AI动力打造固态电池发展新引擎

证券研究报告 电力设备与新能源/行业深度报告 领先大市（维持） AI动力打造固态电池发展新引擎 分析师：贺朝晖S0910525030003周涛S09105230500012025年5月27日 本报告仅供华金证券客户中的专业投资者参考请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明 技术突破驱动固态电池产业升级。固态电池凭借突破性的能量密度（可达500Wh/kg）、本质安全特性和出色的低温性能，正加速取代传统锂电成为下一代主流技术路线。当前四大技术体系中，氧化物固态电池的性能与成本相对综合，聚合物具有加工性好、界面相容性好等优势，硫化物因高离子电导率备受青睐，而卤化物仍需突破成本与工艺瓶颈。GGII数据显示，2024年固态电池出货量预计将达7GWh，2027年将是产业从发展初期迈向快速上升期的转折点，进入快速增长期。 龙头布局加码，全固态进程提速。政策引导与资本加持双重驱动，产业化进程显著提速。目前，国内固态电池已有/在建/规划产能达数百GWh：宁德时代将于2025年推出半固态电池，2027年全固态进入装车测试；亿纬锂能预计2026年推出高功率、高环境耐受性及强安全的全固态电池；恩力动力计划于2025年年底开始供应电动汽车(EV)固态动力电池。SMM预计，到2030年，全球锂电池需求量或达约2800GWh。全固态电池渗透率或达4%左右，2035年全固态电池渗透率有望达到9%。 AI赋能新场景，千亿增量市场开启。因体积限制，对能量密度要求更高，叠加用户体验升级等因素，AI消费终端将成为固态电池商业化落地的试验田，渗透率先突破：1）eVTOL对能量密度要求极高（≥400Wh/kg需全固态），预计低空经济电池市场规模在2030年达1500-2000亿元，固态电池将占据核心份额；2）人形机器人电池市场中，GGII预计，到2030年需求将超100GWh2025-2030年复合增长率超100%。看好固态电池在锂电池弱beta情景下的alpha增量。 投资建议。建议关注：1）电池：宁德时代、亿纬锂能、国轩高科；2）设备：纳科诺尔、曼恩斯特；3）固态电解质及上游：三祥新材、厦钨新能、上海洗霸、有研新材；4）硅负极相关：元力股份、天奈科技等。 风险提示：政策变动风险、技术突破不及预期风险、市场竞争加剧风险。 01 高能量密度+高安全性，固态电池前景广阔 02 生产工艺革新，多元技术路线协同发展 03 04 05 产业龙头布局加码，全固态电池迎来黄金发展期AI赋能产业变革，eVTOL+人形机器人打开增量空间投资建议 06 风险提示 突破能量密度上限和解决安全隐患，固态电池成为下一代锂电池重要技术路线。传统锂离子电池采用液态电解质，容易引发安全隐患，同时能量密度的瓶颈为350Wh/kg，无法满足行业更高要求。为解决安全隐患并提高能量密度上限，全球范围内的科学家都在积极研发固态锂离子电池。 固态电池是一种使用固态电解质的电池，用固态电解质替代了传统锂电池的电解液和隔膜。固态电池在高能量密度、高安全性等方面优势明显，其理论能量密度上限为500+Wh/kg。固态电池的正极可沿用磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、三元等，有望以高镍多元、富锂锰基材料为主；负极的发展初期以硅系负极材料为主，再过渡到纳米硅碳负极，最后发展到锂金属负极材料；包装材料一般采用铝塑膜。 液态、固态电池结构对比固态电池发展历程   液态电池：液态电池的主要材料是正负极、隔膜和电解液。 半固态电池：半固态锂电池是固液混合电解质电池，是液态到固态电池的过渡产物，可以被目前的液态电池生产线 兼容，通常液体含量10%为半固态与液态划分临界点，仍旧需要隔膜。 固态电池：全固态电池的电解质采用全固体材料，不需要隔膜。其固态电解质能够匹配电容量更大的正负极材料， 实现更高的电池能量密度。