固态电池专题研究：产业链初步成形产业化稳步推进

行业研究行业研究/新能源/证券研究报告可从300Wh/kg提升至500Wh/kg，大幅增强续航能力。安全性方面，相关个股：上海洗霸，赣锋锂业，当升科技和Quantumu固态电池技术研发进展不及预期；技术路线挖掘价值投资成长东方财富证券研究所相对指数表现相关研究敬请阅读本报告正文后各项声明2 4 4 7 8 82.2.负极 2.3.正极 4 5 6 7 8 8 9 9 9 敬请阅读本报告正文后各项声明3 敬请阅读本报告正文后各项声明下旬到2月中旬东方锆业、上海洗霸、金龙羽、QuantumScape的涨幅分别为43.59%/82.48%/60.26%/24.83%；相对于沪深300指数的超额收益分别为10.07%/10.83%/11.27%/24.24%，相对于沪深300指数的超额收益分别为10.12%/10.88%/11.32%/24.29图表1：2023年1月至7月固态电池相关标的股价表现企宣布加速布局固态电池。东风汽车表示，目前正在研发的第二代固态电池，长安深蓝也表示，开始加速半固态电池研发，目前已经进入工程化研发阶段，中国科学技术大学设计并合成了新型固态电解质氧氯化锆锂，在具备极强成本优势的同时，氧氯化锆锂的综合性能与目前最先进的硫化物、氯化物固态电解敬请阅读本报告正文后各项声明5池、固态电池等新型储能关键技术突破。总体看，固态电池行情启动前，行业层面有一些进展，但是并未有看到重大的技术突破。池这一新技术方向。上述公司均与固态电池产业链相关，东方锆业生产的二氧化锆是固态电解质钽掺杂锂镧锆氧（英文简称LLZTO）的主要原材料之一，上海洗霸生产固态电池电解质粉体，金龙羽研发生产氧化物固态电解质及硅碳负的钙钛矿相关标的同样表现强劲，例如万润股份、京山轻机以及隆华科技均大幅上涨。而在产业层面，固态电池或者钙钛矿电池并未有见到突破性的进展，和短期偏好而带来的投资机会。虽然上涨时间不长，但这是固态电池首次作为建立了固态电池板块概念的在二级市场的认知。图表2：2023年1月至7月钙钛矿相关标的表现敬请阅读本报告正文后各项声明6复盘来看，人形机器人第一波的行情更多的其实是市场建立机器人概念认知的力打开了想象空间，高阶功能的Optimus则显属于相关概念第一次被市场认知和熟悉的阶段，产业层面仍有很多待解决的问题。因此，我们也可以合理推测，固态电池或者钙钛矿电池下一次行情的启动图表3：2022年4月至2023年3月人形机器人相关标的表现敬请阅读本报告正文后各项声明7对新能源储能和智能电网等的需求，市场迫切需要支持发展高安全性、长寿命和高比能量的化学储能技术。例如高能量密度的电池可以提升新能源汽车的续航能力；高安全性可以消除消费者相关顾虑，增强产品市场竞争力；工作温度范围广的电池可以适应更复杂的气候条件从而扩展市场需求。固态电池可以充分满足这些需求，发展前景广阔。图表4：电池应用的性能要求及固态电池可能的解决思路采用高能量密度嵌入化合物、硫基、空气等作为正极正负极均有较小体积膨胀，保持界面接触的机制，例如宽温区工作（-70～150℃)不易粉化的金属锂复合电极，无易氧化、易含有柔韧性物质或者系统减震通过提升能量密度与寿命降低成本、原材料易于制备、极片资料来源：李泓《固态锂电池研发愿景和策略》储极材料体系也会发生改变。对于负极而言，可以不必使用嵌锂的石墨负极，而是直接使用金属锂来做负极，这样可以明显减轻负极材料的用量，使得整个电池的能量密度有明显提高。对于正极而言，固态电解质大多数拥有较宽的电化学窗口，可以兼容更多高电压正极材料（高镍正极，富锂锰基正极等）从而提高能量密度。