有色金属行业市场前景及投资研究报告：固态电池

证券研究报告固态电池：空间几何？行业评级：看好2024年1月22日摘要1、液态锂电池材料体系发展遇瓶颈，需向固态电池迭代方可更进一步液态锂电池发展已遇瓶颈：1）能量密度、2）安全性、3）电池寿命。需向固态电池迭代，以突破枷锁，打开更广阔的应用场景。2、

固态电解质是固态电池的核心组件，三大类电解质各有优劣•

固态锂电池与液态锂电池最大的不同在于固态电解质的替代，主要由氧化物、硫化物、聚合物三大类。其中氧化物目前进展较快，硫化物未来潜力最大，聚合物性能上限较低。3、固态电池优点核心优势•

固态电池与液态电池相比，高安全性、高能量密度、高循环次数、温度适应性好、电池模组设计得到简化。4、固态电池当前存在的难点•

1）界面接触问题、2）电极体积膨胀、3）稳定性低。5、固态电池体系中存在的机会1）率先布局（半）固态电池产能的企业，如宁德时代、比亚迪、赣锋锂业、亿纬锂能等。2）正极材料领域，生产高镍三元、富锰锂基等企业，如中伟股份、华友钴业、容百科技等。3）负极材料领域，生产硅碳、金属锂负极等企业，如赣锋锂业、贝特瑞、杉杉股份等。4）固态电解质领域，如杉杉股份、东方锆业等。6、风险提示固态电池研发进度低于预期的风险、能源技术出现突破导致对锂电池需求减少的风险。2010203固态VS液态固态电池优势目录固态电池当前难点固态电池材料市场空间C

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S043固态电池VS液态电池固态电池核心：固态电解质三大固体电解质特点01固态VS液态4固态电池VS液态电池01➢

自1985年锂离子电池问世以来，大幅推进了可移动电子设备的规模化应用，不断推动着社会朝着智能化和清洁化方向发展。➢

锂离子电池本身也一直在往体积小、质量轻、安全性高、能量密度高和循环寿命长等更优的方向进化，对正负极、电解质等材料体系和电池本身的形状进行迭代。➢

但是当前的液态锂离子电池体系，逐步发展到了本身材料体系所能达到的瓶颈：1）能量密度难以突破350Wh/kg的极限；2）有机物液态电解质带来的安全性问题。3）电池服役过程中电解液的挥发、干涸、泄露等现象，影响电池寿命。液体电解质成为了锂离子电池进一步发展最大的制约因素。➢

采用固态电解质代替液体电解质，有望使用更高比容量的正、负极材料，同时可彻底解决电池的安全性问题，是获得高能量密度、安全性和长循环寿命的全固态锂电池的根本途径。因此固态电池将会是锂离子电池升级的方向。图1：动力电池技术发展趋势图2：液态电池与固态电池内部串联结构对比5资料：《固态电池技术发展现状综述》，张春英等。浙商证券研究所资料：《硫化物全固态电池的研究及应用》，张卓然，魏冰歆。浙商证券研究所固态电池核心：固态电解质01➢

全固态电池相比于液态电池，采用固态电解质取代液态电解质，是实现固态锂电池高能量密度、高循环稳定性和高安全性能的关键。作为固态电池的核心组件，固态电解质主要由氧化物、硫化物、聚合物三大类。其中氧化物目前进展较快，硫化物未来潜力最大，聚合物性能上限较低。➢

正极材料体系从高镍升级到超高镍、镍锰酸锂、富锂锰基等材料，负极材料体系从石墨体系升级到预锂化的硅基负极、锂金属负极。整体能量密度可达到500Wh/kg。图3：液态电池与固态电池内部结构对比题6资料：《固态电池技术发展现状综述》，张春英等。浙商证券研究所三大固体电解质特点01➢

