动力电池成本系列报告之三：固态电池：抢占下一代锂电技术制高点.pdf

2020年5月10日 电力设备新能源 固态电池：抢占下一代锂电技术制高点 动力电池成本系列报告之三 行业深度 固态电池有望成为下一代高性能锂离子电池。（1）固态电池将液态电解质替换为固态电解质，安全性高，大大降低了电池热失控的风险；（2）固态电池电化学窗口可达5V以上，允许匹配高能正极，电池负极可以采用金属锂，提升理论能量密度，有望解决新能源汽车里程焦虑问题；（3）固态电池可简化封装、冷却系统，电芯内部为串联结构，在有限空间内进一步缩减电池重量，体积能量密度较液态锂离子电池（石墨负极）可提升70%以上。目前，（1）聚合物固态电解质率先实现应用，但存在高成本和低电导率两个致命问题；（2）氧化物固态电解质综合性能好，LiPON薄膜型全固态电池已小批量生产，非薄膜型已尝试打开消费电子市场；（3）硫化物固态电解质电导率最高，研究难度最高，开发潜力最大，如何保持高稳定性是一大难题。 固态电池领域进入“军备竞赛”阶段，各企业期望抢占先机以赢得市场份额。固态电池领域市场参与者众多，车企、电池企业、投资机构、科研机构等在资本、技术、人才三方面进行博弈。随着越来越多的企业加入，固态电池产业化进程不断加速：（1）中国企业纵向联合，高校及研究机构科技成果初尝产业化；（2）欧美多国政府拨款助力固态电池研发，科研机构及固态电池初创企业是主力，各大车企纷纷投资；（3）日本电池领域底蕴深厚，企业依靠自身优势组建研发团队攻克技术难关，同时车企横向联合共同开发电池技术，科研机构、车企、电池和材料企业等多行业抱团共同参与研究；（4）韩国电池企业选择纵向联合，共同开发固态电池技术。 固态电池的工艺路线尚不成熟，降本仍需过程，全面产业化预计需要5-10年。2020年3月初，三星高等研究院（SAIT）与三星日本研究中心（SRJ）在自然-能源介绍了其在固态电池领域的最新进展，银碳基全固态电池能够实现900Wh/L高能量密度、1000圈以上长循环寿命及99.8%极高充放电效率，电池一次充电后可驱动汽车行驶800公里。但生产环境要求苛刻，银碳层大规模生产所需的贵金属纳米银成本较高；短期产业化并不现实；目前，各家对固态电池的而研究仍在过程中，简单将液态电解质替换为固态电解质并不能大幅提升电池能量密度，只有匹配高能电极材料才能实现能量密度的跨越。我们认为降本需要：（1）更低的物料价格；（2）稳定完善的供应体系（高质量锂箔供应）；（3）工艺改进（bipolar stack工艺）。 投资建议：我们认为，向全固态锂电池过渡是锂电技术进步的重要趋势；目前，全球都在加快固态电池的研发，虽然距离产业化尚需时间，但如电解质或负极材料选择与改性、电池工艺革新都应是一步一步探索的过程；我们建议持续关注企业与科研单位的创新技术成果的发布、并持续关注龙头公司的锂电产品的研发进展。 风险分析：政策变化影响行业发展的风险；技术路线变更的风险；市场竞争加剧的风险；原材料价格大幅波动的风险。 买入（维持） 分析师 殷中枢 (执业证书编号：S0930518040004) 010-58452063 yinzsebscn 马瑞山 (执业证书编号：S0930518080001) 021-52523850 marsebscn 联系人 郝骞 021-52523827 haoqianebscn 行业与上证指数对比图 - 1 8 %- 1 1 %- 3 %5%12%0 4 - 1 9 0 7 - 1 9 1 0 - 1 9 0 1 - 2 0电力设备新能源 沪深 300 资料来源：Wind 相关研报 如何优雅地拆解动力电池成本？动力电池成本系列报告之一 2019-11-06 降本新方案：“刀片”+CTP动力电池成本系列报告二 2019-01-13 - -敬请参阅最后一页特别声明 -2- 证券研究报告 投资聚焦 研究背景 1991 年索尼公司推出商业化液态锂离子电池，随后液态锂离子电池进入快速发展阶段。