液态电池由于锂枝晶的存在增加了电极比表面积，比表面积的增大将会增大副反应程度，不断地消耗电解质中锂离子，降低了库伦效率。固态电解质可以抑制锂枝晶生长解决此问题。此外固体电解质耐热性高于有机溶剂敬请阅读本报告正文后各项声明8图表5：不同类型锂电池的能量密度400-500资料来源：王长虹《下一代能源储存技术——固态电池》Engineerin晶生长问题。锂片表面平整度不一、锂离子质量浓度差等原因造成锂金属负极表面的电流密度分布不均匀，使得锂离子容易在电流密度高的地方还原成锂金属，形成成核位点引导锂枝晶生长。树枝状的锂枝晶会刺穿电池隔膜，引发电池短路失效，从而导致锂电池发生热失控和爆炸。由于固态电池中的固态电解不易燃的特点，降低了锂枝晶的危害程度。图表6：LiMn2O4/Li电池首次充电后在阳极表面形成锂枝晶示意图资料来源：黄义雄《锂金属电池负极枝晶生长特性研究》大连理工态电池的液态电解质已经不能兼容更高能量密度的负极材料例如金属锂与更高敬请阅读本报告正文后各项声明9图表7：金属锂负极在液态电池中的问题、后果以及影响资料来源：李泓《固态锂电池研发愿景和策略》储图表8：SEI膜增厚过程资料来源：陈昱锜《固态锂电池用金属锂负极的合物电解质。氧化物电解质材料具有安全性能高、稳定性良好、成本低廉、环解质和钙钛矿结构氧化物电解质。硫化物固体电解质在室温下具有较高的离子的主要原料为硫化锂与硫化磷。相较于无机固体电解质，溶解锂盐的固体聚合图表9：固态电解质对比情况Perovskite：Li0.33La0.2（PO4）3，敬请阅读本报告正文后各项声明10氧化电压低4V）资料来源：田桂丽《固态锂电池发展现状与技术进展》化学工业2.2.负极业化应用的锂离子电池，负极材料主要采用石墨，其比容量仅有372mAh/g，由于锂金属负极的安全性问题仍没有解决，目前的发展趋势以硅基材料为主，即硅基负极率先应用在半固态/准固态电池上，全固态电池向锂金属负极过渡。4200低低高资料来源：张传韬《锂离子电池硅碳/石墨复合负极材料体系开发及电化学性能研究》南昌大学硕士论文2022图表11：硅碳材料与硅氧材料对比情况来的界面问题对于电池性能的影响都至关重要。固态电池负极，电极与电解质温烧结之后的陶瓷片表面含有Li2CO3杂质层，对熔融磨法将Li2CO3杂质打磨掉，露出纯相L敬请阅读本报告正文后各项声明11润熔融锂的性质，将一片特定形状的泡沫铜氧化后置于陶瓷片上，熔融锂会沿图表12：LLZO对熔融锂的接触角测试资料来源：程向《基于金属锂负极的固态电池研究》图表13：处理过的泡沫铜对熔融锂浸润性的影响资料来源：程向《基于金属锂负极的固态电池研究》活能，能够有效的降低电解质和锂金属的界面反应，促进锂金属的均匀沉积，层的存在密切的关系。敬请阅读本报告正文后各项声明12图表14：人工SEI保护层形成过程模拟资料来源：张德超《聚合物复合固态电解质的性能优化及其锂金属电池界面稳定性调控》华图表15：SEI对均匀的Li沉积促进作用对比图（左：有SEI的情况右：无SEI的情况）资料来源：张德超《聚合物复合固态电解质的性能优化及其锂金属电池界面稳定性调控》华南钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、磷酸铁锂、三元正极材料。长期来看，为了追求更高的能量密度以及工作电位，高镍层状氧化物以及富锂锰基正极材料将是发展料。其由锂、钴、镍、锰、铁等元素组成，从结构上看，富锂锰基材料含有层状Li2MnO3和LiMnO2两种组分。在长期恶劣的工作环境下保持结构稳定性是实现高性能富锂锰基正极材料的关键策略。