氧化物：优点：离子电导率居中、有最好的电化学、力学及热稳定性、可适配高电压正极材料、可适配金属锂负极等。缺点：易碎、长期运行中可能会形成裂纹等。➢

硫化物：优点：离子电导率最高、晶界电阻小、延展性较好等。缺点：电化学窗口较窄、会与锂金属发生反应、易与潮湿空气发生反应等。➢

聚合物：安全性好、具备良好的柔韧性和界面接触性、易成膜等。缺点：室温下离子电导率低。图4：固态电池三大类固态电解质特点表1：不同种类固态电解质的性能特点正极电解质适用性固体电解质氧化物离子电导率锂金属兼容性

长期运行稳定性

高电压兼容性隔膜适用性易碎，由于循环不同材料有所差

过程中的体积变添对锂金属有良好

无法用作高容量的力学性能和电

和厚电极电池的化学稳定性，可

正极电解质（电离子电导率相对

异，但比硫化物

化，界面接触减

宽的电化学窗口适中，介于硫化

和聚合物有更好

少，可能形成裂

可适配高电压的物和聚合物之间。的电化学和力学

纹；电化学稳定

正极材料。点用作隔膜材料。

导率不够）。稳定性。性好，不易于分解和老化。加标表现出较低的晶电化学窗口相对

具有延展性，通较窄，同时会与

常有良好的界面锂金属进行反应，接触，但电化学其兼容性略差。

稳定性有限。高离子导电性使在高电位下容易

界电阻，阻碍了氧化，因此需要

锂枝晶的形成，正极涂层。

但其电化学稳定性低于氧化物。硫化物成为一种题硫化物聚合物离子电导率最高。有前途的正极电添解质材料。在室温下离子导电性不足。通常选择大于６０℃聚氧化乙烯对锂的操作温度，以金属有高稳定性。达到良好的离子若用低电势正极和低充电率，聚

大多数具有有限合物电解质的灵

的电化学稳定性如果电池可以在更高的温度下运行，则离子电导率足以用作正极电解质。机械稳定性足以抵抗锂枝晶形成。活性可延长循环寿命。窗口。电导率。7资料：《固态电池技术发展现状综述》张春英等。浙商证券研究所资料：《固态电池技术发展现状综述》张春英等。浙商证券研究所高安全性02高能量密度固态电池优势高循环次数温度适应性好电池模组设计简化8高安全性02➢

液态锂电池易受热失控。过度充电、撞击、短路、泡水等因素会导致电池热失控风险上升，上升至90°C时负极表面SEI膜开始分解，嵌锂碳直接暴露于电解液并反应放热、产生大量可燃气体，进而融化隔膜形成内短路；温度上升至200°C后促进电解液气化分解，电池发生剧烈燃烧及爆炸。➢

相对液态锂电池，固态电池则具有五大安全特性。1）固态电解质具有高机械强度，可抑制锂枝晶生长，不易造成短路。2）不易燃烧、不易爆炸。3）无持续界面副反应。4）无电解液泄漏、干涸问题。5）高温寿命不受影响或更好。图5：液态锂电池受热失控图6：固态电池较液态电池安全性更高高机械强度抑制锂枝晶生长，不易短路不易燃烧、不易爆炸无持续界面副反应固态电池无电解液泄漏、干涸问题高温寿命不受影响或更好9资料券研究所：《锂电池安全性多尺度研究策略：实验与模拟方法》甘露雨，浙商证资料：《固态锂电池研发愿景和策略》李泓，浙商证券研究所高能量密度02➢

电池能量密度等于工作电压乘比容量，而电池总体比容量遵循木桶效应，受限于正负极中较低的一极。负极端来看，目前石墨负极比容量为372mA·h/g，硅基负极理论比容量为4200mA·h/g，锂金属负极理论比容量为3860mA·h/g，都显著高于正极，因此正极材料成为锂离子电池性能进一步提升的主要瓶颈。而全固态电解质不仅能够兼容上述高比容量负极材料与常规正极材料体系，还可匹配高比容量的正极材料（高镍三元、富锂锰基）。其中高镍三元材料拥有较高电压与高比容量优势，而富锂锰基层状氧化物比容量最高更可达250mA·h/g，被认为是提升锂离子电池能量密度的理想选择。表2：几种典型正极材料的电化学特征正极材料锰酸锂结构尖晶石状橄榄石状层状工作电压(以金属锂为对电极)/V理论比容量/(mA·kg^-1)实际比容量/(mA·kg^-1)能量密度/(w·h·kg^-1)4148170274275279-110150150160200250400500580600760900磷酸铁锂3.43.93.83.83.6钴酸锂镍钴锰三元材料镍钴铝高镍三元材料富锰锂基氧化物层状层状层状10资料：《富锂锰基正极材料研究进展》李俊潇，浙商证券研究所高循环次数02➢