由于对更高能量密度和更高安全性电池的追求，各国加紧固态电池的研发，以期抢占技术的制高点。 虽然实现全固态锂离子电池产业化尚需时间，但过程中的技术创新仍将会给锂电产业持续注入新动力，我们通过本篇报告全面梳理固态电池的技术、研发进展情况，希望可以给投资者建立相对完整的分析问题的框架。 我们的创新之处 （1）全面分析了固态电池的性能优势及未来实现产业化待突破的技术困难； （2）全面梳理中国、欧美、日韩对固态电池的支持政策以及研发进展； （3）构建了液态锂离子电池LIB（石墨负极）、LIB（硅碳负极），固态电池基于石墨负极的硫化物ASSB（简称SLIB）、基于锂负极的硫化物ASSB（简称SLMB）的成本分析，并分析了未来降本路线。 投资观点 目前全球都加快固态电池的研究，但实现产业化尚需时间，我们认为，在向全固态电池过渡的的过程中，应持续关注科研创新技术的发布及龙头公司的研发进展，以及可率先在对成本不十分敏感的消费锂电领域的应用。 oPnQsRmQqMnMwOtPtMrMpQbRbP7NsQrRtRpPfQnNtOjMnMqR6MpOqMNZoPpQvPpMpQ2020-05-10 电力设备新能源 敬请参阅最后一页特别声明 -3- 证券研究报告 目 录 1、 技术革新无休止，攻坚固态电池是关键 . 4 1.1、 固态电池有望成为下一代高性能锂离子电池 . 4 1.2、 电解质和界面双管齐下，构建高性能固态电池 . 9 2、 政府扶持、企业角逐，固态电池商业化提速 . 14 2.1、 政府引导，推动固态电池领域快速发展 . 14 2.2、 企业积极布局，固态电池领域陷入“混战” . 16 3、 技术和成本双制约，全固态电池量产仍需十年 . 21 3.1、 三星率先实现技术突破，全固态电池量产仍有难点 . 21 3.2、 固态电池的工艺路线尚不成熟，产业化仍需时间 . 23 3.3、 固态电池的成本拆分以及未来的降本路径 . 24 4、 投资建议 . 36 5、 风险分析 . 36 2020-05-10 电力设备新能源 敬请参阅最后一页特别声明 -4- 证券研究报告 1、技术革新无休止，攻坚固态电池是关键 1.1、固态电池有望成为下一代高性能锂离子电池 锂离子在正负电极间可逆嵌入是锂离子电池的电化学基础，其发展实际上是基于上世纪70年后一系列的创新理念和关键发现。 对于固态电解质锂离子电池的理论研究可以追溯到1972年在Belgirate（意大利）召开的北约“固体中的快速离子输运”会议上，Steele 讨论了合适的固态电解质的基本标准，并指出了过渡金属二硫化物作为电池正极材料的潜力。同年，Armand将Li|TiS2应用于以固态-氧化铝为电解质的三元石墨正极中的Na+扩散，这是关于固态电池的第一份报道。 在科研过程中，实际上对于正负材料、电解质的材料选择都是在探索中不断推进的。1978年，“摇椅电池”模型清楚地阐述了锂离子电池基本化学原理，为后续研究打下坚实的基础。 1978年，Armand提出开创性的固态聚合物固态电池的概念；同时他的研究重心转移至对石墨作为嵌入负极适用性的研究；在1979-1980年，Goodenough等发现了层状氧化物-钴酸锂（LiCoO2），GoOrdulet等发现另一种锰酸锂（LiMn2O4）正极材料。1983年，Yoshino等提出了以软碳为负极、碳酸盐溶液为电解液、LiCoO2为正极的电池，这是当今锂离子电池的基本组成部分。 图1：锂电池简要发展历程 W h ittin g h a m 提出并开始研究锂离子电池A rm a n d 提出“摇椅电池”概念W h ittin g h a m 采用硫化钛作正极、金属锂作负极，制成首个锂电池贝尔实验室制成首个可用的锂离子石墨电极M a n th ir a m 和 Go o d e n o u g h 发现采用聚合阴离子的负极能产生更高电压Go o d e n o u g h 发现钴酸锂可以作为锂离子电池正极材料T h a cke ray 和 Go o d e n o u g h 