2024固态电池行业产业现状产业链相关公司及市场预测分析报告

2023年深度行业分析研究报告 1 6 8 11 16 23 26负极、电解液和隔膜四大关键要素组成。固态电池使用固态电解质替换传统液态电解质。在锂离子从正极到负极再到正极的来回移动过程中，电池的充放电过程便完成池的工作原理与之相通，充电时正极中的锂离子从活性物质的晶格中脱嵌，通过固态电解质向负极迁移，采用固态电解质代替液体电解质，有望使用更高比容量的正、负极材料，同时可彻底解决电池问题，是获得高能量密度、安全性和长循环寿命的全固态锂电池的根本途径。因此固态电池将会是2、固态电池的优势固态电池在离子电导率、能量密度、耐高压、耐高温、循环寿命等各项指标均优于液态电池统液态锂电池无法兼顾的高能量密度和高安全特性，成为电动汽车的理想电池。固态电池的液态锂电池易受热失控。过度充电、撞击、短路、泡水等因素90°C时负极表面SEI膜开始分解，嵌锂碳直接暴露相对液态锂电池，固态电池则具有五大安全特性。1）固态电解质具有高机械强度，可抑制锂枝晶生长，传统液态电池的能量密度已经接近350W），容量遵循木桶效应，受限于正负极中较低的一极。目前固态电池中，基负极理论比容量为4200mA·h/g，锂金属负极理论比容量为3860mA·h/g，都显著极材料成为锂离子电池性能进一步提升的主要瓶颈。而全固态电解质不仅能够兼容上述高比料与常规正极材料体系，还可匹配高比容量的传统液态电池工作温度范围较小。在低温条件下，液电极界面阻抗和电荷转移阻抗增大、锂离子迁移速率降低等原因导致性能下降。此外液态电池传统液态电池需要使用隔膜和电解液，二者占据了电池中近40%的体积和25%的质量。固态电池使用固态电解质取代液态电池的隔膜和电解液，正负极之间的距离可以缩短到随着液态电解质含量逐步下降，固态电池的发展目前在全球范围内，全固态电池主要处于研发和试制阶段材料技术、制备技术还不够成熟，生产成本过高。行业普遍认为全固态电池距离大规模产业化至的是固液混合电解质，电池中电解液的含量占比在5-10%之间，增加涂覆而相比于传统液态锂电池，半固态电池在性能上有了大幅提升，其优点包括安全性较好、能量密度较高、向全固态电池转型的过渡技术。2023年已有多家企业进行半固态电池的产能建设，半技术路线主要由不同的固态电解质进行区分。根据固态电解质的分类，固态电解质主要有三大技术路线：聚合物电解质、氧化物电解质、硫化物电解质。其中，聚合物电解质属于有机电解质，氧化物理想的固态电解质材料应该拥有高离子电导率，对锂金属具有化学和电化学稳定性，枝晶产生，制造成本较低，无需使用稀有金属等特点。但目前三大技术路线各有优缺点，未足以上要求的，在技术突破上仍存在一定的难度。总的来说，硫化物电解质在全固态法适用于高电压的正极材料，在高温下也会发生起火燃烧的现象3）电化学窗口窄，电位差太大时（>4V）电解质易被电解，使得聚合物的性能上限氧化物电解质：其优点在于具有较好的导电性和稳定性，离子电导率比1000℃,机械稳定性和电化学稳定性都较好。其缺点包括1）相对于硫化物，其离子硬，导致固态电池存在刚性界面接触问题，在简单的室温冷压情况下，电池的孔隙率非常高），优异，在全固态电池中发展潜力最大。其缺点包括1）界面不稳定，容易与正负极材料发生副反应，化物容易与空气中的水、氧气反应产生硫化其中，聚合物电解质发展最为迅速，技术较成熟，最早推进商业化应用，已实现小规模量导率低等缺点，性能上限较低，到目前也并未大面积铺开。氧化物电解质各方面的性能表现较目前进展较快。硫化物电解质的电导率较高，性能表现最优异，最适用于电动车，商业化究难度也大，如何保持较高稳定性有待解决。