金属非金属新材料行业深度研究：安全、便利、经济——固态电池整装待发.pdf

行业 报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 1 金属非金属新材料 证券 研究报告 2020 年 09 月 01 日 投资 评级 行业 评级 强于大市 (维持 评级 ) 上次评级 强于大市 作者 孙亮 分析师 SAC 执业证书编号： S1110516110003 sunliangtfzq 杨诚笑 分析师 SAC 执业证书编号： S1110517020002 yangchengxiaotfzq 资料 来源： 贝格数据 相关报告 1 金属非金属新材料 -行业深度研究 :可降解塑料深度之二：复盘光伏，看可降解塑料发展之路 2020-08-06 2 金属非金属新材料 -行业深度研究 :固态电池哪家强 2020-08-05 3 金属非金属新材料 -行业点评 :可降解塑料：中央两度发文 +各地政策出台，禁塑限塑令落地在即 2020-08-03 行业走势图 安全、便利、经济 固态电池整装待发 固态电池 安全性 能 优势 明显 固态锂电池中没有或有少量液态电解质，能够抑制锂枝晶的产生 ， 有望解决电池短路的问题。同时， 固体电解质具有更好的电化学稳定性和不可燃性，直接裁剪、穿刺、浸水后的固态电池还可以继续工作。 固态电池可以解决里程焦虑，提升便利性 相比于传统电池，固态电池可采用金属锂或锂合金作为负极材料以提升能量密度，同时可采用高电压类正极提升比能量。 理论上固态电池量产成本可以与液态电池相媲美 氧 化物固态电池 电解质物料价格低廉且电芯易组装，封装成本低。只要解决氧化物电解质大规模量产的技术问题，固态电池的量产成本 或可以 与液态电池相媲美。 风险 提示 ： 固态锂电池作为锂离子电池的新技术，商业化应用时间尚不明确，存在长期无法大规模应用的风险。 -10%-5%0%5%10%15%20%25%2019-09 2020-01 2020-05金属非金属新材料 沪深 300行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 2 内容目录 1. 安全性 是增加安全性还是本身安全 . 3 2. 便利性 -里程焦虑的解药 . 5 3. 经济性 如何翻过成本这座山 . 7 3.1. 成本最终决定了市场规模 . 7 3.2. 固态电池成本下降空间较大 . 8 3.2.1. 原料成本 氧化物 成本较低 . 8 3.2.2. 建设投资 固态电池生产简单，投资较低 . 9 3.2.3. 电解质加工成本低于 $9.1/kwh 时固态电池达到平价 . 11 3.3. 工艺改进 国内企业已迈开第一步 . 11 4. 风险提示 . 12 图表目录 图 1： 2019 年新能源汽车召回情况：动力电池成为主要隐患之一 . 3 图 2：中国新能源汽车保有量情况 . 3 图 3：全球新能源汽车保有量情况 . 4 图 4：辉能 LCB 电池安全性能测试 . 5 图 5：与相同电极材料的液态电池相比，赣锋固态电池能量密度更高 . 5 图 6：辉能固态能量密度研发情况 . 5 图 7：题辉能固态电池快充能力逐年上升 . 7 图 8：中国新能源汽车充电桩数量领先全球 . 7 图 9： 2019 年消费者购车价格需求 . 8 图 10：电池成本测算思路 . 8 图 11：固态电池加工成本低于传统锂电池 . 9 图 12： 6GWh 生产线投资对比，氧化物优势明显 . 11 表 1：不同正极 /负极的比容量对比。 . 6 表 2： LLZO 原材料价格 . 9 表 3： LLZO 加工成本低于液态电解质成本 . 9 表 4：传统液态锂电池加工线生 产参数 . 9 表 5： LLZO 氧化物 Li 负极固态电池加工线生产参数 . 10 表 6：辉能固态电池成组效率领先同业 . 11 表 7：辉能电池包成本占优 . 12 表 8：不同氧化物型电解质对比 . 12 行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 3 1. 安全性 是增加安全性还是本身安全 1.1 安全性问题亟待解决 安全性是新能源汽车放量的必要条件。 新能源汽车作为一种大众化的交通工具，在新能源汽车放量的三大条件（安全性，便利性，经济性）中，安全性是最基础需要满足的条件，其次便利性是新能源汽车放量的必要条件，考虑到新能源汽车的本质经济性是新能源汽车放量的充分条件。然而电池的安全性问题仍然是新能源汽车安全性的最重要问题之一。 动力电池的安全问题仍然困扰行业。 