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证券研究报告：电力设备|深度报告 2023年6月2日 市场有风险，投资需谨慎 请务必阅读正文之后的免责条款部分 行业投资评级 强于大市|维持 行业基本情况 收盘点位 8659.08 52 周最高 12512.49 52 周最低 8517.05 行业相对指数表现（相对值）资料来源：聚源，中邮证券研究所 研究所 分析师:王磊 SAC 登记编号:S1340523010001 Email:分析师:虞洁攀 SAC 登记编号:S1340523050002 Email:近期研究报告 光伏产业链加速降低，5 月电动车销量同环比双增-2023.05.28 固态电池行业深度：产业化按下加速键，技术突破进行时 投资要点 相比液态电池，固态电池具备更高能量密度、更高安全性、更长循环寿命、更好低温性能等多种性能优势。能量密度方面，固态电池可做到 400wh/kg 以上，是现有液态电池的两倍。由于没有了液态的电解液，固态电池的材料体系可以有更多的可能性，比如负极采用金属锂；液体漏液漏气等安全问题也可进一步规避，电池的热稳定性更好；pack层面可以简化非必要器件，从而提高体积利用率。固态电池材料体系端最大变化在于电解质。通常我们将电池内液体含量 10%作为区分半固态电池和液态电池的分界线，因此固态电池和液态电池最大区别在于电解质，现有三种路线：聚合物、氧化物、硫化物。正极和负极材料端，主要诉求还是进一步提升能量密度，正极有望采用高镍三元、富锂锰基等材料，负极有望采用硅负极、锂金属等材料。另外，固态电池的封装形态将采用软包形式，有望增加铝塑膜应用。全球技术路线百花齐放，国内以氧化物为主。全球固态电池技术研发主要集中在欧、美、日、韩、中，其中日韩致力于硫化物路线，以传统车企和电池厂主导；美国技术路线多元，初创企业较多，典型代表为 Solid Power；欧洲近几年转为投资为主，以传统车企大众宝马等为代表在全球投资入股技术合作创新企业；国内以氧化物路线居多，主要参与者既包括宁德、国轩等传统电池企业，也有以学界领军者入局产业化为代表的初创企业，如卫蓝新能源、江苏清陶等。从进度来看，国内半固态电池已量产装车，全固态电池技术突破进行时，固态电池有望接棒引领技术新潮。风险提示 产业化进程不及预期；技术路线变更风险；海内外政策变化。重点公司盈利预测与投资评级 代码 简称 投资评级 收盘价（元）总市值（亿元）EPS（元）PE（倍）2023E 2024E 2023E 2024E 300750.SZ 宁德时代 增持 228.4 10042.9 10.6 14.2 21.6 16.1 603659.SH 璞泰来 买入 35.5 716.5 2.0 2.9 17.4 12.3 300073.SZ 当升科技 增持 50.2 254.3 2.8 3.5 18.0 14.4 688005.SH 容百科技 增持 60.1 271.2 0.6 0.8 98.6 78.1 688567.SH 孚能科技 增持 22.0 267.3 1.0 1.4 21.3 16.3 资料来源：iFinD，中邮证券研究所（注：未评级公司盈利预测来自 iFinD 机构的一致预测）-16%-12%-8%-4%0%4%8%12%16%20%2022-06 2022-08 2022-10 2023-01 2023-03 2023-05电力设备 沪深300 请务必阅读正文之后的免责条款部分 2 目录 1 固态电池有望是下一代电池技术制胜关键.5 1.1 固态电池定义.5 1.2 基础研究历史悠久，产业化落地进行时.6 1.3 固态电池具备高能量密度、高安全性等性能优势.7 2 固态电池会带来哪些材料体系的变化？.11 2.1 固态电解质：是固态电池相比液态电池最大的区别.11 2.2 正极：向高镍、无钴、富锂等高能量密度方向发展.16 2.3 负极：硅负极、锂金属有望成为未来选择.18 2.4 隔膜：作为半固态电池过渡阶段选择.21 2.5 电芯：串联能有效提升固态电池电压.22 2.6 封装：采用软包封装形态，有望增大铝塑膜用量.23 3 固态电池产业化进度到哪了？.24 3.1 各国积极布局固态电池，技术突破持续加速.26 4 相关标的.33 4.1 半固态/固态电池相关标的.33 4.2 固态电池材料相关标的.37 5 风险提示.38 请务必阅读正文之后的免责条款部分 3 图表目录 图表1：液态锂电池向固态电池发展进程.5 