对固态电解质的关键问题实现技术突破，将有望加速1、技术难点及解决思路体系失控失效机制为固态电池发展面临的核心科学问题，解决这些问题是创制解质的综合表现不佳，如聚合物电解质易加工、生产难度低，但是离子电导率不高，影响充放电解决思路：复合电解质融合多种材料优势。两种材料的优势。聚合物/聚合物复合电解质材料，可制备性更强，机械强度与离子电导率均有所提高，对于聚合物/无机物（氧化物/硫化物）复合电解质材料，其结合了聚合物与氧化物/硫化物的特性度的关键，固态电解质中的离子输运性能由离子在体相、表界面中的输运过程共同决定。相比质，固态电解质离子间相互作用力强，离子迁移机固态电解质也不能完全阻止锂枝晶在固态电解质中渗透，锂枝晶仍是阻碍全固态电池实际应用的因素。如氧化物固态电解质剪切模量为锂金属剪切模量与电解质界面处高接触电阻的阻碍。高阻抗增加了过电位，导致容量衰减和能量密度降低。抗主要来源于以下几个方面：1）固态电解质与负极的界面问题；2）固态电解质与复合正极的界面问题；复合正极。负极方面，通过采用体积变化更小的Li合金作为负极，缓解负极膨胀问题，宏观界面问题，选择稳定性更高的固态电解质，以减少界面之间副反应的发生，在复合正极的微观界面，可通覆（涂层）的方式减小界面应力、提高离子和电子传输效率等。工艺维度：宏观界面问备过程中的压力，以消除孔隙、增强界面接触，或通过原位凝固的方式，向固态电池中注入液装完成后，通过加热等形式让液体凝固，从而增强固态电解质与电极之间的界面接触。完善，因此电池制造成本较高。此外，固态电池作为新型电池，工艺则是由硫、硫化物及聚合物构成；而聚合物正极则是性能可观的LGPS型硫化物电解质来说，锗的高成本阻碍了量产成本约为1.7-2.2元/Wh，远高于同期车用方形三元电芯、铁锂电芯均价0.73、0.65元/Wh。截止子电池，如能实现半固态电池产业化，则随着相应固态电解质产能放量、原材料成本降低，工艺上具有诸多相似性，如电极极片的制造过程都是基于浆料混合、涂布和延压，分切完成后进接、PACK（电池包加工成组最核心的区别有三点，1）固态电池正极材料复合化，即固态电解质与正极活性物质的混合体作为复合正极；2）电解质添加方式不同，液态电池是在极耳焊接后入电池内并进行封装，而固态电解质除了与正极活性物质形成复合正极外，还需要在延压完成极上再进行一次涂布；3）液态锂离子电池极片可用卷绕或者叠片的方式组合，而固态电池解质成膜环节，电解质的成膜工艺会影响电解质厚度及相关性能，厚度偏薄，会导致其机械性能相差，容易引发破损和内部短路，偏厚则内阻增加，并由于电解质本身不含活性物质，降低电池湿法成膜工艺：模具支撑成膜，适用于聚合物和复合电解质，将固体电获得固态电解质膜；正极支撑成膜，适用于无机和复合电解质膜，即将固体电解质溶液直接面，溶剂蒸发后，在正极表面形成固体电解质膜；骨架支撑成膜，适用于复合电解质膜，将注入骨架中，溶剂蒸发后，形成具有骨架支撑的固态电解质膜，能够提升电解质膜的机械强艺的核心是粘接剂与溶剂选取，溶剂便于蒸发、并对电解质有良好的溶解和化学稳定性。湿溶剂可能有毒，总体成本相对高，如果溶剂蒸干法成膜工艺：将电解质与粘接剂混合后研磨分散，对分散后的混合物电解质膜，该方法不使用溶剂，无溶剂残留，干法的缺点在于电解质膜相对较厚，由于其内其他成膜工艺：包括化学、物理、电化学气相沉积，以及真空溅射等其加工性能最优，具有最强的工艺兼容性，除了因无法造粒不适用于沉积法之外，采用干不适合高温条件的挤出法和小尺寸的沉积法，除此之外的延压、喷涂等工艺均可用于成膜。