新能源电池新技术之五：固态电池：具有技术颠覆潜力的新技术

新能源电池 固态电池：具有技术颠覆潜力的新技术 新能源电池新技术之五 2024年06月06日评级领 先 大 市评级变动：维持 投资要点： 固态电池具有技术颠覆的潜力：传统液态电池体系成熟，但难以出现大幅性能突破。从兼顾高能量密度和本征安全性两方面出发，以锂金属作为负极，使用稳定、不易燃烧的固态电解质的全固态锂离子电池将成为未来最有技术颠覆潜力的电池。双极堆叠的可能性、锂金属负极的使用能保证其具备大幅领先的能量密度，其能量密度可以轻松突破400Wh/kg，固态电解质则能够保证优秀的安全性能。 固态电解质是固态电池成功应用的关键：理想的固态电解质应该具有小到可以忽略不计的电子电导率、优良的Li+电导率、良好的化学兼容性、宽的电化学稳定窗口、优异的热稳定性以及能够低成本的大规模生产等特点。通常来说，具有代表性的固态电解质包括硫化物固态电解质、氧化物固态电解质、金属卤化物固态电解质和聚合物固态电解质。 杨 鑫分 析师执业证书编号:S0530524050001yangxin13@hnchasing.com 相关报告 固态电解质各有特点，复合固态电解质可以实现优势互补，是最具发展潜力的方向：聚合物电解质具有良好的界面相容性和机械加工性，但室温离子电导率低，限制其应用温度；无机氧化物电解质电导率较高，但存在刚性界面接触的问题以及严重的副反应，且加工困难；硫化物电解质电导率高，但化学稳定性差，可加工性不良。针对这些问题，目前复合固态电解质是最具发展潜力的体系，一方面，可以在聚合物电解质中引入惰性无机纳米粒子，改善聚合物电解质性能；另一方面，可以通过氧化物陶瓷或硫化物与聚合物进行复合，实现优势互补。复合固态电解质具有更高的离子电导率和力学性能，同时与电极具有更好的兼容性。 1新能源电池行业点评：相关企业获研发支持，全固态电池研发提速2024-05-302新能源电池行业2024年5月份月报：4月半固态电池装车369.0M Wh2024-05-21 离子运输机制、锂枝晶生长机制、固-固界面问题是固态电池面临的三大问题：明确高离子电导率的实现条件是发展高性能固态电解质、提高全固态电池充放电速度的关键，目前主要通过掺杂、开发纳米尺度结构以及界面工程等手段来改善离子电导率，但目前业界对于离子运输机制的理解程度还不够，这对于充放电速度提升是一个挑战；此外，固态电解质虽然具有高机械强度，但仍然难以完全抑制锂枝晶的生长和实现锂金属的均匀沉积，锂金属可能在负极表面形成枝晶，甚至在 固态电解质内部成核，导致电池短路，从而引发安全风险，这对固态电池的安全是一个较大的挑战；同时，由于缺少电解液的浸润，固-固界面问题直接影响固态电池的循环寿命等性能，尽管目前在工艺和材料维度有一些改进措施，但界面问题仍是固态电池最大的挑战。 全固态电池有望2027年开始量产装车：2022年以来，固态电池的研发和产业化取得了明显的进展，尤其是以卫蓝新能源和赣锋锂电等为代表的中国企业的半固态电池量产装车，标志着半固态电池已实现了产业化。我们预计固态电池的大规模生产和装车应用将在2027年左右开始到来。 2030年固态电池市场规模超2500亿元：预计到2030年全球固态电池的出货量将达到614.1GWh，在整体锂电池中的渗透率预计在10%左右，其市场规模将超过2500亿元，主要出货电池仍然是半固态电池。作为固态电池最重要的组成部分，固态电解质在2030年的需求将超6万吨，市场规模超过60亿元。 投资建议：固态电解质方面，建议关注固态电解质及其原料厂商【三祥新材】、【上海洗霸】、【东方锆业】等；正极材料方面，建议关注三元材料厂商【当升科技】、【容百科技】等；负极材料方面，建议关注【璞泰来】、【中科电气】等；电池方面，建议关注【宁德时代】、【金龙羽】、【鹏辉能源】、【赣锋锂业】等。维持行业“领先大市”评级。 风险提示：固态电池技术攻关不及预期；半固态电池技术替代风险；上 游原材料价格波动风险；半固态/固态电池产能释放不及预期。 内容目录 1固态电池：理想的电池形态......................................................................................5 1.1传统液态电池体系成熟，但难以出现大幅性能突破..................................................................51.2固态电池具有技术颠覆的性能潜力.................................................................................................6 2固态电解质：固态电池成功应用的关键，复合电解质是最具潜力的发展方向............7 2.1氧化物固态电解质：综合性能最优，加工性能差.......................................................................92.2硫化物电解质：性能优异，稳定性差...........................................................................................112.3金属卤化物电解质：低成本，低电导率......................................................................................122.4聚合物电解质：加工简单，室温下离子传输效率低................................................................13 3固态电池发展面临的问题及解决策略......................................................................15 3.1离子运输机制：制约充放电速度的关键......................................................................................163.2锂枝晶生长机制：固态电池安全性挑战......................................................................................173.3固-固界面问题：固态电池性能及安全性关键挑战...................................................................18 4产业化进展及市场空间...........................................................................................20 4.1固态电池技术成为热门概念，多元化发展..................................................................................204.2半固态已经量产装车，全固态2027年有望开始量产装车.....................................................234.3市场空间：预计2030年出货超600GWh，市场超2500亿元...............................................24 5重点企业................................................................................................................25 5.1卫蓝新能源............................................................................................................................................255.2清陶能源................................................................................................................................................265.3赣锋锂电................................................................................................................................................285.4宁德时代................................................................................................................................................295.5辉能科技................................................................................................................................................30 6投资建议................................................................................................................30 7风险提示................................................................................................................31 图表目录 图1：动力电池技术路线图..........................................................................................5图2：全固态锂电池的构造图.......................................................................................6图3：不同种类固态电解质性质图................................................................................8图4：几种典型的氧化物电解质结构............................................................................9图5：四方相LLZO晶体结构、锂离子分布、立方相LLZO晶体结构及锂离子分布....10图6：LGPS晶体结构图.............................................................................................12图7：以Li3YCl6为例的P3m1结构，(c)以Li3YBr6为例的C2/m结构.........................13图8：单离子导体化学结构式