图表2：固态电池与液态电池结构对比.5 图表3：固态电池研究发展历史.6 图表4：中美欧政策设立电池远期目标.7 图表5：电池能量密度发展路线.8 图表6：固态电池电化学窗口示意图.9 图表7：电池正极材料工作电压对比（单位：V）.9 图表8：固态电池与液态电池正负极材料对比.9 图表9：液态电池安全隐患.10 图表10：液态与固态电池在电池组层面比较.11 图表11：三类固态电解质优缺点.12 图表12：三类固态电解质性能比较.13 图表13：三类固态电池制造工艺比较.14 图表14：固态电解质机械稳定性比较.14 图表15：电解质/电极界面接触示意图.15 图表16：固态电池中正极和负极界面处的化学势变化接触示意图.16 图表17：正极材料性能比较.16 图表18：2021年三元材料市场份额占比.17 图表19：2022年三元材料市场份额占比.17 图表20：富锂锰基能量密度与电压示意图.18 图表21：电池正极材料克容量对比（单位：mAh/g）.18 图表22：各负极材料性能指标对比.19 图表23：负极材料性能发展趋势.19 图表24：2015-2025年硅基负极出货量及预测（吨）.19 图表25：Quantumscape锂金属负极性能.20 图表26：液态锂电池与固态电池成本对比.20 图表27：锂金属仍需解决锂枝晶的问题.21 图表28：涂覆前后图示.22 图表29：涂覆与干法、湿法隔膜工艺对比.22 图表30：电池串联图示.23 图表31：电池并联图示.23 图表32：半固态电池密封串联图示.23 图表33：三种电池封装方式比较.24 图表34：2022-2030年中国固态电池出货量预测(单位：GWh).25 图表35：2022-2030年中国固态电池市场空间预测(单位：亿元).25 请务必阅读正文之后的免责条款部分 4 图表36：相关车企布局推动固态电池产业化进程.26 图表37：全球主要固态电池企业.27 图表38：Quantumscape产品循环寿命.28 图表39：博洛雷电动汽车.29 图表40：日产汽车固态电池“2030愿景”.30 图表41：各公司固态电池指标对比.30 图表42：公司固态电池产品架构.31 图表43：国内外电池企业布局进展情况.32 图表44：全球固态电池企业布局路线.32 图表45：固态电池相关标的.33 图表46：公司固态电池发展历程.34 图表47：公司固态电池核心技术.34 图表48：原位固态化技术.35 图表49：复合金属锂技术.35 图表50：公司固态电池产品指标.36 图表51：公司固态电池ASM 技术.36 图表52：公司半固态电芯开发进展.37 图表53：公司半固态电池图示.37 图表54：固态电池相关体系材料标的.38 请务必阅读正文之后的免责条款部分 5 1 固态电池有望是下一代电池技术制胜关键 1.1 固态电池定义 固态电池指使用固态电解质代替传统电解液的锂电池，按照固态电解质用量可分为半固态电池和全固态电池。通常我们将电池内液体含量 10%作为区分半固态电池和液态电池的分界线，而全固态电池将完全使用固态电解质，液体含量将降为0%。图表1：液态锂电池向固态电池发展进程 资料来源：卫蓝新能源固态电池的开发现状及应用思考，中邮证券研究所 液态电池使用液态电解质来传递离子并产生电流。充放电过程中，锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插，中间的隔膜用于隔离正负极从而避免出现短路。而固态电池则使用固体电极和固体电解质，从而避免了正负极接触导致短路等安全隐患发生。图表2：固态电池与液态电池结构对比 资料来源：基于聚合物电解质的固态锂电池研究，中邮证券研究所 请务必阅读正文之后的免责条款部分 6 1.2 基础研究历史悠久，产业化落地进行时 固态电池基础研究历史悠久。1831年-1834年，迈克尔法拉第发现了固体电解质硫化银和氟化铅，为固态离子学奠定了基础。1950 年代后期，科学家发现了采用固体电解质的银导电电化学系统。1967年，科学家发现快速离子传导，该离子可用于氧化铝，启动了对具有更高能量密度的新型固态电化学器件的开发，例如熔融钠/-氧化铝/硫电池在美国福特汽车公司和日本 NGK开发。在系统开发中，有机物固态电解质（聚环氧乙烷（PEO）和无机物固态电解质（NASICON）被发现。1990 年代，美国橡树岭国家实验室开发了新型固态电解质：氮化锂磷氧（LiPON），可用于制造薄膜锂离子电池。