发现锰尖晶石是优良的正极材料20 世纪 70 年代固溶电极和 ”摇椅电池 ”概念诞生20 世纪 80 年代选择合适的电极和电解液20 世纪 90 年代液态锂离子电池商业化20 世纪 90 年代以来改进液态锂离子电池固态 电池 兴起So ny 公司发明商业化液态锂离子电池P a d h i和 Go o d e n o u g h 发现具有橄榄石结构的磷酸盐如磷酸铁锂比传统的正极材料更安全、耐高温、耐充电Gu y o m a rd 和 T a e a sco n 提出了一种基于 L iPF6的 E C/DM C 电解质，是今天电 池制造的标准电解液配方高比容量（ v s.L iC o O2）、高电压（ v s.L iFeP O4 ）的 NM C 成为最普遍的正极固态电池技术不断改进，法国 B o ll o re 集团首次使用装载固态电池的电动汽车T a rasco n 和 Gu y o m a rd 组装了第一个石墨 |L iM n2O4”摇椅电池 ”，证明 L iM n2O4作为有前景低成本锂离子电池正极的可行性A rm a n d 提出固态聚合物电解质基固态电池概念A rm a n d 提出用于固态电池的新型酰亚胺基盐、锂迁移、锂负极保护方法资料来源：From solid-solution electrodes and the rocking-chair concept to todays batteries, Heng Zhang 2020-05-10 电力设备新能源 敬请参阅最后一页特别声明 -5- 证券研究报告 1991年索尼公司推出商业化液态锂离子电池，随后液态锂离子电池进入快速发展阶段。由于对更高能量密度和更高安全性电池的追求，固态电池重新引起了人们的关注。20世纪90年代，Armand先后提出Li+迁移原理、锂负极保护等理论，固态电池不断得到改进，2011年Bollore集团首次使用装载固态电池的电动汽车，证明了固态电池应用的可行性。 动力电池市场是锂电的重要应用领域，对长续航动力电池的追求不断推动锂电市场发展。在全球范围内，汽车电动化的趋势已不可避免，而新能源车近几年在我国快速发展，也将逐步成为我国未来重要的支柱产业，为锂电池的发展提供了重要的基础。此外，对长续航、高安全性动力电池的追求将推动研发的持续投入和技术的不断革新。 图2：中国锂电池三大终端应用出货量 0204060801001201402011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019动力电池 消费电池 储能电池资料来源：GGII，单位：GWh 依靠现有动力电池体系，2025年后电池能量密度难以达到国家要求。目前，我国动力电池采用的正极材料已由磷酸铁锂转向三元体系，逐渐向高镍三元发展，负极材料当前产业化仍集中于石墨、硅基等材料领域。据一些电池供应商推测，未来五年锂离子动力电池的单体能量密度有望提高至 300Wh/kg以上，但依靠已有的三元体系难以实现电池单体能量密度高于350Wh/kg的目标。 图3：国内乘用车动力电池系统能量密度 图4：动力电池单体能量密度发展要求 1 0 0 . 11 5 0 . 72017 年第 1 批次 2019 年第 7 批次动力电池能量密度+ 5 1 %161170170170180180182比亚迪 唐广汽丰田 i A5蔚来 ES6广汽 Ai o n S广汽 Ai o n L X小鹏汽车 G3几何 A能量密度乘用车电池能量密度变化 2019 年国内主要车型电池能量密度01002003004005006002019 2020 2025 2030国内量产水平 中国制造 2025 汽车产业中长期发展规划传统锂电难以实现资料来源：工信部，单位：Wh/kg 资料来源：工信部，单位：Wh/kg 2020-05-10 电力设备新能源 敬请参阅最后一页特别声明 -6- 证券研究报告 固态电池或将被上升至国家战略层面，核心技术研发进程将加速。