固态电池行业深度报告：固态电池——后锂电时代必经之路.pdf

证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 未经许可，禁止转载 证券研究 报告 固态电池 行业深度报告 推荐 （ 维持 ） 固态电池 后锂电时代必经之路 传统液态锂电不会是动力电池的技术终点 。 众所周知，能量密度是动力电池性能的第一指标，随 着 我国电动 车 市场由“政策驱动”向“政策助跑”转换，政策对于 锂电池 能量密度提升的导向已经明确。工信部颁布的中国制造 2025指明：“到 2025年、 2030年，我国动力电池单体能量密度分别需达到 400Wh/kg、500Wh/kg”，这一技术指标已接近传统锂电池能量密度天花板。同时，随着电动车销量的增长， 自燃 爆炸等安全事故频次也明显增加， 这背后 传统锂电采用的可燃性液态电解质 难辞其咎 。在能量与安全 性能 上 ，当前 锂电池 技术 还有巨大的提升空间，传统的液态电池绝不会是技术的终点 。 固态电池是后锂电时代的必经之路 。 固态电池是 指 采用固态电解质的锂离子电池 。 性能 方面 ， 不可燃烧的固态电解质是固态电池的核心 。固态电池在 根除安全隐患的同时能带来电池能量密度的提升。开发难度上，锂硫、锂空气等新型电池需从整个电池结构入手，而固态电池的核心在于固态电解质，升级路径更加简单方便。此外，锂硫、锂空电池负极均使用金属锂， 而 金属锂负极更易在固态电解质中兼容，因此固态电池 同时 也是锂硫、锂空电池的过渡平台。纵观未来技术方向，固态电池已成必经之路， 其 作为距离我们最近的下一代电池技术已成为科学界 与产业界的 共识。 产业化尚处早期， 未来有望超速发展 。 固态电解质的低离子电导率与高界面阻抗限制了电池的能量 密度与倍率性能， 当前 尚 未有足够成熟的市场化产品。 按照 电解质 材料 的 选取 ， 固态电池 可分为三大类 ： 聚合物体系工艺最成熟，但性能上限制约发展；氧化物体系 中 薄膜 型 电池 的 难题在于容量扩充与规模化生产 ，而 非薄膜型 电池综合性能优异 ，是当前开发的热门 ；硫化物体系 则 处于发展空间巨大与技术水平不成熟的两极化局面。综合来看， 虽然 每一类固态电池体系都有较为棘手的问题需要攻坚 ，但目前 实验室产品 的 性能 已颇具潜力， 且在 全球范围内资本一致看好与龙头车企多方布局下，固态电池技术有望获得超速发展。 步步为营梯次渗透，阶段发展之路已经明晰 。 展望未来 ，固态电池将遵循阶段发展的路径， 技术上步步为营，应用上梯次渗透。电池 的结构 将逐渐减少液体的使用，向无液体的全固态电池迈进 ； 应用领域上，有望率先发挥安全与柔性优势，应用于对成本敏感度较小的微电池领域，如 RFID、植入式医疗设备、无线传感器等 ； 随着技术进步， 再 逐渐向高端消费电子渗透 ；而等到 产品 足够成熟后，最终切入电动车与储能市场，实现下游需求 的 全面 爆发。 投资建议： 固态电池 望 为新能车的未来保驾护航，关注进行前瞻布局的动力电池公司 。 毋庸置疑，锂电产业链是一个可以至少 看 10 年的行业，而新技术的开发与崛起也将不断强化行业的估值与前景。固态电池是距离商业化应用最近的下一代电池技术 ，未来 料 将为新能车 行业 带来 新 的 爆发点与关键性技术保障 。 当前已有部分上市公司布局固态电池相关业务，固态电池产品已逐渐进入投资视野。相关标的推荐 宁德时代 ， 建议关注 赣锋锂业、珈伟股份 、天齐锂业等 。 风险提示 ： 固态电池研发进展不及预期、新能源汽车及动力电池相关政策波动；新能源汽车产销量不及预期。 