2011 年，Kamaya等人展示了第一个固体电解质（LAGP），能够在室温下实现超过液体电解质对应物的体积离子电导率。2017年，锂离子电池的共同发明者约翰古迪纳夫推出了一款固态电池，它使用玻璃电解质和由锂、钠或钾组成的碱金属阳极。图表3：固态电池研究发展历史 资料来源：维基百科，中邮证券研究所 请务必阅读正文之后的免责条款部分 7 基础技术研发深度沉淀，固态电池逐步迈向产业化。锂电池作为目前最广泛使用的动力电池产品，其性能指标要求也将不断提升。固态电池在性能方面具有更大的优势，是电池技术发展的远期目标，各个国家也制定了相关政策文件指引：中国：2017 年和 2021 年中国分别发布固态电池相关政策方案，旨在推动固态电池比容量达 500Wh/kg、超过 600WWh/kg；美国：发布锂电池国家蓝图（2021-2030），将远期目标定为动力电池能量密度达 500Wh/kg 并实现 100%去钴化和去镍化；欧盟：发布相关政策文件将电池实现 400Wh/kg 能量密度作为远景目标。图表4：中美欧政策设立电池远期目标 资料来源：工信部，美国能源局，欧盟官网，中邮证券研究所 1.3 固态电池具备高能量密度、高安全性等性能优势 新能源车长续航诉求强烈，要求锂电池能量密度要求持续提高。根据公式：续航能力=可用电量/能耗。在相同能耗不变，电池包体积和重量不变都受到严格限制的情况下，新能源汽车的单次最大行驶里程主要取决于电池的能量密度。因此，近年来锂电池材料不断向更高能量密度方向发展。国家 电池发展目标2017年工信部发布促进汽车动力电池产业发展行动方案，到2025年，新体技术取得突破性进展，单体比能量达500Wh/kg2021年“新能源汽车”重点专项2021年度项目申报指南建议发布，推动全发展，比能量600Wh/kg美国美国锂电池国家蓝图（2021-2030）发布：（1）近期目标（2025年）包括降至60美元/kWh，提出并完善便于回收利用的电池组设计，优先开发无钴电池远期目标（2030年）包括将电动车电池组制造成本进一步降低50%，将消费电子储能电池的回收率提升至90%，实现包括固态电池和锂金属电池在内的前沿电池产，能量密度达到500Wh/kg，实现100%电池去钴化和去镍化欧盟欧盟发布用于电动汽车的固态锂离子电池文件，计划于2025年推出200Wh/电池、2030年推出250Wh/kg镍锰钴混合氧化物电池，远景为实现400Wh/kg的性中国 请务必阅读正文之后的免责条款部分 8 固态电池优势之一：能量密度高。固态电池能量密度有望超 400wh/kg，是目前铁锂电池的 2 倍。目前磷酸铁锂电池的能量密度在 200wh/kg 左右，对应续航在 300-500km。三元电池的能量密度在 250wh/kg 左右，对应续航 500-700km。而固态电池若采用高镍三元+金属锂的材料体系，能量密度有望超过 400Wh/kg，续航将获得重大提升。图表5：电池能量密度发展路线 资料来源：德勤锂电白皮书系列之二：电池“风云”，中邮证券研究所 固态电池可搭配更高活性及克容量的正负极材料和高压电极材料。电池能量密度主要取决于两个因素：工作电压和正负极材料克容量。当锂电池在工作，电池电压会随着电量的降低而下降。若其他条件不变，同等电流下高电压的工作时间明显比低电压长，因此相应具备更高容量。材料克容量指每克锂电池材料所含电量，克容量越大使得能量密度越大。（1）固态电池电化学窗口宽，可适配高能电极。电解质的电化学窗口等于其在负极发生还原反应和在正极发生氧化反应所限定的电压范围。固态电解质的电化学窗口大，其抵抗负极还原和正极氧化的能力强，能够匹配更高正极和更低负极的电极材料，从而实现更高的电池能量密度。理论上固态电池所用材料工作电压可以达到 5V。目前市场主流正极材料工作电压均位于 3.2-3.8V 区间，而固态电池所用正极材料富锂锰基则可以达到4.5V。请务必阅读正文之后的免责条款部分 9 图表6：固态电池电化学窗口示意图 图表7：电池正极材料工作电压对比（单位：V）资料来源：石榴石型 Li7La3Zr2O12 固态锂金属电池的界面问题研究进展，中邮证券研究所 资料来源：振华新材招股书，德勤锂电白皮书系列之二：电池“风云”，中邮证券研究所（2）由于电池化学反应场所主要在正负极，因此电池能量密度与正负极材料有密不可分的关系。锂电池能量密度已进入瓶颈期，其负极材料多以石墨为主，石墨的理论克容量 370mAh/g，正极材料三元材料镍钴锰(NCM)约为200mAh/g。