根据国家市场监督管理总局公布的数据，新能源汽车2020 年上半共发布 4 批次召回，涉及 1.43 万辆缺陷汽车，召回车型包括奇瑞艾瑞泽 7e、特斯拉 Model X、江西昌河北斗星电动汽车、力帆 650EV300 纯电动车。其中因动力电池存起火隐患被召回的缺陷车辆为 3651 辆。 2019 年国家市场监督管理总局要求召回 33281辆新能源汽车，涉及企业有特斯拉、北汽新能源、蔚来汽车、宝马（中国）、奇瑞汽车、郑州宇通客车、南京金龙客车、哈尔滨通联客车等 9 家车企。因动力电池问题而召回的新能源汽车数量有 6217 辆，占 2019 年新能源汽车总召回量的 18.68%。 图 1： 2019 年新能源汽车召回情况：动力电池成为主要 隐患之一 资料来源： 电池中国网， 天风证券研究所 在电池失控的主要触发条件当中，短路占绝大多数（ 90%） 。 短路可以由多种可能的 情况造成，是电池热失控过程中普遍的共性特征，短路原因可大致分为：电池系统浸水非纯水为导电介质导致外短路；电池机械压穿刺导致隔膜机械破坏电池正负极搭接引发内短路；析锂导致枝晶生长枝晶刺穿隔膜诱发内短路也称自引发内短路。随着电池能量 密度 的提升， 短路问题越发明显。 1.2 新能源保有量已超 400 万辆 新能源汽车保有量超过 400 万辆。截至 2020 年 5 月，我国新能源汽车保有量 417 万辆；2019 年我国新能源汽车产量 381 万辆，保有量增加 36 万辆 。 2019 年我国新能源汽车保有量增加 120 万辆，已经进入保有量增长超百万的时代，保有量超千万已经不远。 图 2： 中国新能源汽车保有量情况 行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 4 资料来源： 公安部 ， 中国储能网， 天风证券研究所 截止至 2019 年 12 月，全球新能源汽车保有量为 479 万辆，其中美国保有量 88 万辆，欧洲 97 万辆。同时随着欧洲疫情的结束以及欧洲各国的政策加码，欧洲市场也将逐渐恢复，2020 年欧洲电动车销量甚至有望突破 100 万辆。美国燃油经济性目标尚不明确，上市的新能源汽车车型寥寥无几。北美新能源汽车销量预计仅 38 万辆，与中国和欧洲销量逐渐拉开差距。 图 3： 全球新能源汽车保有量情况 资料来源： IEA， 天风证券研究所 1.3 年产百万时代对安全性的再思考 电池安全性：降低风险概率还是本质安全。 关于电池安全性有两种可选模式：第一种，虽然电池可能出现安全问题，但是通过增加安全性设计，降低出问题的概率，达到安全性标准。第二种，选用不会起火燃烧的电池。 年产百万辆新能源汽车，迫切需要本质安全的电池。 汽车在国内新能源汽车年产量达到百万辆，保有量已经突破 400 万辆的今天，电池出现问题的小概率事件，也可能在大基数下变得常态化。车厂对于安全性的要求会越来越高，发展本身安全不会起火电池的迫切性也越来越高。 因为固态锂电池中 采用强度更高的固态电解质 ，能够抑制锂枝晶的产生 ， 有望解决 电池短路的问题。同时， 固体电解质具有更好的电化学稳定性和不可燃性， 直接裁剪、穿刺、浸429115326138141701002003004005006002015 2016 2017 2018 2019 2020Q2新能源汽车保有量（万辆）0.02 0.05 0.11 0.22 0.40.721.181.933.274.79024681012142010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019全球新能源车保有量（百万）China BEV China PHEV Europe BEVEurope PHEV United States BEV United States PHEVOther BEV Other PHEV World BEV行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 5 水后的固态电池还可以继续工作。 例如台湾辉能产的 LCB 固态电池采用了固态 氧化物 电解质，电池遭破坏后无起火、爆炸的危险。实验证实，死折、撞击、穿刺及剪切后 LCB 仍可放电。甚至在更严苛的枪击测试后，LCB 温度仅上升 3 C5 C，无起火或冒烟且可持续使用。此外， LCB 防爆等级通过认证，安全性毋庸置疑。 图 4： 辉能 LCB 电池安全性能测试 资料来源： 辉能 公司产品手册 ， 天风证券研究所 2. 便利性 -里程焦虑的解药 便利性是新能源汽车放量的必要条件之一。 新能源汽车充电速度无法和燃油车媲美，想达到和燃油车同样的便利性，理论上续航里程应该超越燃油车。