布局固态电池产业链

布局固态电池产业链固态电池成为新能源行业的“新风口”。随着全球能源结构的转型和新能源汽车市场的快速增长，市场对高性能、高安全性电池的需求日益增加。固态电池理论上具备更高的能量密度、更好的热稳定性、更长的循环寿命等优点，成为未来大容量电池的发展方向。11月18日，全球首条GWh级新型固态电池生产线正式落户安徽芜湖。根据《安徽日报》报道，该生产线规划了5GWh固态新一代电池研发中心和高集成自动化生产线，此次落地的首条生产线设计产能1.25GWh。亿欧智库发布《2024中国全固态电池产业研究报告》表示，全固态电池因其卓越的安全性、高能量密度和长循环寿命等特性，成为能源存储和动力电池领域的研究热点。这种电池技术不仅对电动汽车行业的未来至关重要，也是推动能源革命和实现可持续发展的关键。招商证券认为，目前传统液态锂电技术迭代已达瓶颈，而固态电池在兼顾高能量密度和本征安全性两方面具有显著优势，有望成为未来电池技术的重要发展方向，为相关企业带来巨大的市场机遇。固态电池作为一项革命性的技术，被众多车企与能源企业视为未来相关产业链发生变革的核心；率先在固态电池领域取得突破的企业，势必将改变现有的市场发展格局，成为能引领新能源汽车行业未来发展的新巨头。全球电动化快速发展，锂离子电池凭借高能量密度、长循环寿命等优势成为消费电子、新能源汽车、储能等诸多下游行业主要供能载体，支撑全球电动化进程。但与此同时，液态电池仍然存在着一些问题制约其未来的发展与应用。一是安全问题，液态锂电池结构中的电解液和隔膜可能引发安全性问题；二是能量密度问题，目前液态锂电池的能量密度天花板是300Wh/kg。固态电池作为能够大幅提升锂电池能量密度，提升电池安全性的下一代电池核心技术，受到新能源汽车与锂电池行业重点关注。固态电池相比传统锂电池，采用固态电解质替代传统液体电解液提供离子传导路径，降低漏液短路风险，提升电池安全性，同时固态电解质可以承受更高电压、电流，打开锂电池能量密度天花板，成为全面提升锂电池性能的必然选择。根据慧博投研的总结，固态电池相较液态锂离子电池主要有两大核心优势，即，高安全性和高能量密度。固态电池核心优势之一为其具有高安全性，主要由于其以热稳定性强、不易燃的固态电解质，替代易燃的液态电解液，大幅降低电池自燃、爆炸风险。此外，固态电解质具有更高的机械强度，能更好地抵抗电池内部的机械应力，防止锂枝晶穿透隔膜导致短路。同时，其化学稳定性强，不易与电极材料发生反应，进一步增加电池稳定性。因此，机械滥用、电滥用、热滥用三大锂电池热失控主要成因，在固态电池的应用下均得到良好的解决，固态电池安全性较液态电池大幅提升。固态电池另一大核心优势为能量密度大幅提升。当前，液态锂电池能量密度已经逐渐逼近上限（350Wh/kg），而固态电池可以轻松实现350Wh/kg-400Wh/kg的能量密度。据介绍，从材料和性能组合考虑，固态电池的能量密度极限可以达到1000Wh/L左右，换算成重量能量密度大约为500Wh/kg。可以匹配高能正极和锂金属负极更是全固态电池提升能量密度的独有优势。固态电池提升能量密度主要通过：一是以固态电解质替代液态电解质与隔膜，减少电池内部非活性材料，增加有效储能空间；二是固态电解质不易燃，不挥发，也不易引起电池内部短路，使电池可以承受更高电压，使用更广泛的电极材料，如金属锂负极、富锂锰基等，同时提升正负极材料比容量及电压平台，进而提升能量密度；三是结构优化，由于没有液态电解质，固态电池结构设计可以更紧凑，减少电池组件之间的空间，从而提高体积能量密度。除高安全性及能量密度，固态电池具有更好的低温性能。