目前市场较为成熟的液态电池正负极搭配是高镍三元+人造石墨，克容量极限可达 357mAh/g。而固态电池则可以搭配更高容量的富锂锰基+硅碳负极材料，克容量极限可超过500mAh/g。图表8：固态电池与液态电池正负极材料对比 资料来源：锂电联盟会长，中邮证券研究所 固态电池优势之二：安全性高。固态电解质相比液态电解液可以解决漏液挥发等安全问题。由于固态电解质燃点非常高，因此将液态电解液更换为固态012345钴酸锂 锰酸锂 磷酸铁锂NCM NCA富锂锰基 请务必阅读正文之后的免责条款部分 10 电解质材料，将有效提升安全性。目前最先进的液态锂电池由多孔电极和一个隔板组成。电极涂覆在集流体上，集流体由导电活性材料、试剂和粘合剂组成。离子转移需要经过液体电解质，其主要由非质子有机溶剂和导电盐组成。目前面临的诸多安全问题都可归咎于液态电解质溶剂的可燃性。用固态电解质代替传统有机液态电解液，可以从根本上解决漏液以及电解液挥发导致的安全问题。图表9：液态电池安全隐患 资料来源：MSE Supplies，中邮证券研究所 固态电池优势之三：重量轻。固态电池不需要电解液和隔膜，其可以实现多层正极、固态电解质和负极材料堆积。先串联后再封装焊接，有效简化封装，使得整体电池包的重量和体积得以缩减从而提升续航能力。请务必阅读正文之后的免责条款部分 11 图表10：液态与固态电池在电池组层面比较 资料来源：All-solid-state lithium-ion and lithium metal batteries paving the way to large-scale production，中邮证券研究所 固态电池优势之四：循环寿命更长。固态电解质为单离子导体，副反应少，循环寿命更长。由于固体电解质不具有流动性，因此不会出现 SEI膜反复生长与溶解脱落的问题，有助于实现稳定循环。此外，全固态电池中过渡金属不易发生溶解，可以避免由过渡金属溶解导致的正极容量衰减以及过渡金属在负极侧沉积进而催化 SEI膜分解的问题。2 固态电池会带来哪些材料体系的变化？2.1 固态电解质：是固态电池相比液态电池最大的区别 固态电池主要分为三条路线：聚合物、氧化物及硫化物，由其采用的电解质来做区分。氧化物与硫化物属于无机固态电解质，其架构为正极活性材料、固体电解质的颗粒以及导电碳组成复合正极，匹配氧化物或硫化物固体电解质层及金属锂负极组成全固态电池。聚合物电解质由溶解锂盐的固体聚合物电解质(SPE)构成。请务必阅读正文之后的免责条款部分 12 离子电导率、界面相容性、机械性能及电化学稳定性为核心衡量指标，理想的固态电解质应具有高电导率、宽电化学窗口及良好的电化学和机械性能。目前聚合物最早实现商业化但存在缺陷，氧化物体系目前产业化进度较快，而硫化物处于开发进度早期但未来发展空间巨大。聚合物黏弹性好因此机械性能较强，但其存在高成本及基体高度结晶导致电导率低的缺点；氧化物氧化电位较高因此电化学窗口宽，但制约其发展因素是电解质与电解质阻抗大，界面反应会造成电池容量衰减；虽然硫化物界面稳定性较差，但其电导率最高（10 4-10 2S/cm），因此开发潜力最大。但其复合正极中界面机械性能差且硫化物硬度较低，存在一定程度可变性，需通过外加压力来提升界面物理接触。图表11：三类固态电解质优缺点 资料来源：卫蓝新能源固态电池的开发现状及应用思考，固态锂电池十年(20112021)回顾与展望，中邮证券研究所 请务必阅读正文之后的免责条款部分 13 图表12：三类固态电解质性能比较 资料来源：nature review materials，中邮证券研究所 固态电池与液态电池制备工艺差异主要在中后段，固态电池制备需要加压或烧结而不需要注液化成。氧化物电池制备需要烧结回火。氧化物固态电池制造工艺为通过球磨的方式制备正极和固态电解质，后将固态电池溅射至正极。因为正极材料会和固态电解质发生反应从而导致其锂离子大量消耗、电池容量衰减，所以需要将正极-电解质材料进行高温煅烧来改善固-固接触从而提高电导率。硫化物电池制备需要加高压且对空气很敏感，成本较高。硫化物电解质层厚度较厚，需要较高压强来压实。此外，硫化物电解质化学性质不稳定，易被空气氧化。聚合物电池通过电极与电解质的卷对卷组装来实现。卷对卷工艺原理简单，适合大规模生产，但受醚类聚合物电解质材料限制需在高温下工作所以面临容易短路的问题。此外，由于难以兼容高电压正极材料，因此能量密度不高。