产业观察02期：【电池材料技术】半固态先行，打开能量密度天花板

产业观察 产业研究中心 2023.10.09，02期 【数字经济周报】蔚来汽车发布首款手 机、首颗自研芯片 2023.09.27 【科技制造周报】智多晶完成数亿人民币 E轮融资 2023.09.27 【新能源周报】固态锂金属电池厂商欣视界科技完成亿级融资 2023.09.26 【新能源车产业跟踪】半固态先行，引领固态电池产业化浪潮 2023.09.25 【机器人周报】特斯拉Optimus视频展示用纯视觉技术处理运动指令 2023.09.25 往期回顾 作者：�浩 电话：0755-23976068 邮箱：wanghao013539@gtjas.com 资格证书编号：S0880513090004 【电池材料技术】半固态先行，打开能量密度天花板 摘要：产业链价格与最新趋势跟踪，点评产业最新风向 产业内以半固态电池为过度技术路线 固态电池技术难度大，目前主流厂商以半固态、准固态形式介入固态电池领域，提升电池能量密度，同时对固态电池进行技术储备。 固态电池的普及将先从半固态开始，循序渐进。后续待技术稳定工艺确定后成本下降，半固态电池将慢慢起量，尔后逐步迭代到纯固态电池，迭代速度逐渐加速。 从液态电池到半固态电池、再到全固态电池的技术进步路线可分为以下三个方面： 1、液态电解液被替换为半固态及固态电解质，正负极材料暂保持不变。 2、负极材料换为锂金属负极，正极材料保持不变。 3、负极材料换为锂金属负极，同时替换正极材料为更高比容量的材料。 半固态电池先行，打开能量密度天花板 蔚来首个150度半固态电池上车。7月12日，半固态电池正式上车蔚来，这也是半固态电池首次实现量产上车。其采用固液混合电解质，硅碳复合负极材料和超高镍正极材料，单个电池包重量 为575kg。电芯（单体）由卫蓝新能源提供，一个150kWh的电池包内单体数量达到384个。 半固态电池优势有不易燃、耐高温、无腐蚀、不挥发。固态电池产业化进程中，半固态电池先行。 电芯设计上，固态电池没有液体电解质和隔膜的存在，可供储能空间更大。全固态材料及工艺未定，半固态过渡方案产业化基础良好。 半固态电池与全固态电池的工作原理是相通的，半固态电池成本明显小于全固态电池，半固体产 业化的基础是基于以下三点：（1）预锂化技术逐步成熟，（2）半固态电池供应链与现有锂电池供应链重合度较高，（3）添加少量电解液可降低固态电池界面阻抗，在固体电解质中添加液态电解质，可使电极与固态电解质接触更加充分，进而降低界面阻抗。 半固态电池产业化项目进度已较为清晰。确定性的在2023年已进行量产上市，如蔚来ET7（卫蓝新能源）、岚图追光（赣锋锂业），高合HiPhiX（国轩高科）等。 半固态电池主用氧化物电解质，引领固态电池产业化浪潮 半固态电池对现有锂电产业链冲击主要在中游隔膜与电解液环节。固态电池正极材料较现有锂电 池变化不大，承接原有高镍体系；负极材料提升能量密度，硅氧添加比例逐渐升高，远期或将由锂金属负极取代；半固态与固态电池变化的核心是将原有的隔膜与电解液合二为一，变为固态电解质。 半固态电池电芯主要使用的固态电解质是氧化物电解质，硫化物电解质或为全固态电池主流路 线。电极中液体会破坏硫化物材料结构，进而影响电池性能，氧化物体系因研发成本和难度相对 较低，目前是半固态体系的主流技术路线。 风险提示 新能源车销售不及预期，地区排产计划变动，产品研发不及预期等。 目录 1.产业内以半固态电池为过度技术路线3 2.半固态电池先行，打开能量密度天花板4 2.1.半固态先行4 2.2.半固态电池产业化进程稳步推进5 3.半固态电池主用氧化物电解质，引领固态电池产业化浪潮6 4.风险提示10 1.产业内以半固态电池为过度技术路线 固态电池技术难度大，目前主流厂商以半固态、准固态形式介入固态电池领域，提升电池能量密度，同时对固态电池进行技术储备。 