固体电解质有望避免液态电解质在充放电过程中持续形成和生长固体电解质界面膜的问题和锂枝晶刺穿隔膜问题，有可能大大提升金属锂电池的循环性和使用寿命。薄膜型全固态金属锂电池未来有望循环45000次，但目前大容量金属锂电池尚未有长循环寿命的报道，主要原因是目前高面容量金属锂电极（>3mA·h/cm2）的循环性能还较差。进展较快的QuantumScape公司可实现全固态电池充放电1000次后95%的放电能量保持率。而液态电池中，目前磷酸铁锂电池可做到2000次循环寿命，三元锂电池则平均为500-1000次循环寿命。图7：液态电池锂枝晶刺穿隔膜导致短路图8：美国Quantumscape开发的全固态电池充放电循环特性11资料：《兼具阻隔多硫化物和抑制锂枝晶生长的隔膜超轻涂层》叶昀昇、解孝林，浙商证券研究所

资料：《固态电池研究及发展现状》洪月琼，浙商证券研究所工作温度范围宽02➢

传统液态电池工作温度范围较小。在低温条件下，液态电池因电解液粘度增大，电导率降低、电解液/电极界面阻抗和电荷转移阻抗增大、锂离子迁移速率降低等原因导致性能下降。此外液态电池在高温条件下受限于电解液闪点低、隔膜融化温度低，存在燃烧风险。➢

固态电解质电池则不存在电解质低温凝固问题，同时高温状态受影响小、安全性高，因而具有更大工作温度范围，可达-40°C~150°C，显著优于液态电池。表3：液态锂离子电池到全固态金属锂电池发展趋势及温度特性电芯中液体含量电解质20%液态电解质0%10%混合固液电解质5%0%全固态锂负极含量5%30%50%100%金属锂负极负极材料石墨/硅负极55°C预锂化负极80°C富锂复合负极最高操作温度最低操作温度150°C-40°C-10°C~-20°C12资料：《固态锂电池研发愿景和策略》李泓，中科巨擘航天，浙商证券研究所简化电芯、模组、系统设计02➢

传统液态锂电池电芯成组主要通过外部串联构成模组，全固态电池则可实现电芯内部串联、升压，采用层状堆叠结构，避免焊接等工艺过程，降低加工成本，同时节约电池空间，增加电池能量密度。固态电池不需要电解液注入工艺及耗时耗力的化成过程，通常采用软包的方式集成。而从工艺成熟度、成本、效率等方面考虑，叠片法可以通过正极，固体电解质膜和负极的简单堆叠实现电池各组件的集成，是最适用于全固态电池制备的工艺，并可通过等静压机压制解决各组件堆叠后产生的界面问题。图9：电芯内部串联封装图10：全固态电池叠片工艺正极集流体正极片电解质膜负极片负极集流体资料：《一种电芯串联全固态电池封装架构及封装方法》，国家知识产权局，浙商证券研究所资料：《全固态电池生产工艺分析》翟喜民，浙商证券研究所13界面接触问题电极体积膨胀稳定性低03当前难点14界面问题03➢

固态电池界面为固-固接触，电导率往往受到电极与电解质界面处高接触电阻的阻碍。高阻抗增加了过电位，导致容量衰减和能量密度降低。界面较高阻抗主要

于以下几个方面：(1)电极与电解质的物理接触。虽然在电池制备过程中可以施加较高的压力或进行烧结，但电极和电解质均离理想的最紧密堆积相差甚远。空穴不仅在电池制造过程中形成，而且在循环过程中因电极体积收缩和膨胀而产生机械应力。(2)正极和电解质之间因锂电位差而形成空间电荷层。(3)电极与电解质之间因化学势差发生化学反应，形成低离子电导率的SEI和CEI。(4)电解质的电化学窗口较窄，电极与电解质之间发生电化学反应。图11：固态电池体系的堆积结构间存在空隙图12：电极-电解质界面反应15资料：《“双碳”背景下新能源固态电池材料理论设计与电池技术开发进展》翟喜民等，浙商证券研究所