2019 年12月，工信部发布新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）（征求意见稿），在“实施电池技术突破行动”中，加快固态动力电池技术研发及产业化被列为“新能源汽车核心技术攻关工程”。 锂电池理论能量密度主要取决于正负极材料克容量和工作电压（电势差）。 （1）正负极之间电势差越大，工作电压越高，电池能量密度越高。目前基于液态锂离子电池的材料和使用安全性的需要，实际使用的正负极之间的电势差不能超过4.2V。 （2）电极材料克容量越大，电池能量密度越高。正极材料克容量提升有限，传统的石墨负极材料也远远无法满足新一代高能量密度电池的设计需求，硅材料虽然比容量高，但是嵌锂过程中体积膨胀大，导致循环寿命较差；因此负极材料改进的空间较大，金属锂负极克容量约为石墨的 10 倍，理论能量密度可大幅提升。 （3）提升能量密度时，同时要考虑安全性。磷酸铁锂电池安全性好、成本低，但能量密度不高，耐低温性能差，目前比亚迪采用刀片电池改进；三元电池能量密度高，耐低温，但存在安全性差，成本高的缺点。由于对能量和续航的更高要求，在小型乘用车领域，目前三元电池已占据过半市场份额，但三元电池带来的安全隐患不容忽视。 图5：电极材料的克容量与电化学势 0 1000 2000 3000 4000电化学势（V vs.Li+/Li）钴酸锂 LCO锰酸锂 L MO三元镍钴锰 NCM三元镍钴铝 NCA磷酸铁锂 L F P石墨Li理论 克容量 （ m Ah / g ）资料来源：Reducing the interfacial resistance in all-solid-state lithium batteries based on oxide ceramic electrolytes, Zhouyang Jiang 液态锂离子电池存在安全隐患，矛头指向液态电解质。据不完全统计，截至2019 年 10 月，我国一共发生了 79 起电动汽车的安全事故，涉及车辆达到了96辆。引发电动汽车安全事故的主要原因是热失控导致电池爆炸或自燃。电池自燃的原因是在过充电、低温或高温环境下动力电池发生短路，短时间内电池释放大量热量，点燃电池内部的液态电解质，最终导致电池起火。 2020-05-10 电力设备新能源 敬请参阅最后一页特别声明 -7- 证券研究报告 图6：电池热失控原因 资料来源：车用锂离子动力电池热失控诱发与扩展机理，冯旭宁 与液态锂离子电池不同，固态电池中的固态电解质替代了液态锂离子电池的液态电解质、隔膜。固态电池潜力巨大，有希望获得安全性更高、单体能量密度更高（350 Wh/kg）和寿命更长（5000次）的动力电池。 图7：液态锂离子电池与固态电池性能对比 液态 锂 离子电池 固态电池铜集流器多孔正极材料液态电解质多孔负极材料铝集流器负极固态电解质正极 / 固态电解质复合材料铝集流器电池结构 正极、负极、电解液、隔膜 、 集流器 等正极、负极、电解 质 、 集 流器等L i P F6， P V D F - H F P ，EC - D M C ， 等无机 电解 质： L i P O N ， T h i o - L I S I C O N ，L A T P ， 等聚合物电解质 ： PEO ， 等工业化、自动化程度较 高；电极与 电解液 的界面 接触 好 ；充放电 循环 过程重 电极 膨胀相对可控；单位面积的导电率较高 ；能量密度 高 ；电化学窗口可达 5V 以上 ，可匹 配高电压材料；只传输锂离子，不传导 电子；热稳定性 好；有机电解液易挥发易燃 烧，电池体系的热稳定性差；依赖形成的 SEI 膜保 护电池 ；锂离子与电子可能同时 传导；持续的界面副反应；界面电阻高，与空气稳 定性差 ；单位面积离子电导率较 低 ，常 温 下比 功率密度较差；成本高；循环过程中物理接触变 差；电解质优点缺点资料来源：全固态锂电池技术的研究现状与展望，许晓雄 2020-05-10 电力设备新能源 敬请参阅最后一页特别声明 -8- 证券研究报告 （1）安全性高，降低电池自燃、爆炸风险。