在汽车的载重和空间限制下，能搭载的电池重量和体积都比较有限。提升续航里程的最主要办法还是提升电池的能量密度。 固态电解质 VS 隔膜电解液。 固态锂电池采用固态电解质体系替换了传统锂电池的隔膜电解液体系。从目前半固态电池的测试情况来看，赣锋 的第一代半固态电池能量密度可达250Wh/kg， 明显高于采用同样正负极材料的传统锂离子电池 。 图 5： 与相同电极材料的液态电池相比，赣锋固态电池能量密度更高 资料来源： GGIB， 天风证券研究所 图 6： 辉能固态能量密度研发情况 195250300400050100150200250300350400450液态锂离子电池NCM523/石墨赣锋量产一代NCM523/碳负极赣锋研发一代高镍三元 /含 Li负极赣锋探索一代高镍三元 /金属锂行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 6 资料来源： D1EV， 天风证券研究所 固态电解质 -突破能量密度天花板。 目前国内基于液态电解液的锂离子电池能量密度 已经接近 天花板，目前普遍认为现有的锂离子电池体系的能量密度上限是 350Wh/kg，要进一步提升电池的能量密度就需要 改变体系。正极材料已经达到 NCM811，改善的空间已经不大，而负极目前仍然以石墨为主，金属锂负极的能量密度是石墨负极的 10 倍以上，金属锂负极可能是未来锂离子电池能量密度进一步提升的重要突破口。但金属锂负极在若干次循环后会产生枝晶，在液态隔膜和电解液体系中会影响安全性，固态电解质 液态电解质其机械强度更高，能够抑制锂枝晶的生长，因此理论上全固态电池可以通过采用 锂 金属负极达到 500Wh/kg 以上的能量密度 。 表 1： 不同 正极 /负极的比容量对比。 正极活性物质分子式 缩写 比容量 /mAhg-1 平均电压（ vs.Li） V LiCoO2 140 LCO-140 140 3.8 LiCoO2 180 LCO-180 180 4.3 LiCoO2 220 LCO-220 220 4.4 LiMn2O4 LMO 130 4.05 LiFeP04 LFP 160 3.4 LiCoPO4 LCP 130 4.8 LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2 NCM333 160 3.7 LiNi0.5Mn0.2Co0.3O2 NCM523 180 3.7 LiNi0.8Mn0.1Co0.1O3 NCM811 220 3.7 负极活性物质分子式 缩写 比容量 /mAhg-1 平均电压（ vs.Li） V 石墨 / 365 0.1 软碳 -250 容量 SC-250 250 0.5 软碳 -400 容量 SC-400 400 0.5 硬碳 HC 250 0.5 SiOx-420 容量 SiOx-420 420 0.2 SiOx-1000 容量 SiOx-1000 1000 0.4 Si-C-450 容量 Si-C-450 450 0.2 Si-C-1000 容量 Si-C-1000 1000 0.4 Si-C-2000 容量 Si-C-2000 2000 0.4 金属 Li Li 3860 0 资料来源： 吴娇杨 ,刘品 ,胡勇胜 ,李泓 .锂离子电池和金属锂离子电池的能量密度计算 J.储能科学与技术 ,2016,5(04):443-453.，天风证券研究所 157 231 250270 288 314 335386550 630700 758818 89301000LCO/石墨NCM811/SiOx(14%)NCM811/SiOx(28%)NCM811/SiOx(46%)NCM811/SiOx（ 63%）NCM811/SiOx（ 80%）NCM811/SiOx(100%)2019 2020 2021E 2022E 2023E 2024E 2025E能量密度 (Wh/kg) 能量密度 (Wh/L)行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 7 对于固态电池所诟病的内阻高、充电困难的问题，辉能在 2018 年给出的解决方案是用固态金属氧化物替代传统锂电池的核心部分，并宣称生产的固态锂电芯的内阻值能降到一般液态电池的水平，锂陶瓷电池确实在一定程度上能提高离子电导率，所以自然能减轻内阻高、充电困难的问题。根据辉能此前提供的数据来看， 2019 年实现已经实现了 5C 倍率 12分钟充电 91.70%。 图 7： 题辉能固态电池快充能力逐年上升 资料来源： 辉能公司产品手册 ， 天风证券研究所 我国在充电桩保有量上 优势 明显 。