证券分析师：胡毅 电话： 0755-82027731 邮箱： huyihcyjs 执业编号： S0360517060005 联系人：邱迪 电话： 010-63214660 邮箱： qiudihcyjs 占比 % 股票家数 (只 ) 66 1.86 总市值 (亿元 ) 6,903.63 1.35 流通市值 (亿元 ) 4,182.81 1.14 % 1M 6M 12M 绝对表现 -0.57 -30.37 -29.1 相对表现 0.2 -9.37 -12.75 广东调频辅助服务市场启动，储能市场再迎利好 2018-08-22 -35%-18%-2%15%17/09 17/11 18/01 18/03 18/05 18/072017-09-19 2018-09-17 沪深 300 电源设备 相关研究报告 相对指数表现 行业基本数据 华创证券研究所 行业研究 储能设备 2018 年 09 月 19 日 固态电池 行业深度报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 2 目 录 写在前面的话： .5 一、传统液态锂电不会是动力电池的技术终点 .6 （一）传统动力电池体系难以满足 10 年后的能量密度需求 .6 （二 ）安全问题关乎行业健康发展，难以彻底根除 .6 二、为什么一定是固态电池 .9 （一）不燃烧，根除安全隐患 .9 （二）兼容高容量正负极 +轻量化电池系统，推动能量密度大飞跃、 .9 （ 1）更宽的电化学窗口，更易搭载高电压正极材料 .9 （ 2）兼容金属锂负极，提升能量密度上限 .9 （ 3）减轻系统重量，能量密度进一步提升 . 11 （三）固态电池是最有希望率先产业化的下一代电池技术 . 11 三、固态电池距离我们还有多远 . 13 （一）高阻抗、低倍率的核 心难题 . 13 （二）三大技术路线产业化进展 . 14 （ 1）聚合物体系：率先小规模量产，技术最成熟，性能上限低 . 15 （ 2）氧化物体系：分为薄膜型与非薄膜型，薄膜型适用于微型电子，非薄膜型综合性能优异 . 16 （ 3）硫化物体系：开发潜力最大，难度也最大 . 18 （三）产业化尚处早期，前景已有保障 . 20 （四）固态电池对锂电产业链的影响 . 20 四、阶段发展之路：步步为营，梯次渗透 . 22 五、投资建议：固态电池为新能车的未来保驾护航，关注进行前瞻布局的动力电池公司 . 22 （一）海外龙头加码研发，市场有望超速发展 . 22 （二）已布局固态电池上市公司介绍 . 23 六、风险提示 . 24 固态电池 行业深度报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 3 图表目录 图表 1 当前动力电池单体能量密度与各项政策指标仍有较大差距 .6 图表 2 中短期动力电池能量密度的天花板已现，难以满足 2025 年政策指标。 .6 图表 3 国内新能源汽车安全事故年发生次数（例） .7 图表 4 国内新能源汽车起火事故原因分布 .7 图表 5 现有动力电池安全问题解决路径 .7 图表 6 新能源汽车安全监管相关政策 .7 图表 7 动力电池发展历史沿革 .8 图表 8 全球多家企业与科研机构已投入固态电池研究 .8 图表 9 固态电解质是固态电池的核心 .9 图表 10 锂金属是负极材料的最终形态 . 10 图表 11 锂金属负极体系能量密度远超传统锂电 . 10 图表 12 锂金属负极在液态电池中存在的应用难题 . 10 图表 13 固态电解质在锂金属负极应用上的优势 . 10 图表 14 固态电解质对锂金属负极兼容性更好 . 11 图表 15 固态电池封装更加灵活 . 11 图表 16 固态电池是动力电池必经之路 . 12 图表 17 固 态电解质离子电导率低于液态电解质 . 13 图表 18 三大体系固态电解质离子电导率高低顺序 . 13 图表 19 固态电解质界面阻抗高于传统液态电解质 . 14 图表 20 全球固态电池企业在技术路线选取上各不相同 . 14 图表 21 聚合物体系研发机构 . 15 图表 22 博洛雷生产的固态电池汽车的局限 . 16 图表 23 SEEO 公司的卷对卷固态电池产线 . 16 图表 24 氧化物体系研发机构 . 17 图表 25 真空镀膜法 的特点 . 17 图表 26 真空镀膜法示意图 . 17 图表 27 辉能科技的微型电子类氧化物固态电池产品 . 18 图表 28 硫化物体系研发机构 . 18 图表 29 三星硫化物电池 . 