3）氧化物因具有陶瓷特性，脆性高，需结合颗粒沉积+烧结的方式成膜，或者在溶液共混隔膜无明显工艺改变，调整参数即可，不过因为半固态电池需要提升离子导电率，所以要更大、强度更高，因此需要采用湿法拉伸+涂覆的工艺。另外，单位半固态电池对隔膜的需1、全固态电池被列为主要国家的发展战略，中国固态电池领域企业最多全固态电池是全球公认的下一代电池，被列入中国、美国、欧盟、日韩等主要国家的发展战业都在积极布局固态电池，全固态电池成为下一代电池技术竞争的关键制从全球固态电池产业布局来看，中国参与的企业最多，包括传统电池企业、初创电池企业、整车企业等；其次是日本，技术实力最强；美国以一些初创企业为主；欧洲主要是车企和美国的初创企2、全球范围内固态电池主要处于研发和试制阶段，各国对于固态电池的技术路线选择存在差异SKon等日韩企业长期以来选择最有前景的硫化物固田、日产，既研发固态电池，又生产整车，在电池与整车性能匹配结合方面可能会更），），欧洲在聚合物技术路线上最早开始商业化应用。但由于聚合物电导率太低，同电池容量下，实际续航还不及液态锂电池，因奔驰等欧洲车企通过投资这些美国初创企业，推动其在固态电池领域发展。比如，大众投资QuantumScape，成为该公司最大股东，QuantumScape计划2025年国内企业多数选择氧化物技术路线。由于氧化不畅，以目前的技术需要加入电解液，因此，目前国内研发的氧化物固态电池主要始搭载半固态电池，如蔚来发布的ES6、东风发布的E70、据国家知识产权局介绍，在锂电池特别是固态电池领域，我国是全球主要的技深圳成立。创新平台涵盖基础研究、材料开发与生产、电芯设计与制造、系统集成与整涉及我国多家整车企业、材料领域公司、高校、研究机构等术创新与产业化进程，在中国产学研合作促进会的指导下，由多位院士专家，多家领军企业、知名高校、3、企业加速布局，半固态电池量产先行产能约15GWh，出货量突破GWh级别。其量达0.8GWh，主要搭载在蔚来汽车。据高工锂电预计，2024年在关键材料方面，部分企业已经成功研发出固态电解质，有些处于中试、送样客户阶段，有些国内企业多以半固态电池为主，海外企业基本为全固态电池。国内企业的半固态电池率先进入量产阶段，广汽、长安等车企也计划将于2024-2026年上市搭载半固态电池产业链包括上游各种矿资源等原材料，中游为正极、负极、固态电解质等关键材料及制造环节，1、上游电解质原料33.36万吨。陶瓷、铸造、耐火材料、锆金属及其化学制品等构成锆的主要消费领域，最为广泛的领域是传统陶瓷，占据了接近50%的需求量；随着国内经济复苏，陶瓷等锆制品主传统行业有所反弹，从而拉动锆行业的新一轮需求增长。同时，伴随3D国内锆生产企业主要包括东方锆业、三祥新材、凯盛科技等。东方锆业现有2.6万吨电熔氧化锆、0.94目前公司已供应部分锆材料样品给到下游材料客户氧化锆产能；在建氯氧化锆产能8万吨。公司固态电解质材料研TiO2计）约为7亿吨，以钛铁矿为主；国内占据全主要是钛白粉（白色颜料和功能性材料，主要成分为二氧化钛）、海绵钛等。国内主要钛白（4）锗氧化物固态电解质LAGP、硫化物固态电解质LG材料，主要应用场景包括红外成像领域（43%）、光纤通信领域（28%）、光伏领域（19%）等。锌锗具备金属锗年产能60吨（全球三分之一左右、国内50%左右份额）、探明锗资源量超602、中游制造固态电池可以沿用传统液态电池的正极材料体系，但未来固态电池正极材料将向超高镍、富锂锰基、高压尖晶石镍锰酸锂等高能量密度的新型材料迭代升级。容量上限分别达到205mAh/g和22锂锰基等正极材料的研发，目前已进入小试阶段，并配合客户在公司现有产线进行产品性能优镍锰酸锂正成为正极材料研究热点之一。