截至 6 月底，全国已累计建设充电站 3.8 万座、换电站449 座，建成各类充电桩 132.2 万个，其中公共桩 55.8 万个、私人桩 76.4 万个。同时，还建成“十纵十横两环” 4.9 万公里高速公路快充网络。如果将固态电池本身优越的续上能力和较好的快充性能搭配上我国得天独厚的充电网络，固态电池新能源车在便利性上有能力取代燃油车。 图 8： 中国新能源汽车充电桩数量领先全球 资料来源： IEA， 天风证券研究所 3. 经济性 如何翻过成本这座山 3.1. 成本最终决定了市场规模 新能源汽车本质上仍然是交通工具。 新能源汽车本质仍然是交通工具，对于消费者的价值和传统汽车同样是代步工具。大部分消费者选用新能源汽车并不能让上下班的时间缩短。国内新能源补贴带动新能源汽车销量也同样说明了消费者对新能源汽车的需求仍然是代步工具。 售价决定 销量 空间 。 对于补贴已经逐步消失的新能源汽车，在安全性和便利性初步得到解决的情况下，销量的最大制约则可能是售价。依靠之前的新奇炫耀类消费很难支撑起目前93.10%82.10% 72.20%65.50% 59.20%90.30%84.50% 80.00%78.40% 77.20%92.80% 87.80% 84.80% 82.50% 80.40%92.80%90.10%96.20% 98.00% 91.70%00.20.40.60.811.260mins 1C 30mins 2C 20mins 3C 15mins 4C 12mins 5CPLG(2017)Ratio PLG(2018)Ratio PLG 2019 (T-) PLG 2020 (T)行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 8 百万辆甚至未来千万辆级别的年销量。而传统汽车的销售分层较为明显， 2019 年国内消费者购车价格需求中， 25 万以下的车型占比超过 70%。新能源汽车的售价目前降至 25 万左右，市场已经逐步打开，但如果希望市场达到千万辆级别仍需要同级别的新能源汽车售价降低至 18 万元以下。对电池成本占比偏高的新能源汽车来说，进一步降低电池成本的需求同样迫切。 图 9： 2019 年消费者购车价格需求 资料来源： 巨量引擎， 天风证券研究所 3.2. 固态电池成本下降空间较大 固态电池仍处于实验室 /中试阶段，目前的生产成本不具备参考意义。 为定量研究固态电池成本，参考 Joscha Schnell 的文献，依据研究成果、专家访谈和供应商报价，结合电池性能和成本，设定具体的参数。 我们建立自下而上的计算模型，从 材料成本、生产成本、其他可变成本、折旧和其他固定成本 对固态电池量产后未来可能达到的成本进行测算，并与现有电池进行对比。 图 10： 电池成本测算思路 资料来源： Schnell, Joscha , et al. “Solid vs. Liquid A Bottom Calculation Model to Analyze the Manufacturing Cost of Future High-Energy Batteries.“ Energy Technology (2020)，天风证券研究所 对比两种液态锂离子电池： LIB（石墨负极）、 LIB（硅碳负极）和氧化物锂负极固态电池的生产成本。 3.2.1. 原 料成本 氧化物 成本较低 首先 对比石墨负极、硅碳负极的液态锂离子电池和锂镧锆氧（ LLZO）氧化物固态电池 。13.8%15.7%23.1%18.8%28.7%40万以上 25-40万 18-25万 12-18万 12万以下行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 9 锂镧锆氧化学式为 Li7La3Zr2O12， 制备 LLZO 的方法通常为固相烧结法。锂源化合物优选氢氧化锂，镧源化合物优选氧化镧，锆源化合物优选氧化锆。 表 2： LLZO 原材料价格 品类 价格（元 /吨） 氧化锆平均 (ZrO2+HfO2) 99.9%,100 目 :浙江 56,000 氧化镧 : 99.999%:中国平均 18,000 氢氧化锂 56.5%:国产 49,000 资料来源： Schnell, Joscha , et al. “Solid vs. Liquid A Bottom Calculation Model to Analyze the Manufacturing Cost of Future High-Energy Batteries.