全固态电池技术难点有待突破，其固态电解质的离子电导率仍需大幅提升。固态电解质使电池内阻明显增大、电池循环性变差，从而导致倍率性能变差。此外，高昂的成本是全固态电池商业化巨大障碍。液态锂电池的产业链已非常成熟，半固态电池与液态锂电池产线重合度高，可用低廉的成本产出性能更好的锂电池，全固态电池的配套产线仍不够完善。 图1：液态-半固态-固态电池技术发展路线 数据来源：《全固态锂电池技术的研究现状与展望》、许晓雄等 固态电池的普及将先从半固态开始，循序渐进。后续待技术稳定工艺确定后成本下降，半固态电池将慢慢起量，尔后逐步迭代到纯固 态电池，迭代速度逐渐加速。从目前进展看来，产业内已在固态、半固态电池高比容负极材料关键技术研发、供应等方面达成全面战略合作。一些公司对固态电池的研究已有相关的专利成果，未来将持续加强研发投入。 从液态电池到半固态电池、再到全固态电池的技术进步路线可分为以下三个方面： 1、液态电解液被替换为半固态及固态电解质，正负极材料暂保持不变。 通过减少电解液用量，理论上可提升一定安全性 正负极材料暂时保持不变，沿用高镍三元与石墨掺硅的传统正负极体系，电解质的改变无法通过提高能量密度摊薄固态电池成本。目的在于打通固态电解质的技术与量产。 2、负极材料换为锂金属负极，正极材料保持不变。 锂金属负极能显著提升电池能量密度，其理论成本较液态锂电池更 低，或成为固态电池降本的关键。 3、负极材料换为锂金属负极，同时替换正极材料为更高比容量的材料。 锂金属负极与更换为更高比容量的正极材料可继续提升电池能量密度，其实现周期更为遥远。 2.半固态电池先行，打开能量密度天花板 2.1.半固态先行 蔚来首个150度固态电池上车。7月12日，据智能车参考，固态电池， 正式上车蔚来，这也是固态电池首次实现量产上车。ET7、全新ES6、 ES7等多款车型均可搭载150kWh电池包。届时ET7续航可超过1000km，即使是SUV的ES6续航也能达到930km。蔚来领航辅助NOP+已经驶入北京�环，这也是继小鹏NGP之后，第二个开进北京�环内的智能驾驶方案。蔚来使用的属于半固态电池，采用固液混合电解质，硅碳复合负极材料和超高镍正极材料，单个电池包重量为575kg。电芯（单体）由卫蓝新能源提供，一个150kWh的电池包内单体数量达到384个。 半固态电池的优势有不易燃、耐高温、无腐蚀、不挥发等。固态电池是指采用固态电解质的锂离子电池。与传统液态锂电池相比，全固态电池 在安全性方面更加优秀。以蔚来此次搭载的固态电池为例，和宁德时代提供的100kWh电池相比，蔚来使用的固态电池重量只增加了20kg，但是单体数量是前者的4倍，因此实现了高达261Wh/kg的能量密度。而这个数据已经超过了宁德时代的麒麟电池，后者最高能量密度为255Wh/kg。而在续航表现上搭载固态电池的ES6续航可达930km，ET7的续航可超过1000km。 固态电池产业化进程中，半固态电池先行。固态电池使用的固态电解质具有不易燃、耐高温、无腐蚀、不挥发的特性，使得电池对温度的敏感 性降低。固态电池的技术发展采用逐步转化策略，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。固态电池产业链主要变化在中游电解质和负极材料。与液态锂电池大致相似，区别在于中上游的负极材料和电解质不同，若发展至全固态电池，隔膜可能也完全被替换。 固态电池的重要特点是其能量密度大，打开能量密度天花板。电芯设计上，固态电池没有液体电解质和隔膜的存在，可供储能空间更大。相比传统锂电池250Wh/kg的能量密度，固态电池能量密度目前已经接近 400Wh/kg。未来�年锂离子动力电池的单体能量密度有望提高至 300Wh/kg以上，但这个数据接近现有的液态锂电理论天花板，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。