19 图表 30 添加缓冲层改善界面性能 . 19 图表 31 各体系性能指标对比 . 19 图表 32 全球主要固 态电池企业产品 . 20 固态电池 行业深度报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 4 图表 33 我国中科院固态电池产业化进展 . 20 图表 34 固态电池内部结构透视图 . 21 图表 35 梯次渗透实现固态电池全方位应用 . 22 图表 36 固态电池市场空间预测 . 23 固态电池 行业深度报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 5 写在前面的话： 随着全球电动车浪潮席卷，关于固态电池的新闻越来越多：从 Fisker 宣称开发充电 1 分钟行驶 500 公里的固态电池，到宝马 已 与 SolidPower 进行 合作开发下一代电动车用固态电池，再到丰田又宣称将在 2025 年前实现全固态电池的实用化。作为下一代电池技术的代表，固态电池引发市场高度关注。 固态电池 具有发展的必然性 。 固态电池采用不可燃的固态电解质替换了可燃性的有机液态电解质，大幅提升 了电池系统的安全性 ， 同时能够更好适配高能量正负极并减轻系统重量， 实现能量密度同步提升。在各类新型电池体系中， 固态电池 是距离产业化最近的下一代技术 ，这已成为产业与科学界的共识。 固态电池产业化阶段尚处早期，但有望在未来超速发展。 我们对固态电池各体系的开发进度进行了详细的梳理并比较 了 不同 的技术路径现状。 当前 已实现 小部分商业化的固态电池产品对比传统锂电暂未形成足够的竞争优势 ，而 未来 固态电池将走阶段发展的路线，从特殊领域逐渐往动力电池过渡， 并且 随着 国际巨头的加速布局，固态电池将 进入发展的快速轨道。 2018 年， 政策 持续调整， 新能源汽车产业链 正逐渐 进入比拼硬实力的健康 成长 通道 。新能车 的出现，一开始便是 作为替代者的身份 存在 ，支撑它 发展 是 其 足够与传统行业竞争的商品属性 。 固态电池， 则 是新能车发展 蓝图 上的必经阶段， 它 有望 作为一项关键技术为行业的 未来 保驾护航 ，他的产业化进程也值得我们重点跟踪关注 。 本篇报告作为锂电 行业 前瞻技术深度报告，对固态电池 产业 进行了 深度 研究 ，旨在为锂电 行业 发展方向理清思路 ， 感谢实习生莫斯嘉为本文做出的 重要 贡献。 固态电池 行业深度报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 6 一、 传统液态锂电不会是动力电池的术终点 （一） 传统动力电池体系难以满足 10 年后的能量密度需求 众所周知，动力电池直接对应新能车产品的性价比，而能量密度是动力电池的关键指标。我国电动 车 市场正经历由“政策驱动”向“政策助跑”的转换，政策对于锂电产业能量密度提升的导向已经明确，补贴直接与能量密度挂钩并不断提高门槛。工信部颁布的中国制造 2025指明：“到 2025 年、 2030 年，我国动力电池单体能量密度分别需达到 400Wh/kg、 500Wh/kg。” 指标 分别对应当前乘用车动力电池单体平均 水平 170Wh/kg 的 2-3 倍 。 图表 1 当前动力电池单体能量密度与各项政策指标仍有较大差距 资料来源 :工信部 ， 华创证券 为了理清 400-500Wh/kg 对于动力电池能量密度的概念，我们对锂离子电池技术的迭代路径进行了梳理，我国正位于第二代向第三代锂电发展的过程中。正极材料的选择上，我国已由磷酸铁锂转向三元，并逐渐向高镍三元发展。负极材料当前产业化仍集中于石墨材料，未来也在向硅碳负极进行过渡。据推算，当前采用的高电压层状过渡金属氧化物和石墨作为正负极活性材料所组成的液态锂离子动力电池的重量能量密度极限约为 280Wh/kg 左右。引入硅基合金替代纯石墨作为负极材料后，锂离子动力电池的能量密度有望做到 300Wh/kg 以上，其上限约为 400Wh/kg。 图 表 2 中短期动力电池能量密度的天花板已现，难以满足 2025 年政策指标。 