“ Energy Technology (2020)， wind，天风证券研究所 LLZO 氧化物电解质的原料成本约为 7.3$/kwh， 低于目前液态电解质的总成本 11.7$/kwh。如果 电解质制备 成本低于 4.4$/kwh， 那么固态电池的 材料成本 将低于传统液态电池。 表 3： LLZO 加工 成本低于液态电解质成本 成分 物料 密度 /质量 单位 价格 单位 电解质 液态 LiPF6 EC DMC 1.3 g/cm 11.7 $/kwh 固态 LLZO 5.1 g/cm 7.3 $/kwh 资料来源： Schnell, Joscha , et al. “Solid vs. Liquid A Bottom Calculation Model to Analyze the Manufacturing Cost of Future High-Energy Batteries.“ Energy Technology (2020)， wind， 天风证券研究所 此外， 由于 固态电池不需电解质填充步骤 (注液 )，组装过程大大简化， 固态电池组装成本明显低于 液态锂离子电池 。 图 11： 固态电池加工成本低于 传统锂 电池 资料来源： Schnell, Joscha , et al. “Solid vs. Liquid A Bottom Calculation Model to Analyze the Manufacturing Cost of Future High-Energy Batteries.“ Energy Technology (2020)，天风证券研究所 对比同样采用石墨负极的液态锂电池和固态锂电池，固态电池的加工成本为$20.9/kwh， 比液态电池加工成本低 $4.6/kwh。 从电池成本考量，只要固态电解质的加工成本低于 $9/kwh， 固态电池的可变成本有望低于传统锂电池。 3.2.2. 建设投资 固态电池 生产简单，投资较低 为 了对比 固定 成本 中的生产线建设投资 ，假设工厂年产能 6GWh。如果达到相同大规模的量产， 由于无需使用液体 电解质 ，固态电池外壳与组装工艺得到简化 ， 固态电池生产线的成本 将 低于液态电池。 表 4： 传统 液态锂电池加工线生产参数 工序 投资 设备价值 /$ 额外投资 /$ 正极 匀浆 2220650 736000 涂布 7616220 - 25.5 2420.915.5051015202530液态锂电池 (石墨负极）液态锂电池 (硅碳负极）固态电池 (石墨负极）固态电池 (锂负极）加工成本（$kwh）行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 10 压延 1380000 - 分切 632500 - 负极 匀浆 2220650 736000 涂布 11308272 - 压延 1380000 - 分切 632500 - 干燥 460000 - 电芯装配 切割 423200 - 叠片 661825 - 焊接 1092500 - 入壳 2645000 - 封装 747500 - 注液 2875000 - 极耳焊接 517500 - 化成 785624 575000 陈化 17250 575000 质检 2875000 - 总计 38270541 2622000 资料来源： Schnell, Joscha , et al. “Solid vs. Liquid A Bottom Calculation Model to Analyze the Manufacturing Cost of Future High-Energy Batteries.“ Energy Technology (2020)，天风证券研究所 表 5： LLZO 氧化物 Li 负极固态电池加工线生产参数 工序 投资 设备价值 /$ 额外投资 /$ 正极电解质 匀浆 2220650 736000 涂布 2615039 - 隔膜 匀浆 2220650 736000 涂布 2178878 - 压延 632500 - 分切 423200 - 烧结 2200000 - 正极 匀浆 2220650 736000 丝网印刷 158465 - 回火 2200000 - 负极 挤出 950000 - 压延 1380000 - 层压 460000 - 分切 632500 - 电芯装配 切割 423200 - 叠片 330912.5 - 焊接 1092500 - 入壳 2645000 - 极耳焊接 517500 - 封装 747500 - 化成 1483094 575000 陈化 17250 575000 质检 2875000 -