固态电池有很大希望突破500Wh/kg关口，可将电动汽车续航里程拉至1000公里以上，循环次数超500次。另外固态电池工作温度范围宽、支持超级快充，是未来电池的终极形态。 全固态材料及工艺未定，半固态过渡方案产业化基础良好。由于全 固态电池目前三种路线均有瓶颈，其电解质制备、电池生产工艺等均处于实验室阶段，市场目前推进半固态。半固体产业化的基础是基于以下三点：（1）预锂化技术逐步成熟，（2）半固态电池供应链与现有锂电池供应链重合度较高，（3）添加少量电解液可降低固态电池界面阻抗，在固体电解质中添加液态电解质，可使电极与固态电解质接触更加充分，进而降低界面阻抗。2018年，西安大略大学发现加入少量的电解液便可极大地降低LiFePO4正极和LATP电解质间的界面阻抗。但由于半固态性能较高镍三元未有大幅提升，且倍率较低、循环仅达800次，竞争力有待提高。 半固态电池与全固态电池的工作原理是相通的，全固态电池前半固态先行。半固态电池是锂离子电池细分中的混合固液锂电池，其电芯中固态电解质和液态电解质均存在，电解液含量占比在5%-10%。 半固态电池充电时正极的锂离子从活性物质的晶格脱嵌，通过固态电解质向负极迁移，电子通过外电路向负极迁移，两者在负极处复合成锂原子、合金化或嵌入到负极材料中。 半固态电池成本明显小于全固态电池。根据浙江锋锂新能源公司数据显示，半固态电池电芯BOM成本为0.5729元/Wh，而传统液态 电池电芯BOM成本为0.5766元/Wh，半固态电芯BOM成本低于液态电池电芯BOM成本。在电芯BOM成本中，传统液态电池膜+电解液为0.1145元/Wh，半固态电池膜+电解液0.1108元/Wh，其中半固态电池固态膜成本占比较大，但电解液成本占比相比较小。 2.2.半固态电池产业化进程稳步推进 （1）卫蓝新能源 宣布车规级半固态动力电芯正式下线，预计首搭蔚来ET7车型，150度电的电池包能量密度达360Wh/kg，实现1000公里的续航里程。 （2）赣锋锂业 搭载半固态电池的50台东风风神E70，搭载了赣锋锂业的第一代固态电池，第二代预计24年量产。刚发布的岚图追光，已经正式上市，搭载了半固态电池。 （3）国轩高科 其互动平台表示，公司的高安全半固态电池，单体能量密度达360Wh/kg，配套车型的电池包电量达160KWh，续航里程超过1000km。半固态电池匹配客户需求，预计2023年批量交付。 高合HiPhiX有可能率先搭载国轩高科的半固态电池新产品。 （4）红旗 2022年12月宣布其固态电芯制造开发成功。 （5）比亚迪 比亚迪的固态电池在使用硅基材料作为固态电池负极时，能量密度预计 能达到400Wh/kg，是目前刀片电池的能量密度的两倍多（180Wh/kg），意味着其固态电池的综合性能更强，能给予纯电动汽车更长的续航里程 。首款搭载比亚迪固态电池的车型可能是其旗下豪华品牌仰望的新车型，其固态电池的技术有待进一步观察。 （6）宝马与SolidPower合作其将在德国生产固态电池。 （7）辉能科技 公司正考虑投资80亿美元新建超级工厂，2023年年初完成选址。 （8）清陶能源 2022年2月份，总投资50亿元的清陶新能源固态锂电池产业化项目在 昆山开发区破土动工，产能规划10GWh，达产后预计新增年产值100 亿元。 半固态电池产业化项目进度已较为清晰。确定性的在2023年已进行量产上市，如蔚来ET7（卫蓝新能源）、岚图追光（赣锋锂业），高合HiPhiX（国轩高科）等。比亚迪和宁德时代等头部电池厂具体相关的固态电 池进展将成为产业重要风向标。图1：固态电池技术发展路线 数据来源：《固态电池的开发现状及应用思考》，中科院物理所 3.半固态电池主用氧化物电解质，引领固态电池产业化浪潮 半固态电池对现有锂电产业链冲击主要在中游隔膜与电解液环节。从产业化方向看来，固态电池产业化落地过程中半固态将作为衔接率先产业化，固态