固态电池将液态电解质替换为固态电解质，大大降低了电池热失控的风险。半固态、准固态电池仍存在一定的可燃风险，但安全性优于液态锂电池。 （2）能量密度高，有望解决新能源汽车里程焦虑问题。固态电池电化学窗口可达5V以上，高于液态锂离子电池（4.2V），允许匹配高能正极，提升理论能量密度。固态电池无需电解液和隔膜，缩减电池包重量和体积，提高续航能力。电池负极可以采用金属锂，正极材料选择面更宽。 （3）固态电池可简化封装、冷却系统，电芯内部为串联结构，在有限空间内进一步缩减电池重量，体积能量密度较液态锂离子电池（石墨负极）可提升70%以上。液态锂离子电池以并联结构相接，封装复杂且体积庞大；固态电池无漏液风险，可简化冷却系统，电池以多电芯串联结构相接，优化电池封装，电池的体积能量密度大幅提升。 图8：液态锂离子电池与固态电池制备工艺对比 传统锂离子电池 固态电池并联叠加集流 体需焊接接头串联 叠加致密堆积串联连接冷却系统封装后不需冷却单体电芯电池模组电池P A C K资料来源：All-solid-state lithium-ion and lithium metal batteries paving the way to large-scale production, Joscha Schnell 固态电池的技术发展采用逐步颠覆策略，液态电解质含量逐步下降，全固态电池是最终形态。依据电解质分类，锂电池可分为液态、半固态、准固态和全固态四大类，其中半固态、准固态和全固态三种统称为固态电池。固态电池的迭代过程中，液态电解质含量将从20wt%降至0wt%，电池负极逐步替换成金属锂片，电池能量密度有望提升至 500Wh/kg，电池工作温度范围扩大三倍以上。预计在2025年前后，半固态电池可以实现量产，2030年前后实现全固态电池的商业化应用。 2020-05-10 电力设备新能源 敬请参阅最后一页特别声明 -9- 证券研究报告 图9：固态电池发展策略 25w t % 10w t % 5w t % 1w t % 0w t% 电池 中液 体 含量液态 全固态准固态半固态凝胶0w t% 5w t% 30 w t% 50 w t% 80 - 100 % 负极 金属 锂 含量石 墨 负极 金 属 锂负极富 锂 负极预 锂 化负极250 W h / K g 300 W h / K g 350 W h / K g 400 W h / K g 500 W h / K g 能 量密 度55 80 150 工 作 温度资料来源：全固态锂电池技术的研究现状与展望，许晓雄 1.2、电解质和界面双管齐下，构建高性能固态电池 （1）构建高性能固态电解质，固态电解质和液态电解质的核心要求一致： 1）电导率高，一般商业化电解质电导率范围在310-3210-2S/cm； 2）化学稳定性好，不与电池内部材料发生反应； 3）电化学窗口宽，在稳定的前提下电化学窗口越宽越好，以适配高能电极； 4）高锂离子迁移数，离子迁移数达到1是最理想的状态。 氧化物固态电解质各方面性能较为均衡，其他类型固态电解质普遍存在性能短板，尚不能达到大规模应用的要求。固态电解质是固态电池的核心部件，在很大程度上决定了固态电池的各项性能参数，如功率密度、循环稳定性、安全性能、高低温性能以及使用寿命。固态电池距离高性能锂离子电池系统仍有差距，聚合物、氧化物、硫化物三类固态电解质的性能参数各有优劣。 