锂电池迭代 正极材料 负极材料 理论能量密度 第一代 磷酸铁锂 石墨 90-130Wh/kg 第二代 NCM111， NCM523， NCM622、 NCA 石墨 130-200Wh/kg 第三代 NCM811、高镍三元，高压三元、富锂锰基材料 石墨 /硅 200-400Wh/kg 资料来源：华创证券 整理 （ 二 ） 安全问题关乎行业健康发展，难以彻底根除 可燃的液态有机电解液是 电池自燃 的幕后元凶。 新能源汽车销量逐年增长却伴随着安全事故的增加，其中 ， 电池自燃占比事故原因的 31%。自燃的原因是由于锂电池发生内部或者外部短路后，短时间内电池释放出大量热量，温度极剧升高，导致热失控。而易燃性的液态电解液在高温下会被点燃，最终导致电池起火或者爆炸。 170 300 350 400 500 01002003004005006002018 2020 2025 2030国内量产水平 促进汽车动力电池产业发展行动方案 中国制造 2025 传统锂电难以实现 短期方向 固态电池 行业深度报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 7 图表 3 国内新能源汽车安全事故年发生次数（例） 图表 4 国内新能源汽车起火事故原因分布 资料来源： 中国电动汽车百人会 ： 电动汽车安全报告 ， 华创证券 资料来源： 中国电动汽车百人会 ： 电动汽车安全报告 ， 华创证券 起火事件的频发挫伤公众对于新能源车信心，政策相继出台加强行业监管，企业方面，近年来也从不同方向对安全问题进行优化。主要手段包括： （ 1） 采用功能性电解液，于电解液中添加阻燃剂； （ 2） 优化 BMS 热管理系统，减少过冲过放等易引发热失控的场景发生； （ 3） 采用陶瓷涂覆与耐高温的电池隔膜等等。 但这些手段在技术层面并没能取代可燃性有机电解质的使用，电池系统的安全隐患没有得到彻底根除。零自燃风险，将是未来电动车实现燃油车全面替代需要迈出的关键一步。 图表 5 现有动力电池安全问题解决路径 图表 6 新能源汽车安全监管相关政策 资料来源：华创证券 整理 资料来源： 相关 政府官网 ， 华创证券 面对能量与安全两座大山，下一代锂电的风口在哪？ 回望电动车电池技术发展史，从早期的铅酸电池，到丰田等日企主打的镍氢电池，再到 08 年特斯拉 roaster 使用的锂离子电池，传统液态锂离子电池已统治动力电池市场十年。未来，能量与安全需求与传统锂电技术的矛盾将越来越凸显，在下一代锂电技术中，固态电池获得了最高的关注度，已引发全球范围的企业进行提前卡位。 051015202530352011 2012 2013 2014 2015 201631% 21% 10% 10% 10% 7% 7% 4% 自燃 零部件故障 充电 不明原因 浸水 碰撞 被引燃 人为 安全性能 功能型电解液 陶瓷涂覆隔膜 BMS系统 耐高温隔膜基材 固态电池 行业深度报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 8 图表 7 动力电池发展历史沿革 图表 8 全球多家企业与科研机构已投入固态电池研究 资料来源：华创证券 整理 资料来源：华创证券 整理 固态电池 行业深度报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 9 二 、 为什么一定是固态电池 （一） 不燃烧，根除安全隐患 固态电池是采用 固态电解质 的锂离子电池 。 工作原理上，固态锂电池和传统的锂电池并无区别：传统的液态锂电池被称为 “摇椅式电池 ”，摇椅的两端为电池的正负两极，中间为液态电解质，锂离子在电解液中迁移来完成正负极间的穿梭实现充放电，而固态电池的电解质为固态，相当于锂离子迁移的场所转到了固态的电解质中。 固态电解质是固态电池的核心。 固态电解质不可燃烧，极大提高电池安全性。 与传统锂电池相比，全固态电池最突出的优点是安全性。固态电池具有不可燃、耐高温、无腐蚀、不挥发的特性，避免了传统锂离子电池中的电解液泄露、电极短路等现象，降低了电池组对于温度的敏感性，根除安全隐患。