而且固态电池安全性突出，可以抵抗热失控和穿刺等挤压力。 液态、固态、半固态锂电池对比 电池类型 能量密度上限 隔膜 目前生产成本 电解质化学窗口上限 对锂金属负极兼容性 液体含量 安全性（热稳定，抗针刺） 液态锂电池 较低(<300Wh/kg) 需要 较低 较窄(<4.3V) 差 >10% 热极限140-180℃，针刺即燃 半固态锂电池 中等(>400Wh/kg) 需要 中等 中等 抑制锂结晶力度弱 <10% 热极限>180℃ 固态锂电池 较高(>500Wh/kg） 不需要 较高 较高(>5V) 抑制锂结晶力度强 0 热稳定>300℃,免疫针刺甚至剪切 正极材料向无钴靠拢，富锂锰基潜力巨大。对比液态电池，固态电池可容纳新的电极材料，譬如富锂锰基。常规电压下的富锂锰基材料在目前所有商业化的正极材料里，循环稳定性最好，45℃下充放电1700周容量保持率88%。但是，因为目前难以解决电压衰减、循环寿命低等问题，产业化进程受限。 各正极材料属性对比 富锰基正极材料充放电曲线 (2.5-4.6V充放电，0.025C，AA电池) 高电压充放电容量高，大于250mAh/g 主流固态电池正极材料 理论容量 （mAh/g） 实际容量 （mAh/g） 循环性能 成本 电压平台 磷酸铁锂 170 140~150 高 较低 3.4 高镍三元 280 200 中 较高 3.5 富锂锰基 >300 未商业化 较差 较低 4.5 负极方面，固态电池比传统锂电池更容易适配锂金属负极和硅碳负极，因为固态电解质由固态材料构成，具有较高的化学稳定性，对锂金属负极的锂枝晶的形成及硅的膨胀起抑制作用。 采用锂金属负极能量密度最高、接近400Wh/kg。右图中，正极均采用100微米厚的NCM811，4种不同电芯比较下，采 用锂金属负极材料的固态电池能量密度最高。 负极材料属性对比 传统锂电池和硫化物固态锂电池的电芯设计对比 主流固态电池负极材料 比容量(mAh/g) 优点 缺点 石墨 372 技术成熟，成本低，高循环稳定性 理论容量较低 硅碳负极 3590 高比容量，原材料丰富，技术进步快 循环过程中体积膨胀问题难以解决，工艺复杂，成本较高 锂金属 3860 高比容量，低电压平台 体积膨胀容易引起电极材料的破裂和损坏；活性高易化学反应，安全隐患大。 传统锂电池的石墨负极和硅碳负极 硫化物固态电池的石墨负极和锂金属负极 电芯内部串联能有效提升固态电池电压，提高体积能量密度。传统锂电池承载电压超过5V后会出现易分解甚至爆炸的情况，因此只能外部串联。固态锂陶瓷电池能在电池内部形成串联，使单颗电池芯的额定电压从7.4V，最大串联叠加至60V，在单体电池电压上远高于传统动力电池，且不需要焊接集流体，体积能量密度有望进一步提升。 (a)使用液体电解质的传统堆叠式锂离子电池(b)双极堆叠式全固态锂电池的示意图 相比液态电池，固态电池具有较高的化学和热稳定性，能够有效抑制锂电池中发生热失控或燃烧的风险，电池在被刺破时仍可安全运行，不会泄漏或爆炸。根据丰田研发实验室的报告，通过对比研究NCA/NCM锂电池和铌掺杂锂镧锆氧（LLZNO）全固态电池的产热特性，丰田发现全固态电池产热量只有传统锂电池的25-30%，因此具有显著的安全性优势。考虑其放热量依然存在，还需进一步降低放热量，以实现真正意义的“安全”。 不同体系电池在不同温度下的焓变锂离子电池和全固态电池安全图 ALIB代表全固态电池，LIB代表传统锂电池 固态电解质(SEs)在宽温度范围内保持固态，不完全丧失离子传导功能，是其潜在优势之一。全球首款搭载“超快充固态电池”智己L6已于2024年5月正式上市，该电池由上汽集团与清陶能源联合研发制造，可实现1000km以上超长续航，且低温性能出色。液态电池的电解液在低温下粘度大幅增加，锂离子迁移速度显著降低，因此冬季性能较差。