图10：不同固态电解质性能雷达图 锂离子迁移数还原稳定性氧 化稳定性化学稳定性热稳定性机械性能加工成本制备工艺离子电导率电子电导率锂离子迁移数还原稳定性氧 化稳定性化学稳定性热稳定性机械性能加工成本制备工艺离子电导率电子电导率锂离子迁移数还原稳定性氧 化稳定性化学稳定性热稳定性机械性能加工成本制备工艺离子电导率电子电导率锂离子迁移数还原稳定性氧 化稳定性化学稳定性热稳定性机械性能加工成本制备工艺离子电导率电子电导率锂离子迁移数还原稳定性氧 化稳定性化学稳定性热稳定性机械性能加工成本制备工艺离子电导率电子电导率锂离子迁移数还原稳定性氧 化稳定性化学稳定性热稳定性机械性能加工成本制备工艺离子电导率电子电导率氧 化 物固态 电解质 硫 化 物固态 电解质 氢 化 物固 态 电解 质卤 化 物固态 电解质 薄 膜 固态电 解质 聚 合 物固 态 电解 质资料来源：Lithium battery chemistries enabled by solid-state electrolytes, Arumugam Manthiram 2020-05-10 电力设备新能源 敬请参阅最后一页特别声明 -10- 证券研究报告 聚合物固态电解质率先实现应用，但存在高成本和低电导率两个致命问题。目前主流的聚合物固态电解质是聚环氧乙烷（PEO）电解质及其衍生材料。2011年法国Bollore公司推出固态电池为动力系统的电动车，聚合物固态电池率先实现商业化。聚合物电解质在室温下导电率低，能量上限不高，升温后离子电导率大幅提高但既消耗能量又增加成本，增大了商业化的难度。 氧化物固态电解质综合性能好，LiPON薄膜型全固态电池已小批量生产，非薄膜型已尝试打开消费电子市场。LLZO 型富锂电解质室温离子导电率为10-4 S/cm、电化学窗口宽、锂负极兼容性好，被认为是最有吸引力的固态电解质材料之一，制约其发展的重要因素是电解质和电极之间界面阻抗较大，界面反应造成电池容量衰减。 硫化物固态电解质电导率最高，研究难度最高，开发潜力最大，如何保持高稳定性是一大难题。LGPS电解质的离子电导率高达1.2x10-2 S/cm，可与液态电解质相媲美。虽然硫化物电解质与锂电极的界面稳定性较差，但由于离子电导率极高、电化学稳定窗口较宽（5V以上），受到了众多企业的青睐，尤其是日韩企业投入了大量资金进行研究。 表1：三大固态电解质体系及特点 固态电解质类型 主要研究体系 离子电导率 优点 缺点 研究方向 聚合物固态电解质 PEO固态聚合物体系 室温： 10-7-10-5S/cm； 65-78： 10-4S/cm 灵活性好 易大规模制备薄膜 剪切模量低 不与锂金属反应 离子电导率低 氧化电压低（4V） 将PEO与其他材料共混共聚或交联，形成有机-无机杂化体系，提升性能 聚碳酸酯体系 聚烷氧基体系 聚合物锂单离子导体基体系 氧合物固态电解质 非薄膜：钙钛矿型；石榴石型；NASICON型；LISICON型 10-6-10-3S/cm 化学、电化学稳定性高 机械性能好 电化学氧化电位高 界面接触差 提升电导率：替换元素或掺杂同种异价元素 薄膜：LiPON型 硫化物固态电解质 Thio-LiSICON型 10-7-10-2S/cm 电导率高 机械性能好 晶界阻抗低 易氧化 水汽敏感 提高电解质稳定性，降低生产成本，元素掺杂发挥各元素协同作用 LGPS型 Li-aegyrodite型 资料来源：Recent progress of the solid-state electrolytes for high-energy metal-based batteries, Lei Fan 我们认为，目前氧化物体系进展最快，硫化物体系紧随其后，高能聚合物体系仍处于实验室研究阶段，硫化物和聚合物体系都已取得长足进展。 1）近年多家中国企业建立氧化物固态电池生产线。2018 年 11 月苏州清陶固态锂电池生产线在江苏昆山建成投产，单体能量密度达400Wh/kg以上，拟于 2020 年进入动力电池应用领域。江苏卫蓝新能源电池有限公司也计划于近期尝试进一步探索。2019 年 4 月辉能科技宣布与南都电源合作，计划建立国内首条 1GWh 规模的固态电池生产线，2019 年底，辉能科技宣布将于 2020 年建成固体电池生产线，2020 年 4 月辉能科技完成 D 轮融资，本轮融资将用于加速固态电池商业化落地和工厂建设。 2） 2020年日本丰田计划推出搭载硫化物固态电池的新能源汽车，并于2022年实现量产。十几年前丰田已开展固态电池研发工作，不仅获得了固态电解