同时，固态电解质的绝缘性使得其良好地将电池正极与负极阻隔，避免正负极接触产生 短路的同时能充当隔膜的功能。 图表 9 固态电解质是固态电池的核心 资料来源： PingWest， 华创证券 （二）兼容 高容量正负极 +轻量化电池系统，推动能量密度大飞跃 、 （ 1）更宽的电化学窗口，更易搭载高电压 正极 材料 提高正极材料容量需要充电至高电压以便脱出更多的锂，目前针对钴酸锂的电解质溶液可以充电到 4.45 V，三元材料可以充电到 4.35 V，继续充到更高电压， 液态电解液会被氧化，正极表面也会发生不可逆相变，三元 811 电池的推广目前便受到了耐高压电解液的制约。而 固态 电解质的 电化学窗口 更 宽，可达到 5 V，更加 适应于高电压型电极材料 。随着正极材料的持续升级，固态电解质能够做出较好的适配， 有利于 提升电池系统的 能量密度。 （ 2）兼容金属锂负极，提升能量密度上限 高容量与高电压的特性，让金属锂成为继石墨与硅负极之后的 “最终负极 ”。 为了实现更高的能量密度目标，以金属锂为负极的电池体系已成为必然选择。因为： （ 1） 锂金属的克容量为 3860mAh/g，约为石墨（ 372mAh/g）的 10 倍，（ 2） 金属锂是自然界电化学势最低的材料，为 -3.04V。同时其本身就是锂源，正极材料选择面更宽，可以是含锂或不含锂的嵌入化合物，也可以是硫或硫化物甚至空气，分别对应能量密度更高的锂硫和锂空电池，理论能量密度接近当前电池的 10 倍。 固态电池 行业深度报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 10 图表 10 锂金属是负极材料的最终形态 图表 11 锂金属负极体系能量密度远超传统锂电 资料来源： 华创证券 整理 资料来源：华创证券 整理 锂金属负极在当前传统液态电池体系难以实现。 锂金属电池的研究最早可追溯到上世纪 60 年代，并在 20 世纪 70年代已成功开发应用于一次电池。而在可充放电池领域，金属锂负极在液态电池中存在一系列技术问题至今仍缺乏有效的解决方法，比如金属锂与液态电解质界面副反应多、 SEI 膜分布不均匀且不稳定导致循环寿命差，金属锂的不均匀沉积和溶解导致锂枝晶和孔洞的不均匀形成。 图表 12 锂金属负极在液态电池中存在的应用难题 起 因 后果 影响 不均匀沉积和溶解 锂枝晶、孔洞、 粉化 容量衰减、体积变化增大、内短路、易燃烧 与电解液发生副反应 SEI 膜增厚 、电解液耗尽 内阻增大、锂粉化、失活加剧、容量跳水、不安全、胀气 体积膨胀和收缩 影响电接触 SEI 不稳定 容量损失、循环性变差、内阻增大、器件需要加压 对空气敏感 表面副反应 不易储存、导致电流密度不均、增加内阻，影响 SEI 膜生长 低熔点 高温安全性 180 以上不易使用 资料来源： 郑光元 ： Interconnected hollow carbon nanospheres for stable lithium metal anodes 、华创证券 固态电解质在解决锂金属负极应用问题上被科学界寄予厚望。 研究者把解决金属锂负极的应用问题寄希望于固态电解质的使用，主要思路是避免液体电解质中持续发生的副反应，同时利用固体电解质的力学与电学特性抑制锂枝晶的形成。此外，由于固态电解质将正极与负极材料隔离开，不会产生锂枝晶刺破隔膜的短路效应。总而言之， 固态电解质对于锂金属负极拥有更好的兼容性，锂金属 材料 将在固态电池平台上率先应用。 图表 13 固态电解质在锂金属负极应用上的优势 优势 影响 较高的机械强度 固态电解质高的弹性模量能减少界面应变，抑制锂枝晶的生成，承受锂形变 较宽的电化学窗口 固态电解质电化学窗口高于传统液态电解质，对于高还原性的锂金属能保持化学稳定，避免副反应的发生 安全性能 液态电解质在锂枝晶现象严重时会因为隔膜被刺破而导致正负极短路，固态电解质将正极负极隔离开，没有安全问题 资料来源： 杨 春鹏 ： Protected Lithium-Metal Anode