请务必阅读正文之后的免责条款部分 14 图表13：三类固态电池制造工艺比较 资料来源：锂电联盟会长，固态锂电池关键材料表界面稳定性研究，中邮证券研究所 当前固态电解质发展仍面临不少技术上的痛点：（1）固态电解质机械稳定性：固态电池的主要特性为凭借其高强度抑制锂枝晶的生长，从而匹配金属锂负极，因此电解质材料的强度至关重要。根据Newman 与 Monroe 预测，当固体电解质的剪切模量足够大（临界值为 9GPa），可以抑制锂枝晶的生长，避免由锂枝晶刺穿导致的短路等安全问题。聚合物电解质通常无法抑制锂枝晶的生长；硫化物电解质有望抑制锂枝晶；氧化物电解质在抑制锂枝晶生长方面表现最优。图表14：固态电解质机械稳定性比较 指标 聚合物 硫化物 氧化物 剪切模量 5GPa 7-11GPa 60-80GPa 资料来源：固态锂电池关键材料表界面稳定性研究，中邮证券研究所（2）固态电解质/电极固-固界面稳定性：传统锂电池的电极活性材料颗粒完全浸泡在电解液中，因此，其电极和电解质之间可以保持良好接触。但在固态锂电池中，界面接触不良会导致活性颗粒利用率低，极化大，甚至在循环过程中失去接触。聚合物具有弹性和可变形性，电解质与正极颗粒之间具有较好的接触。由于具有一定可变形性。硫化物颗粒与正极材料颗粒在压力下可形成较高的压实密度与界面接触。因此，通过外加压力可大幅改善活性物质颗粒与硫化物电解质之间的接触。氧化物硬度最高、脆性最大，室温冷压获得的复合 请务必阅读正文之后的免责条款部分 15 电极中与活性物质的接触通常为点接触。点接触会导致容量不完全发挥及引起电流和应力不均匀分布。图表15：电解质/电极界面接触示意图 资料来源：固态锂电池关键材料表界面稳定性研究，中邮证券研究所（3）电化学稳定性：当固态电解质与电极接触时，界面处会发生电化学反应，主要为电解质本身的氧化还原分解反应，包括电子或载流子的嵌入或脱出。这两种反应可以单独或同时发生，共同决定了电解质的电化学窗口。电解质的电化学窗口是指没有氧化还原分解反应的电压范围。氧化物具有在负极侧最好的耐还原能力，因此电化学稳定性较好。硫化物的电化学稳定区间较窄，会发生氧化还原分解反应，这说明在正极与负极侧硫化物均会发生电化学反应导致的副反应，从而导致电化学稳定性不佳。聚合物电解质在高电压的正极一侧稳定性较差，易发生氧化分解，引起电池的性能急剧衰降。请务必阅读正文之后的免责条款部分 16 图表16：固态电池中正极和负极界面处的化学势变化接触示意图 资料来源：北极星储能网，中邮证券研究所 2.2 正极：向高镍、无钴、富锂等高能量密度方向发展 固态电池对能量密度要求高，正极向高镍、无钴和富锂等方向发展。目前市场主流正极材料包括钴酸锂（LCO）、锰酸锂（LMO）、磷酸铁锂（LFP）以及三元正极材料（NCM 及 NCA）。三元材料具备高能量密度的特点，其中，中高镍（5系、6 系）和高镍三元材料（8 系、9 系）比容量上限分别可以达到 205mAh/g、220mAh/g。图表17：正极材料性能比较 资料来源：振华新材招股说明书，中邮证券研究所 中镍、中高镍（镍5系、镍6系）高镍三元（镍8系、镍9系）工作电压（V）3.7 3.8 3.2 3.7-3.8 3.6-3.8 3.7-3.8比容量（mAh/g）140-200 100-120 135-145 190-220 150-205 190-220循环性能 中 低 高 中 高 中成本 高 低 低 较高 中 较高安全性能 差 良好 好 较差 较好 较差优势总结 体积能量密度高 价格低安全性高、价格较低能量密度高能量密度高、循环寿命长、安全性好高能量密度劣势总结 成本高、安全性差能量密度低、循环寿命短能量密度低成本较高、安全及循环性能有待提高成本较高成本较高、安全及循环性能有待提高镍钴锰酸锂（NCM）项目 钴酸锂（LCO）锰酸锂（LMO）磷酸铁锂（LFP）镍钴铝酸锂（NCA）请务必阅读正文之后的免责条款部分 17 固态电池高能量密度要求驱动，高镍化趋势得以加强。8 系三元市场占比从 2021 年的 36%增长至 2022 年的 43%，5 系三元市场占比从 2021 年的 48%下降至 2022 年的 35%，主要系海内外中高端车型多采用高镍路线带动包括宁德时代、松下、LG 能源、三星 SDI、SKI 等中日韩头部电池企业的高镍电池在国际市场装机大幅增长。长期来看，随着半固态/固态电池产业化提速，三元材料能量密度高、循环寿命好的优势依旧可以保证其在高端电池市场竞争中占优，因此预计高镍化将持续深入发展。