资料：盖世汽车社区，浙商证券研究所界面问题03➢

溶胶-凝胶、喷涂等技术可以很好地实现均匀的界面改性层，有效地减轻界面处的副反应。然而，过于复杂的操作和高昂的生产成本是其大规模生产的实际障碍。简单的机械搅拌虽然不能提供理想的保护层，但同样可以在一定程度上改善界面的稳定性，而且该方法制备简单、成本低廉，是界面改性的一种替代方法，具有很好的应用前景。表4：电解质/正极界面修饰改性方法电解质材料P(EO/MEEGE)/LiTFSI正极材料LiCoO2LiCoO2改性层材料Li3PO4工艺喷涂P(EO/MEEGE/AGE)/LiBF4Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3机械搅拌聚合物PEO/LiClO4Li2S-P2S5Li3PS4LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2LiCoO2Li1.5Al0.5Ti1.5(PO4)3Li2SiO3溶胶-凝胶溶胶-凝胶溶胶-凝胶Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2LiAlO2Li2S-P2S5LiNi0.8Co0.15Al0.05O2溶胶-凝胶Li2S-P2S5Li2S-P2S5Li3.25Ge0.25P0.75S4Li3.25Ge0.25P0.75S4Li10GeP2S12Li10GeP2S12Li3.25Ge0.25P0.75S4Li7La3Zr2O12LiCoO2LiNi0.5Mn1.5O4LiCoO2LiCoO2LiNi0.5Mn1.5O4LiCoO2Li2CO3Li3PO4LiNbO3Li4Ti5O12LiNbO3LiNbO3LiTaO3Nb溶胶脉冲激光沉积喷涂硫化物喷涂溶胶-凝胶化学气相沉积溶胶-凝胶脉冲激光沉积LiCoO2LiCoO2NbdopedLi7La3Zr2O12LiCoO2Li3BO3丝网印刷氧化物Li7La3Zr2O12Li7La3Zr2O12LiFePO4LiMn0.8Fe0.2PO4Li2CO3凝胶电解质热处理喷涂加热16Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3LiFePO4PEO/LiClO4旋转喷涂资料：《固态电池中的正极电解质界面性质研究进展》张安邦，浙商证券研究所电极体积膨胀03➢

固态电池在充电/放电循环过程中电极体积会发生巨大变化，因此容易开裂。而液态电解质由于具有流动性，它们可以适应电极结构的微小体积变化，并缓解由此产生的应力，从而使液态电解质电池对体积变化相对不敏感。针对硅基材料的体积膨胀现象，主要可从优化硅基电极材料结构、改进黏结剂和改善电解液３个方面来提高锂／硅电池的性能。图13：固体电极和固-固界面中的活性材料会产生应力导致变形图14：硅基复合材料制备17资料：电子发烧友网，浙商证券研究所资料：《锂_硅电池抑制硅基电极体积膨胀的方法》祝鹏浩，浙商证券研究所稳定性低03➢

氧化物、硫化物及聚合物三类固态电解质目前仍各自存在热稳定性、空气稳定性、对锂稳定性、电化学稳定性及机械稳定性等方面的缺陷，难以同时解决所有问题。表5：不同种类固态电解质的稳定性特点表6：不同固态电解质存在的部分问题及解决方案电解质挑战薄膜加工性脆性挑战严重性低等-中等中等解决方案干电极工艺、添加剂复合材料、添加剂充放电表现中等中等添加剂、复合电解质、混合电池概念氧化物锂金属稳定性人工SEI、保护涂层、替代性负极材料新型加工工艺、超快高温烧结、活性材料填充多孔电解质；添加剂降低烧结温度，活性材料涂层提高温度稳定性烧结温度中等-高等水分和空气稳定性前驱体材料利用以及电解质生产低等干燥房、材料涂敷、表面掺杂低等-中等必要时扩大规模(如Li2S)正极涂敷、表明掺杂、零应变正极、电解质和正极粒度调整硫化物正极界面中等人工SEI、材料涂敷、表面掺杂、粒度调整；3D锂复合金属锂金属界面中等-高等正极、无缺陷电解质生产、降低离子电导率高电位正极兼容性