液态电池在低温下，由于电解液粘度增加，锂离子电导率降低，电池内阻上升，容量损失较大，甚至可能因电解液凝固导致电池无法正常工作。固态电池由于使用固态电解质，避免了液态电解质的这些问题，根据相关研究资料，聚合物固态电池在-20℃的表现远优于液态电池，且在-50℃条件下仍能正常工作。根据山西证券研报，全固态电池量产仍面对挑战，半固态电池率先产业化。如大多数固态电解质中的离子扩散速率与液态电解质存在数量级差异、固固界面难以始终保持良好接触等。而半固态电池安全性、倍率性能介于液态和全固态之间，相比于全固态电池，半固态可以兼容现有液态电池工艺设备和材料，许多企业选择从液态到半固态再到全固态的渐进式发展路线。未来随着材料体系创新、工艺创新持续降本、设备创新实现量产，锂电池将逐步迈入全固态。固态电池产业链与液态锂电池大致相似，也包括上游资源端、中游制造端和下游应用端，两者主要的区别在于中游材料端负极材料和电解质的不同，在正极材料方面基本一致。未来随着半固态电池逐步发展至全固态电池，隔膜也将被替代。同液态电池类似，固态电池整体成本主要由电池材料成本及电池生产成本构成，其中材料成本占据了较大占比。材料成本包括正极、负极材料、电解质、集流体、结构件等组成。其中，固态电解质是固态电池的核心部件，也是固态电池中变化最大的环节。固态电解质在固态电池中起到锂离子传输等作用，是固态电池中的核心部件，其性能也很大程度上决定了固态电池的各项性能参数，如电池的功率密度、循环稳定性、安全性能、高低温性能以及使用寿命等。固态电解质根据材料类型不同，大致可以分为聚合物、氧化物、硫化物三类固态电解质，其性能各有优劣。目前全球固态电池企业都在不同的电解质体系上进行技术研发，其中日韩和欧美等海外企业更倾向于硫化物技术路线，致力于全固态电池的开发，产业化进程相对缓慢；而国内企业多数选择氧化物技术路线，研发的产品多为半固态电池。硫化物电解质相比于氧化物和聚合物电解质具有更高的导离子率，室温下可达到10-3S/cm，是理想的固态电池电解质材料，依然是全固态电池技术首选。正极材料方面，当前应用于液态锂离子电池的正极材料可用于全固态锂电池，如市场主流的磷酸铁锂等正极体系。全固态电池正极一般采用复合电极，除了电极活性物质外还包括固态电解质和导电剂，在电极中起到传输离子和电子的用途。钴酸锂、锰酸锂等氧化物正极在全固态电池中应用较为普遍。除了氧化物正极，硫化物正极也是全固态电池正极材料一个重要组成部分，这类材料普遍具有高的理论比容量，比氧化物正极高出几倍甚至一个数量级，与导电性良好的硫化物固态电解质匹配时，由于化学势相近，不会造成严重的空间电荷层效应，得到的全固态电池有望实现高容量和长寿命的实周要求。然而，硫化物正极与电解质的固-固界面仍存在接触不良、阻抗高、无法充放电等问题。在固态电池的众多正极材料中，高镍三元正极材料因具有比容量高、成本较低等优势，而被认为是未来的发展方向。负极材料方面，兴业证券表示，固态电池负极材料中锂金属负极性能最优。目前，固态电池负极材料主要分为金属锂负极、碳族负极和氧化物负极三大类。碳族负极是目前应用于锂离子电池的主要负极材料，金属锂负极被认为是锂离子电池负极材料的最终目标。金属锂是全固态电池最重要的负极材料，具有容量高（理论容量高达3860mAh/g）和电位低的优点，是负极材料的最终形态。但锂在循环过程会产生锂枝晶，有短路等安全隐患；化学稳定性差，易与空气中的氧和水分等发生反应，给锂金属的产业化应用造成困难。碳族负极材料以石墨材料为代表，电压平台高、充放电效率高，具有的层状结构利于锂离子的脱嵌过程，但石墨材料理论容量仅372mAh/g，限制了碳材料的应用。碳族材料除碳基材料外，还包括锡基和硅基材料。