相比之下，固态电解质在低温下电导率也会降低，但受温度影响幅度较小，即使在-30℃环境下，放电容量保持率也能达到90%以上，低温续航更好。 非晶态SE是实现致密固态电解质隔膜的希望材料，使用这种SE的固态电池在-10℃下仍然可以展示出长循环寿命。 智己L6日内瓦车展首秀非晶态SEASSB在-10℃的循环性能 固态电解质中离子间相互作用强，因此离子电导率低。 解决方案：从材料、工艺等方面进行改进。研究发现，基于石榴石型Li7La3Zr2O12（LLZO）的固态电解质表现出了高迁移数和高离子电导率。同时，采用特殊的烧结方法，如放电等离子烧结，可以生产出密度更大的LLZO颗粒，以最大限度地提高相对密度和高离子电导率。 1.6固态电池挑战一：离子电导率低 LLZO基电解质的RT离子电导率(σ)和烧结进展 不同电解质性能对比 受技术和成本制约，固态电池量产难度大。技术上，当前固态电池工艺尚未成熟，其发展亟需解决三个核心科学问题，即固态电解质的离子输运机制、锂枝晶生长机制和多场耦合下的失效失控机制。成本上，部分材料售价昂贵，阻碍固态电池的量产。 解决方案：作为液态电池和固态电池的折中产品，半固态电池有望率先量产。半固态电池兼容现有传统锂电池的工艺设备，且兼具安全性、能量密度和经济性，因而有望率先进入产业化阶段。 全固态电池发展面临的核心科学问题 成本：负极材料成本偏差最大，尤其是硅碳负极所需涂覆的额外电解质导致成本高昂，锂金属负极成本虽然较低但技术上仍存在锂枝晶反应等难关。目前固态电池已商业化销售实例少，以蔚来2023年7月上线的150kWh电池包信息测算，其半固态电池成本约为1.7-2.2元/Wh，远高于同期车用方形三元电芯、铁锂电芯均价0.73、0.65元/Wh。固态电池降本方面仍面临不小挑战。 降本潜力：在除材料外的层面，固态电池的成本优势凸显。据SolidPower计算，固态电池制作过程中省去了注液、化成、排气等工艺和步骤可以节约成本34%;而固态电池的高安全性，在PACK层面同样可节约相应9%的成本;而且，高安全性减少了被召回维修的概率，同样减少了潜在的维修成本。 石墨负极液态、硅碳负极液态、石墨负极固态、锂金属负极固态的制造成本的预估模型（产能：6GWh/year) 四类电池的材料和材料及加工成本预估模型（6GWh/year) 01 高能量密度+高安全性，固态电池前景广阔 02 生产工艺革新，多元技术路线协同发展 03 04 05 产业龙头布局加码，全固态电池迎来黄金发展期AI赋能产业变革，eVTOL+人形机器人打开增量空间投资建议 06 风险提示 氧化物电解质在微观水平上形成结构稳定的锂离子传输通道，其具有离子电导率高、机械强度高、空气稳定性好、电化学窗口宽等优点。 氧化物电解质包括钙钛矿型(图a)、反钙钛矿型(图b)、NASICON型(图c)、LISICON型(图d)、石榴石型(图e)和LiPON(图f),其中钙钛矿型、NASICON型、石榴石型这三种结构类型优势比较明显，受到重点关注。如：钙钛矿型LLTO电解质材料的本征离子电导率较高，但晶界阻抗高、稳定性相对较差；石榴石型LLZO电解质离子电导率较高，稳定性好，受到广泛关注；NASICON结构的LATP的电化学窗口较高，稳定性好，但离子电导率偏低。LiPON作为电解质在与金属锂接触时表现出高稳定性。 常见氧化物固态电解质结构示意图 聚合物固态电解质，由聚合物基体（如聚酯、聚醚和聚胺等）和锂盐（如LiClO4、LiAsF6、LiPF6等）构成。聚合物固态电解质的主要优点有柔韧性高以及可加工性高，因此已经具备低成本规模生产的可能。然而聚合物电解质室温下离子电导率低，仅为10−8~10−6S/cm，需加热至60℃以上才可达到10−4S/cm。围绕聚合物的研究多集中在通过化学修饰或复合材料的方法来提高其电导率和热稳定性。 与其他几种固态电解质相比，聚合物具有加工性好、界面相容性好等优势，但是其室温锂离子电导率较低，机械性能较差，这些导致了其应用受到了很大的限制。 固态聚合物