此外，必须抑制氧损失，并防止元素分离，同时尽量减少结构缺陷的出现，如纳米孔、裂纹、位错等。图表16：正极材料对比情况低高敬请阅读本报告正文后各项声明13粒为刚性接触，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,或应力积累造成电解质力学性能失效,进而导致电池电化学性能的衰减。目前在固态电池中常用的正极材料随着电池充电/放电的进行都存在明显的体图表17：层状材料结构资料来源：谢博文《富锂锰基正极材料的制备及其改性研究》为了解决体积效应，需要施加外部压力增加各种成分间的接触。此外具有更高延展性的固态电解质也可在一定程度上适应电极的可逆体积变化,降图表18：正极材料充放电过程中体积变化资料来源：张安邦《固态电池中的正极/电解质界面性质研图表19：LiCoO2/Li10GeP2S12/In电池在充电前后的截面X射线断层成像资料来源：张安邦《固态电池中的正极/电解质界面性质敬请阅读本报告正文后各项声明14的实际障碍。同时,简单的机械搅拌虽然不能提供理想的保护层,但同样可以在一定程度上改善界面的稳定性,而且该方法制备简单、成本低廉,是界面改性的图表20：电解质/正极界面修饰改性方法0.6Co0.2Mn0.2O2资料来源：张安邦《固态电池中的正极/电解质界面性质研不同车企布局固态电池的方式存在差异，目前的主要形式包括自己研发和对外投资两种。车企自研固态电池的代表性企业主要包括丰田、本田、日产等日本企业；欧洲及美国车企则通过投资头部初创企业的方式来进行相关业务布局；欧美方面，欧洲及美国车企则通过投资头部初创企业的方式来进行相关业公司QuantumScape1亿美元，并开展合作，2敬请阅读本报告正文后各项声明152021年12月，戴姆勒和Stellantis表示将对初创企业开展了战略合作；赣锋锂业已经开发出长续航纯电动汽车应用的高安全高比能固液混合动力锂电池；宁德时代发布半固态电池——凝聚态电池，单池之外，国内暂未有其他车企给出固态电池商业化的明确时间节点。跨国车企图表21：日产公布的固态电池生产设备图表22：清陶能源固态电解质膜卷对卷连续生产图我国近几年不断推出政策鼓励固态电池行业发展与创新，助力其产业化。完整准确全面贯彻发展理念做好碳达峰中和工作的意见》等产业政策为固态电敬请阅读本报告正文后各项声明16图表23：中国固态电池行业相关政策企业应依据相关国家、行业标准，以及新能源汽车生产企业等提供的动力蓄电池拆卸、拆解及历史数据等技术信息，遵坚持电动化、网联化、智能化发展方向，深入实施发展新能源汽车国家战略，以融合创新为重点，突破关键核心技术，优化产业发展环境，推动我国新能源汽车产业高质量可持续构建现代能源体系。推进能源革命，建设清洁低碳、安全高效的能源体系，提高能源供给保障能力。加快发展非化石能源，坚持集中式和分布式并举，大力提升风电、光伏发电规模，加快发展东中部分布式能源，有序发展海上风电，加快西南水电基地建设，安全稳妥推动沿海核电建设，建设一批多能互补的清洁能源基地，非化石能源占能源消费总量比重规范新型储能项目管理，推动新型储能积极稳妥健康有序发社会发展全面绿色转型取得显著成效，重点耗能行业能源利经济体系和清洁低碳安全高效的能源体系全面建立，能源利用效率达到国际先进水平，非化石能源消费比重达到80%以《方案》强调，要坚持“总体部署、分类施策，重点突破，双轮驱动、两手发力，稳妥有序、安全降碳”的工作原则，强化顶层设计和各方统筹，加强政策的系统性、协同性，更好发挥政府作用，充分发挥市场机制作用，坚持先立后破，以保障国家能源安全和经济发展为底线，推动能确保安全降碳。