低等-中等新材料组合体、涂层、有机+无机复合电解质外部加热、与其他新材料组合、有机+无机复合电解质单离子导体、有机+无机复合电解质室温下离子电导率极限电流密度中等高等聚合物资料电解质组合（机械稳定+具有良好离子导电性的聚合物）；涂层、人工SEI、薄锂、单离子导体枝晶形成抗性高等18资料：《固态电池技术发展现状综述》张春英，浙商证券研究所：《固态电池技术发展现状综述》张春英，浙商证券研究所固态电池04正负极

电解质材料/材料市场空间未来材料体系正极材料负极材料19固态电池出货量预测04➢研究院预计2030年中国固态电池出货量将达250GWh；➢

2022年国内固态电池出货量2.9GWh，预计2025/2030年达到24.4/251.1GWh，2022-2030年CAGR达到74.6%。图15：2022-2030年中国固态电池（半固态+固态）出货量预测95%2022-2030年中国固态电池（半固态+固态）出货量预测30025020015010050251.1157.598.86238.924.4125.92.9020222023E

2024E

2025E

2026E

2027E

2028E

2029E

2030E20资料：研究院，浙商证券研究所正负极/电解质材料规模测算04➢

根据前表固态电池出货量预测数值及相关假设，我们测算得到关键材料（正负极/电解质）用量；➢

假设：（1）正极材料仍以现有三元体系为主，单耗约1800吨/GWh；（2）固态电解质以LLZO（锂镧锆氧）为主，假设单耗为300吨/GWh；（3）负极材料以目前最新一代硅碳负极为主，单耗约750吨/GWh。表7：2022-2030年固态电池关键材料用量测算2022-2030年固态电池关键材料用量测算添加标题年份20222.92023E5.92024E122025E24.42026E38.92027E2028E98.82029E157.52030E251.1出货量/GWh单耗：吨/GWh三元正极材621800522087010620177044252160036009000439207320700201167029175111600186004650017784029640741002835004725045198075330料LLZO电解质300750碳硅负极21751830011812518832521资料：研究院，中国粉体网，当升科技，中国储能网，浙商证券研究所固态电池未来材料体系展望04➢

固态电池与液态锂离子电池的区别主要在于以固态电解质取代液态电解液和隔膜。根据《Solid-State

Battery

Roadmap2035+》

，固态电池未来发展可选的材料体系比较丰富；➢

分构成看，正极材料除了现有成熟的磷酸铁锂和三元材料，可选富锂锰基材料；而负极材料方面，除现有体系广泛应用的石墨负极，会逐步转向硅基负极材料，未来锂金属凭借其极高的能量密度或将大放异彩。图16：液态LIB向固态电池转变材料体系选择22资料：《Solid-State

BatteryRoadmap

2035+》，浙商证券研究所正极材料：富锂锰基与高镍三元或将性能取胜04➢

与液态锂电池相比，固态电池的安全性更优，且对性能的要求更高，由此性能优势（电压平台更高、克容量更高）的材料或将胜出，富锂锰基和高镍三元材料的电压平台都显著优于磷酸铁锂，同时富锂锰基还具备成本优势。表8：不同正极材料性能对比不同正极材料性能对比性能指标富锂锰基磷酸铁锂三元锂克容量：mAh/g130-320155-163150-220电压平台：V压实密度：g/cm3循环寿命3.7-4.62.9-3.11000-6000较低3.22.2-2.73000-12000一般3.73.4-3.71000-3000较好倍率性能成本低较低高23资料：GGII，《Solid-State

BatteryRoadmap

2035+》，浙商