳基較低固態(tài)電池負極材料技術(shù)路線多樣，主要包括金屬鋰、硅基、石墨、合金材料等。負極材料是固態(tài)電池中儲存負電荷和參與電化學反應的重要部分，材料的比容量直接決定了電池的能量密度。從材料性能來看，金屬鋰因具有極高的理論比容量 (3860mAh/g)、低電化學勢(-3.04V,相對于標準氫電極)和較小的密度 (0.534g/cm3),因此采用鋰作為負極具有最高的整體比能量密度，金屬鋰也因此被認為是下一代高比能和可充電電池的理想負極材料。然而，鋰金屬的高活性和其表面鈍化層的鋰離子擴散能壘較高，會促使其與固態(tài)電解質(zhì)形成鋰枝晶，枝晶會引發(fā)短路并造成電池失效，存在安全隱患。研究人員需要充分了解固態(tài)枝晶形成與生長的機理，通過界面改性、電解質(zhì)優(yōu)化(如硫化物電解質(zhì))等方式來抑制鋰枝晶，同時匹配高電壓正極材料。因此，鋰金屬負極雖然成本較低、能量密度較高，但由于存在鋰枝晶反應等難點，導致其在固態(tài)電池中的成熟應用還尚需時日。第一階段第一階段SEI的形成高Li'傳導通路鋰在電解液中不均勻的SEI膜第二階段鋰枝晶的成核第三階段刺破SEI膜生長鋰枝晶的生長晶須狀鋰枝晶苔蘚狀鋰枝晶樹狀鋰枝晶硅基負極材料有望在固態(tài)電池技術(shù)發(fā)展下率先得到落地應用。根據(jù)劉琦等人的《鋰離子電池負極材料技術(shù)進展》,硅具有4200mAh/g的理論比容量，與金屬鋰的理論比容量3860mAh/g接近，兩者均遠高于石墨產(chǎn)品的比容量360mAh/g。目前負極材料市場以石墨負極為主流，但已接近材料的性能極限，在鋰金屬負極全固態(tài)電池到來之前，硅基負極應具備高比容量和優(yōu)異快充性能等優(yōu)勢，是為數(shù)不多能大幅提升能量密度的解決方案，成為了下一代有可能大規(guī)模應用的新型負極材料。根據(jù)分散基體的不同，未來最有希望實現(xiàn)較大規(guī)模應用的新一代高容量硅基負極材料主要有“硅碳復合負極材料”、“硅氧復合負極材料”及“硅基金屬負極材料”三大類：1)硅碳復合負極材料的優(yōu)勢在于克容量高、首次充放電效率高，但大批量產(chǎn)品良率低、循環(huán)壽命低、電極膨脹率較高，可通過硅的納米化來降低膨脹破碎風險和提高循環(huán)壽命；2)硅氧復合負極材料的優(yōu)勢在于循環(huán)壽命和倍率性能好，但首次效率低，需通過預鋰化等技術(shù)提高首效處理；3)硅基金屬負極材料雖具備較高的體積能量密度，但因其工藝難度高、生產(chǎn)成本高，且首次充放電效率較低，所以目前尚未大規(guī)模使用。綜上，當前硅氧負極和硅碳負極兩種技術(shù)路線為并存狀態(tài)，未來具備較大落地應用前景。但硅基負極距離大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應用仍存在一些挑戰(zhàn)，包括體積膨脹