《方案》提出了非化石能源消费比重、能源局开发安全经济的新型储能电池，加强新型储能电池产业化技术攻关，推进先进储能技术及产品规模化应用，加快研发固敬请阅读本报告正文后各项声明17位已开始对固态电池进行研发。尽管目前我国固态电池行业正处于起步阶段，图表24：预计2023-2030年固态电池市场空间图表25：预计2023-2030年固态电池出货量020222023E2024E2025E20020222023E2024E20资料来源：中商产业研究院，东方财富证券研究所资料来源：中商产业研究院，东方财富证券研究所化物电解质空气稳定性差，当其暴露于空气中就会产生有毒气体，同时伴随着电解质结构的破坏和电化学性能的衰减，硫化物电解质的合成、储存、运输和后处理过程需要严重依赖惰性气体或干燥室。聚合物电解质在室温条件下，离子电导率较低，使得聚合物固态电池充电需要在高温环境下完成，极大地限制了其商业化。大多数氧化物电解质具有较宽的电化学稳定“窗口”和更好的氧化稳定性，但为了保证刚性氧化物电解质与阴极材料的界面良好接触，往往需要高温烧结，否则会导致严重的界面化学副反应。此外，有些氧化物电解质还硅基材料中的硅氧材料的导电性差以及在循环过程中体积变化剧烈等问题以及纳米化硅材料制备时的合成步骤通常较为复杂，难以进行商业化应用。金属锂负极仍未能解决安全性问题。富锂锰基材料在高电压状态下氧的不可逆释放，以及氧释放导致的层状结构向尖晶石结构的转变敬请阅读本报告正文后各项声明18成本增加约80%。其中，固态电解质成本是主要新增成本，也是半固态电池中质材料变化、生产工艺改变、产品质量控制经验不足导致的工程验证周期长等图表26：部分电解质单价资料来源：汽车公社百家号，钜大锂电官网，由于上游原材料需求改变、生产制造工艺改变、电极和电解质相关技术需要重近年来各企业优化材料、提高电池的设计和工程能力、不断推出新产品，固态电池产业化进程加速。相关企业有赣锋锂业、清陶能源、卫蓝新能源、国轩高科、孚能科技、辉能科技、QuantumScape、天目先导、当升科技。锂”和“回收提锂”产业化技术;锂化合物、金属锂产能充足,在海内外设有多处生产基地;拥有完整的电池制造及回收技术,为电池生产商及电动汽车生产商图表27：赣锋锂业发展历程敬请阅读本报告正文后各项声明19收购广东汇创新能源有限公司；设立四川赣锋锂业有限公司、丰城赣锋锂业有限公司；赣锋锂电引入战略投资，首批搭载赣锋固态电池电动公司积极参与全球前沿固态电池领域的技术成果，包括自主开发的长续航纯电动汽车应用的高安全高比能固液混合动力锂电池。公司联合上游电池材料、生产设备供应厂商，下游新能源汽车厂商以及高等院校开展联合技术攻关，实现高比能固液混合锂动力电池的开发、装车应用及产业化目标。同时，公司在高安全长循环新型磷酸铁锂电池体系技术、主动均衡BMS模组技术、高电压平台聚合物快充技术、TWS蓝牙耳机专用高容量图表28：赣锋锂业混合固液锂离子电池及动力电池图表29：赣锋锂业固态锂电池模组资料来源：公司官网，东方财富证券研究所为赣锋锂电最重要的电池业务之一。在产能建电池科技产业园项目也迎来开工，公司希望将其打造为全国最大的固态电池生产基地。新余动力电池二期年产10GWh新型锂电池项目在建项目亦在规划进一敬请阅读本报告正文后各项声明图表30：赣锋锂业产业进展资料来源：公司公告，全国能源信息平台百家号，东方财富证券研究所大学教授南策文团队领衔创办。