图表18：2021 年三元材料市场份额占比 图表19：2022 年三元材料市场份额占比 资料来源：鑫椤资讯，中邮证券研究所 资料来源：鑫椤资讯，中邮证券研究所 富锂锰基作为新兴正极材料具有更高能量密度上限，有望成为固态电池未来正极材料最优选择。富锂锰基正极材料是由 Li2MnO3 与 LiMO2(M=镍钴锰)两种组分构成的层状氧化物，其高容量的形成原因是源于两种机理共同作用：过渡金属的氧化还原反应和氧离子的氧化还原反应。过渡金属氧化还原反应：传统三元正极材料 NCM 和 NCA 是基于过渡金属离子的氧化还原反应贡献容量，在嵌锂过程中 Ni2+/Ni3+/Ni4+和Co3+/Co4+会被氧化，而 Mn4+是非活性的，其可逆容量为 130220mAh/g。富锂锰基材料在 24.8V 电压范围内可逆容量可达 300 mAh/g 以上，远高于基于 Ni2+/Ni3+/Ni4+和 Co3+/Co4+的氧化还原反应机理的理论值；2%48%12%36%2%3系 5系 6系 8系 NCA1%35%19%43%2%3系 5系 6系 8系 NCA 请务必阅读正文之后的免责条款部分 18 氧离子的氧化还原反应：在 4.5V 出现一个充电长平台，这一阶段 Li+脱出，氧离子发生氧化反应维持电荷守恒。在大于 4.5 V 时，电压沿倾斜曲线继续升高，伴随着氧离子被氧化为氧气逸出。图表20：富锂锰基能量密度与电压示意图 图表21：电池正极材料克容量对比（单位：mAh/g）资料来源：北极星储能网，中邮证券研究所 资料来源：容百科技招股书，振华新材招股书，德勤，中邮证券研究所 2.3 负极：硅负极、锂金属有望成为未来选择 若要满足高能量密度固态电池的需求，高容量低电压平台的硅基材料具有极大应用潜力：硅在常温下与锂合金化，理论比容量高达 4000mAh/g，是目前石墨类负极材料的十倍以上；与石墨相比，硅元素在地壳中含量丰富，分布广泛，为地壳质量的25.8%，是地壳中储量第二丰富的元素；硅的电压平台为 0.3-0.5 V，不存在析锂隐患，大幅提高安全性能；硅基负极材料的低温性能比石墨优良；能从各个方向提供锂离子嵌入和脱出的通道，快充性能优异。硅负极有望成为石墨负极的理想替代品。050100150200250300350400450钴酸锂 锰酸锂 磷酸铁锂NCM NCA富锂锰基 请务必阅读正文之后的免责条款部分 19 图表22：各负极材料性能指标对比 图表23：负极材料性能发展趋势 资料来源：储能前沿，中邮证券研究所 资料来源：电池中国，中邮证券研究所 随着国内外头部电池供应商跟进布局，预计将带动硅基材料爆发式增长。2021 年硅基负极材料出货量达 1.1 万吨，同比增长 83%，占负极材料出货量的1.5%，预计 2022 年将达 1.5 万吨。此外，国内多家头部公司已开始加速硅基负极应用进程。杉杉股份已实现批量供货，主要应用在 3C 等领域，动力电池已经通过主流车企的多轮评测；璞泰来在江西和溧阳均建设有硅基负极中试线，已通过部分客户认证；翔丰华硅基负极已具备产业化基本条件。图表24：2015-2025 年硅基负极出货量及预测（吨）资料来源：凯金能源招股书，中商情报网，中邮证券研究所 远期来看，锂金属负极有望成为未来固态电池负极最优选择。根据固态电池头部厂商 QuantumScape 产品数据，使用锂负极后能量密度最高可接近0.00.51.01.52.02.52015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022E 2023E 2024E 2025E 请务必阅读正文之后的免责条款部分 20 600mAh/g，而使用硅负极则为 300mAh/g。尽管锂金属负极理论比容量（3860mAh/g）仍低于硅基材料（4200mAh/g），然而硅材料存在一定缺陷，其在充放电过程中体积膨胀系数达 300%（商业化石墨负极膨胀系数为 5-10%）。因此，预计锂金属负极将成为未来固态电池负极选择。图表25：Quantumscape 锂金属负极性能 资料来源：Quantumscape，中邮证券研究所 锂金属有望在固态电池降本方面发挥巨大作用。根据四类锂电池对比，采用锂负极材料的固态电池总成本最低。锂单价显著低于硅价且通过简化制造工序大幅降低了制造成本使得锂金属负极具有明显的成本优势。图表26：液态锂电池与固态电池成本对比 资料来源：Energy Technologies，中邮证券研究所 请务必阅读正文之后的免责条款部分 21 锂金属负极应用于半固态/固态电池仍面临锂枝晶的威胁。