锡基材料理论容量为994mAh/g，是石墨材料的两倍多，但锡基材料循环性能差、可逆容量低等问题对其商业化应用造成了直接影响。硅基材料导电率高，稳定性好，能量密度可达4200mAh/g，是一类前景较好的材料。但硅基材料的制备工艺复杂，充放电过程中由于锂离子的反复嵌入脱出导致材料形变较大，目前工业上主要通过与石墨复合制备硅碳负极材料来解决。锂金属负极的使用可以进一步提升固态电池能量密度，锂金属负极同样面临技术挑战。锂金属负极面临的最难解决的调整是金属锂与液体电解质的副反应，金属锂表面直接接触电解液就会发生化学反应，形成表面不均匀的固态电解质膜（SEI），在充放电过程中金属锂会发生溶解和沉积，导致初始与其表面接触较好的SEI在这一过程中逐渐脱落或物理接触变差，这与锂离子电池的碳等类型的负极表面可以生长稳定的SEI膜有显著区别。另一个挑战是锂枝晶和孔洞的不均匀形成，这与锂表面化学组成和微观结构的不均匀、电流密度的不均匀及界面处存在可自由生长的分布不均的空间有关。中国、日韩、欧洲和美国在固态电池技术方面具有较强的研发能力和自主创新能力，并且现在是该领域的主要研发国家。在技术方向上，日韩起步最早并选择了硫化物固态电解质路线；欧美选择氧化物固态电解质路线居多，且均在直接开发锂金属负极应用；中国三种固态电解质路线均有布局，在开发全固态电池的同时也在大力发展对现有产业更友好的半固态电池。除了各国当前在科研方面取得的显著进展以外，固态电池产业发展迅速也与相关政策和计划有着深刻的关系。固态电池作为下一代锂电池技术，受到了全球主要国家和地区的高度重视，尤其是在中国、美国、欧盟、日本和韩国等国，政府通过多项政策和资金支持，积极推动固态电池的研发和产业化进程。中国在固态电池领域的支持尤为显著，不仅发布时间较早，而且在推动固态电池等先进技术发展方面态度明确，为未来电池产业的发展方向提供了强有力的指引。根据慧博投研的统计，在固态电池领域文章发表数量和比例方面，中国、美国、日本、德国和韩国排名前五，分别占35.5%、16.1%、10.2%、7.5%和6.3%，中国目前在处于领先地位。此外，专利申请数量和比例显示，中国（39.5%）、日本（21.4%）、美国（14.8%）、韩国（5.7%）和德国（2.6%）排名前五。固态电池技术的不断进步，影响着诸多领域，在电动汽车、移动设备、能源存储、航空航天等领域的应用与日俱进。亿欧智库认为，固态电池的落地场景遵循从特殊场景到一般场景、从单一场景到多元场景的拓展路径。低空经济相较于传统通用航空，活动主体从传统的有人驾驶航空器拓展至无人驾驶航空器，经济活动的区域从传统的中、高空发展为低空，从偏远的郊外拓展至人类活动密集的城市。eVTOL电池能量密度和倍率性能要求更为苛刻。由于需要控制起飞重量并提升载重，为了保证飞行器续航对电池的能量密度提出了更高的要求，同时由于在起飞、悬停和降落过程中放电电流达到3C甚至以上，且悬停过程中高倍率持续时间较长，因此eVTOL相对于电动车对于电池性能提出了更高要求。固态电池的赛道正从技术探索向产业化转型，全产业链的竞争力将成为决定电池企业排名的关键。当前，从上游原材料到下游应用场景，中国企业正逐步建立覆盖全链条的生态体系。亿欧智库认为，电池制造商是主导研发、推动产业化发展的核心力量，锂电池巨头重点把控电池设立、组装和测试等关键环节。全固态电池未来应用领域广泛，有望在消费领域率先落地。上游原材料中，氧化物电解需要用到的元素锆、硫化物电解质需要使用的元素锗、聚合物电解质需要使用的高分子聚合物材料，均有上市公司布局。锂电产业链传统公司也在现有体系内积极研发固态电池新材料。容百科技、当升科技、厦钨新能等依托自身在液态锂电池正极材料中深厚的技术积累，积极开发适配固态电池