公司是全球固态锂电池产业化的领图表31：清陶能源发展历程清陶总部——清陶（昆山）能源发展有限公司在江苏昆山正式开业，并与昆山开发区清陶昆山总部固态锂电池二期项目开工建设；宜春清陶固态锂电池项目开工建设；清陶发布四类固态锂电池新产品；清陶新能源顺利通敬请阅读本报告正文后各项声明图表32：清陶能源部分固态电池相关专利公开号公开日期图表33：清陶能源乘用车pack固态电池图表34：清陶能源通信电子类固态电池资料来源：公司官网，东方财富证券研究所资料来源：公司官网，东方自动化装备—锂电池资源综合利用—科研成果孵化—产业投资”的完整产业生电池研发与生产、拥有系列核心专利与技术的国家高新技术企业，由中国工程院院士陈立泉、中科院物理所研究员李泓、原北汽新能源总工俞会根共同发起创办，是中国科学院物理研究所清洁能源实验室固态电池技术的唯一产业化平敬请阅读本报告正文后各项声明图表35：卫蓝新能源发展历程子公司江苏卫蓝新能源电池有限公司、溧阳先导固态锂离子电芯与固态电池模组，通过原始创新突破现有技术瓶颈，应用覆盖新能图表36：卫蓝新能源30Ah固态锂离子电芯图表37：卫蓝新能源13S固态锂离子电池包资料来源：公司官网，东方财富证券研究所资料来源：公司官网，东方财富证券研究所料及电芯、三元材料及电芯、动力电池组、电池管理系统及储能型电池组。产敬请阅读本报告正文后各项声明品广泛应用于纯电动乘用车、商用车、专用车、轻型车等新能源汽车领域，同图表38：国轩高科发展历程国轩高科与上海电气签订合作协议，共同投资成立合资公司，发力储能领域；国轩高科牵头承担的项目“高比能量动力锂离子电池的研发与集成应用”取得池系统整体技术方案的提供商，也是高性能动力电池系统的生产商。公司自成立以来一直专注于新能源车用锂离子动力电池及整车电池系统的研发、生产和销售，并为新能源汽车整车企业提供动力电池整体解决方案，目前已成为全球图表39：孚能科技电芯产品图表40：孚能科技电池包产品资料来源：孚能科技招股说明书，东方财富证券研究所资料来源：孚能科技招股说明书，东方财富证券研究所敬请阅读本报告正文后各项声明公司已实现半固态电池量产。第一代半固态电池的量产，提高了电池的安全性，使电池产品同时实现了高安全、高能量密度、快速充电和长循环；在保证产品安全性和高能量密度前提下，产品充电时间由之前的42min缩短家能源创新公司。公司专注于固态电池的研究、开发和制造，为消费市场的电图表41：辉能科技氧化物电解质固态电池示意图图表42：辉能科技大型锂陶瓷固态电池(LLCB)资料来源：公司官网，东方财富证券研究所资料来源：公司官网，东方财富证券研究所展的制造工艺,以将其电池技术商业化并用于汽车行业。通过“无阳极”设计,QuantumScape固态锂金属电池的设计并提供更快的充电时间和更长的循环寿命。图表43：QuantumScape固态电池敬请阅读本报告正文后各项声明极材料的开发和早期专利布局，经过二十多年持续科研积累，攻克了一系列技图表44：天目先导发展历程在国际上较先对纳米基负极材料开展了基础研究，深化关键科学与技术问题溧阳天目先导电池材料科技有限公司成立，致力图表45：天目先导纳米硅碳复合负极材料立志成为全球范围内具备强大核心竞争力、拥有自主知识产权和持续创新能力敬请阅读本报告正文后各项声明图表46：天目先导部分固态电池相关专利公开号公开日期钠-锂复合固态电解质隔膜、制备方法及钠-锂复合电池别在河南许昌、四川成都积极布局新一代硅基负极材料生产基地。公司目前实上市的中国企业。公司正极材料产品广泛应用于动力、小型、储能三图表47：当升科技发展历程域加强了战略布局，产品已实现装车。公司已率先与清业内领先电池供应商签署战略合作协议，并实现固态锂电产品的市场化应用和电正极材料产品供货、全球产能布局、金融及资本合作等方面建立战略合作伙敬请阅读本报告正文后各项声