技术上锂金属仍存在树枝状晶形生长，将可能出现短路（导致热失控）和低库仑效率、循环寿命差的问题。图表27：锂金属仍需解决锂枝晶的问题 资料来源：Toward Safe Lithium Metal Anode in Rechargeable Batteries:A Review，中邮证券研究所 2.4 隔膜：作为半固态电池过渡阶段选择 全固态电池或将取代隔膜应用，而作为过渡选择的半固态电池仍对隔膜安全性要求较高。固态电池采用固态电解质，可以保证锂离子在正负极之间自由移动，因此代替了电解液和隔膜。而半固态电池仍需要电解液进行离子传导，因此需要隔膜绝缘阻隔以免正负极直接接触。半固态/固态电池所带来的高镍化会导致正极材料活跃从而致使电池不安全，因此隔膜需要结合涂覆工艺来应用于半固态电池。一方面，涂覆有效提升隔膜性能。由于湿法和干法工艺拉伸强度和低穿刺强度，因此隔膜稳定性较差。而通过涂覆的隔膜大幅提升了隔膜的热稳定性和穿刺强度，防止隔膜收缩而导致的正负极大面积接触，有效提升了产品良率及安全性。以陶瓷涂覆为例，涂覆隔膜由于陶瓷层存在抗收缩性大幅提升，机械性和安全性更好。请务必阅读正文之后的免责条款部分 22 图表28：涂覆前后图示 资料来源：动力电池网，中邮证券研究所 另一方面，涂覆工艺对高能量密度要求形成冲击，仍需结合湿法应用于半固态电池。涂覆材料隔膜厚度高于干法和湿法工艺，离子通过率低导致能量密度受影响。因此，湿法+隔膜涂覆将是半固态电池未来主要选择。涂覆材料分为无机和有机两大类，无机涂覆材料主要分为勃姆石和氧化铝，是当前市场主要应用的涂覆材料。图表29：涂覆与干法、湿法隔膜工艺对比 资料来源：中科华联招股书，头豹研究院，中邮证券研究所 2.5 电芯：串联能有效提升固态电池电压 电芯能量密度提升对固态电池性能影响巨大。传统锂电池由于单体电池内部使用液态电解液，并且承载电压超过 5V 后可能会出现易分解甚至爆炸的情况，请务必阅读正文之后的免责条款部分 23 所以只能实现外部串联而无法进行内部串联。但固态电池可以在电池内部实现串联，使单体电池电压远高于传统动力电池。以 4 颗额定电压为 3.6V 的电芯为例，通过串联可实现 13.6V 电压，而通过并联则只能实现 3.6V 电压。图表30：电池串联图示 图表31：电池并联图示 资料来源：钜大锂电，中邮证券研究所 资料来源：钜大锂电，中邮证券研究所 在半固态电池中使用密封胶，将单片电芯两边封装起来。当电解液不能四处流动，电芯内部实现串联，可以减少非必要结构件的使用，大幅度提升固态电池的存储效率，从而提高电芯的能量密度。图表32：半固态电池密封串联图示 资料来源：电子工程世界，中邮证券研究所 2.6 封装：采用软包封装形态，有望增大铝塑膜用量 请务必阅读正文之后的免责条款部分 24 固态电池有望采用软包封装体系，将增大铝塑膜需求。根据外壳的不同，锂电池电芯的封装主要分为硬壳和软包两大类。硬壳封装的材料主要为钢壳和铝壳，根据其内部正负极的排列方式不同，又分为圆柱形和方形，而软包封装主要采用铝塑膜。当固态电池采用固态电解质时，电芯不需要硬壳的封装保护。因此软包也许是未来最适合的固态电池包装形式，会受益于固态电池的产业化而大幅发展。图表33：三种电池封装方式比较 资料来源：中国粉体网，中邮证券研究所 3 固态电池产业化进度到哪了？固态电池当前处于起步阶段，产业化仍需时间。预计 2030 年中国固态电池出货量将达 251.1GWh，2030 年市场空间有望达 200亿元。请务必阅读正文之后的免责条款部分 25 图表34：2022-2030 年中国固态电池出货量预测(单位：GWh)图表35：2022-2030 年中国固态电池市场空间预测(单位：亿元)资料来源：中商情报网，中邮证券研究所 资料来源：中商情报网，中邮证券研究所 国内外多家新能源车企宣布了半固态电池装车规划，2023 有望成为“装车元 年”。宝马、奔驰、大众和丰田等海外巨头均计划于 2025 年前后推出搭载固态电池的电动汽车。东风、蔚来、赛力斯已宣布将于今年实现半固态电池装车，长安深蓝、智己、埃安、高合等车企普遍规划 2025年前装车半固态电池。清陶能源与北汽福田联合开发的首套量产商用车固态电池系统已正式下线；搭载赣锋锂电三元固液混合锂电池的赛力斯纯电动 SUV 车型 SERES5 规划于2023年上市；搭载150 度半固态电池的蔚来 ET7 已推出；东风岚图的追光系列采用自研“云母”电池系统，搭载的 82kWh 电池包采用了行业首个量产装车的半固态电池。