高压尖晶石型镍锰酸锂具有高能量密度、高安全及低成本优势。镍锰酸锂材料的理论比容量为146.7mAh/g，锂电压上限高量密度（650Wh/kg）及功率密度。当固态电解质与高压镍锰酸锂电极相匹配时，能够进一步提高固态电池对高能量密度的要求，将促使负极材料从石墨负极向硅基负极发展，长远将向金属锂负极迭代。目前锂电池的负极材料主要为人造石墨，其具有电导率高和稳定性好的优势，但石墨材料的值较低，当前石墨负极的比容量约为360mAh/g，已接近理论硅碳材料是短期内最有可能替代石墨材料成为负极材料的新方电性差和SEI膜不稳定的缺点，在液态锂电池中，硅和电解液容易发生副反应头部负极企业，同时，包括天目先导、兰溪致德、金属锂负极在全固态电池的应用潜力大。金属锂负极超过1000km，可以应用于全固态电池，是靠不断的络合与解络合而传递。高分子主要选用聚氧化乙烯（PEO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，但也存在室温离子电导率低，质地较仍在研发改性阶段；锂盐主要采用LiTFSI，在聚合物规模应用受制约，预计后续与无机固态电解质复合，氧化物固态电解质按照形态可分为晶态和非晶态。非晶态主要为LiP（LLTO）、反钙钛矿型、GARNET型（LLZO）、NASICON化物电解质空气和热稳定性较高，因此容易实现大规模生产，其中，钙钛矿型（LLTO）拥有最高体电导率，对锂金属较为稳定，尽管烧结温度高带来更高成本，但业内普用潜力相对较大。而非晶态固态电解质主要是LiPON型固态商业化应用的氧化物电解质材料，多家国外企业已率先实现全固态薄膜锂电池在无线传感器薄膜型产品：通过降低电解质厚度，弥补离子电薄膜，虽离子电导率差，但在较薄厚度时(≤2μm），面电阻可控，因此倍率性能、循环性能优异。但薄膜型电池容量很小（mAh级主要应用在微型电子、消费电），硫化物固态电解质因其超高离子电导率、低加工温度和低刚性而备受关注。硫化物固态电解质因同时具备较高的室温锂离子电导率、在硫化物电解质中相对较低的成本和较高的稳定性和电极兼容性，负极，导电性较差，因而导电性好、导热性好以及机械性能较优的碳纳米管的添固化工艺仍然需要隔膜来分隔正负极防止短路，并作为载体表面涂覆氧化物或者复合固态增加价值量。全固态电池中，全固态电解质也具有隔膜的功能，隔膜是否需要被保留取决于各方封装形式：由于固态电解质柔韧性较差，故而采用叠片设计方案，辅以软包/方形的封装方时更好的保护电芯的结构。液态电池则可以使用叠片或卷绕的方案，并搭配圆柱/方形/软包等封装形态。软包电池优势：1）固态电池安全性高、不易态能量密度高能够更好的发挥固态电池材料的优势；3）固态电池材料整体相对缺乏弹性，采装形态能够在入壳时更好地保护其结构。目3、下游应用对高能量密度、高功率、高安全性的电池需求紧迫，且对成本不敏感，固态电池将完美契合该市场需求，），是功率密度。相比较来说，电池功率密度（单位质量电池的放性能指标，因为它决定了eVTOL是否可以安全起飞和着陆。而另一方面，量密度方面，eVTOL垂直起飞所需要的动力是能量密度要求将会达到1000Wh/kg，远高于当前车用动力电池的能航空装备创新应用实施方案（2024-2030年）》，明确提出推动40产，实现500Wh/kg级航空锂电池产品应用验证。鉴于传统液态锂电池能量密度限制和eVTOL对电池清陶能源选择氧化物路线。第一代半固态电池能量密度在240-4装车实验，单体能量密度368Wh/kg，最大续航里程达500Wh/kg，已完成小试，正在中试准备阶段；第三代全固态电池能量密度超500Wh/kg里；280Ah超高安全储