2.95.91224.438.96298.8157.5251.10501001502002503002022 2024E 2026E 2028E 2030E61017294362891262000501001502002502022 2024E 2026E 2028E 2030E 请务必阅读正文之后的免责条款部分 26 图表36：相关车企布局推动固态电池产业化进程 资料来源：高工锂电，中邮证券研究所 3.1 各国积极布局固态电池，技术突破持续加速 全球核心固态电池产业区域为欧美、日韩和中国。欧美国家主要以自主研发固态电池技术的创业型公司为主；日韩以传统车企与电池企业合作开发为主；中国企业研发投入巨大，且以科研机构或院校为支撑，产业化进程较快。请务必阅读正文之后的免责条款部分 27 图表37：全球主要固态电池企业 资料来源：钜大锂电，中邮证券研究所 欧美、日韩、中国代表企业均积极推进固态电池布局。其中，美国初创企业众多，QuantumScape、Solid Power 等企业通过与科研机构合作已成为行业主力军。欧洲企业以车企投资初创企业为主，大众汽车投资 1 亿美元与QuantumScape 组建一家新的合资企业。宝马携手 Solid Power 共同研发全新的固态电池。日韩企业多抱团合作，三菱、日产、松下等日本企业在保有独立研发团队的基础上，组建共同研发中心。韩国领先的三大电池企业LG 化学、三星 SDI 和 SKI 也组成联盟，合作研发固态电池。中国企业起步较晚，但市场参与者多，同时车企与电池企业密切合作。（1）美国：代表企业 QuantumScape 成立于 2010 年，由斯坦福大学科学家Jagdeep Singh、Fritz Prinz 和 Tim Holme 三人创立，拥有超过 200 项固态电池专利技术。公司得到了比尔盖茨、大众集团、德国马牌集团和上汽集团的投资，目前市值超过 400 亿美元，目前已成为固态电池技术研发头部企业。产品性能：1）相较传统锂电池，公司产品续航里程提高 80%，最高续航接近 2000 公里；2）充电时间大幅缩短，相较传统锂电池需 40 分钟充至 80%，公司产品仅需 15 分钟即可；3）此外，产品循环 1000 次后仍保持 80%以上的容量。请务必阅读正文之后的免责条款部分 28 研发进度：公司已开始建设生产工厂，计划于 2023 年开始试产部分固态电池，2025年实现大规模量产。图表38：Quantumscape 产品循环寿命 资料来源：Quantumscape，中邮证券研究所（2）欧洲：代表企业博洛雷是第一家将固态电池规模商业化运作的公司，但该固态电池能量密度仅 100Wh/kg。其自主研发的电动汽车 Bluecar 搭载了子公司 Batscap 生产的 30kWh 金属锂聚合物电池，续航 120km。约 2900 辆Bluecar 投放至巴黎汽车共享服务项目 Autolib，是国际第一个采用固态锂电池的电动汽车案例。BatScap 选择聚合物技术路线，正极材料采用 LFP，负极材料采用金属锂，电解质采用聚环氧乙烷（PEO）。请务必阅读正文之后的免责条款部分 29 图表39：博洛雷电动汽车 资料来源：公开资料整理，中邮证券研究所（3）日韩：代表企业日产提出“日产汽车 2030 愿景”，计划到 2024 年建造固态电池试点工厂。到 2026 年，共投入约 1128 亿人民币加快电动技术转型。同时，日产计划在 2028 年实现固态电池大规模量产，并在同年推出首款搭载公司全固态电池的电动车型。此外，公司于 2022 年 4 月 9 日宣布与 NASA 合作开发新型全固态电池，作为2028年产品发布和2024年试点工厂采用的电池。产品性能：公司固态电池能量密度接近传统锂电池的两倍，充电时间为锂电池的三分之一，并且减少了昂贵的稀有金属用量，有效降低电池成本。该款全固态电池体积只有目前电池的一半大小，充满电仅需15 分钟。根据规划，2028 年公司全固态电池能够将电池成本降至 75美元/KWh，并在未来进一步降低至 65 美元/KWh。请务必阅读正文之后的免责条款部分 30 图表40：日产汽车固态电池“2030 愿景”资料来源：公开资料整理，中邮证券研究所（4）中国：目前国内固态&半固态电池厂商主要有清陶能源、卫蓝新能源、赣锋锂
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