固态电池行业研究报告

固态电池政策 Part A Part B 固态电池原理 目录/CONTENTS 固态电池行业现状 Part C 固态电池企业情况 Part D 固态电池行业走势分析 Part E 固态电池政策 A 政策的推动促进固态电池产业的发展 •《中国制造2025》提出，2025年电池能量密度达到400Wh/kg，2030年电池能量密度达到500Wh/kg •《汽车产业中长期发展规划》提出，2025年动力电池系统比能量达到350Wh/kg。固态电池体系符合未来高能量密度趋势。 •《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》、《工业和信息化部等六部门关于推动能源电子产业发展的指导意见》都明确提出加快固态电池的研发应用，大量相关政策的出台将会对固态电池的发展产生积极影响，推动其产业化进程。 固态电池原理 B 固态电池相较于传统锂电池的结构区别与性能区别 •从应用出发，电池需要兼具安全性、循环寿命、倍率特性、环境适应性、低自放电率、高能量效率、低成本等要求 •固态锂电池在集成传统锂电池优点的基础上，有着安全性高、能量密度高、有望解决新能源汽车电池器件的多种技术要求等优势 当前固态电池技术情况 n固 态 电 池 的 优 势 •固态电池在电压平台上具有优势，负极金属锂、正极高电压材料，可以实现5V的电压平台 •在容量上，固态电池比磷酸铁锂和三元电池更有提升空间 •固态电池能够减轻电池重量，电极间距可以缩短到微米级别，内部串联后可以简化电池外壳，提高电池的能量密度 固态电池主要由正负极、电解质等固态材料构成 •固态电池一般由正负极、电解质等固态材料构成 •固态电池中，电解质盐、电解液、隔膜与粘结剂聚偏氟乙烯等几乎不需要使用 •固态电解质采用氧化物、硫化物、聚合物等材料作为锂离子导体，除了传导锂离子，也充当隔膜角色，是固态电池与传统电池的核心差异 固态电池的电解质材料多，业界相对看好聚合物、氧化物和硫化物三大体系 •目前而言，聚合物电解质技术最成熟，已经率先实现小规模量产，但是理论能量密度不及其他两类电解质 •氧化物电解质性能优于聚合物电解质，但薄膜型氧化物电池容量较小、只能应用于消费类电子领域，非薄膜型氧化物电池技术相对还不够成熟•硫化物电解质理论上最适合于电动汽车领域，但是开发难度最大 固态电池的电解质体系的性能特点和优势比较 聚合物体系固态电池的研究现状 •将聚合物体系与其他无机固态电解质体系复合，能改善聚合物体系的电导率，并能较好结合两者优势，是其主要的发展方向 氧化物体系固态电池的研究现状 •氧化物体系主要分为薄膜型与非薄膜型两大类 •薄膜型氧化物产品性能较好，但单体薄膜电池的容量很小，往往不到mAh级别，扩容困难 •非薄膜型氧化物产品综合性能出色，各项指标都比较平衡，不存在较大的生产难题，是当前开发热门 硫化物体系固态电池的研究现状 •硫化物固态电解质拥有最大潜力，但开发进度也处于最早期 •对空气敏感，容易氧化，遇水易产生H2S等有害气体，其生产环境限制与安全问题是最大的阻碍 •对此企业的解决方案主要为（1）开发不易产生硫化氢气体的材料（2）添加吸附硫化氢气体的材料（3）为电池设计抗冲撞构造 n固 态 电 池 的 技 术 难 题 与 解 决 方 案 •主流的聚合物、氧化物以及硫化物三大体系的固态电池，均存在与电极间界面阻抗大，界面相容性较差问题 •充放电过程中，各材料的体积膨胀和收缩，导致界面容易分离等问题 •使用金属锂负极，也存在固相接触阻抗大，界面反应，效率低等问题 固态电池的产业化实现：主要取决于材料技术与电池技术解决方案的突破 •电池制备工艺与应用场景和电芯容量有关，电芯封装技术大同小异，主要差别在于极片和电解质膜片的制备•mAh级别的固态电池电芯，可以通过各类溅射的办法制备•Ah级别以上的电芯，由于应用面宽、市场大，需要能快速低成本的规模制备，可借鉴在液态锂离子电池中广泛使用的高速挤压喷涂技术 聚合物体系 •由于聚合物薄膜拥有弹性和粘性，可由卷对卷的方式量产 氧化物体系 •薄膜型产品，多采用真空镀膜法生产•射频磁控溅射法可制备出大面积且表面均匀的薄膜，但缺点是较难控制薄膜组成、沉积速率小 真空镀膜 硫化物体系 •多采用涂布+多次热压，增强电解质与电极材料的接触•再在电极与电解质之间渡上一层缓冲层，改善界面性能•生产环境需要严格控制水分 固态电池行业现状 固态电池产业发展现状 •混合固液电池目前处于中试阶段，预计2025年前实现产业化，性能与液锂电池相当，无明显优势。全固态电池目前处于实验室科研阶段，预计2030年前实现应用，之后随着富锂材料应用，能量密度和成本才可对液锂电池具备优势 支撑新型主材（锂硫、锂空气）应用 研发进展： •目前固态电池进入中试阶段，产品为混合固液电池，预计2025年开始进入产业化生产•全固态电池处于科研阶段 应用趋势： •受制于能量密度和成本，2030年之前，固态电池尚不可能对液态电池全面替代•随着全固态电池产业化成熟，新型正负极材料应用，固态电池的优势才会越发明显 •液态电池向全固态迭代，分为半固态、准固态和全固态等阶段。 •本征安全性能的提升，电池可以适配更极端的化学体系、Pack层级，可适配空间利用率的软包形态，同时缩减液冷系统配置；•化学体系方面，随着正负极主材向高克容量体系迭代，材料的单耗显著下降，加之锂回收产业的成熟，电池单位成本有望降低；•生产制造方面，干电极等高效生产工艺的使用，进一步摊低了制造成本，提高生产效率，为电动车的全面渗透营造条件。 从专利布局可以看到，固态电池尤其是全固态电池的研发逐渐受到各方重视 •固态电池专利申请始于1987年，截至目前申请已公开专利1932件，并于2020年达到了申请量的阶段性顶峰，该年专利申请量为历年之最共计465件。•在专利申请人申请量排名中，现代自动车株式会社的表现最为突出共，申请专利51件，蜂巢能源科技有限公司与浙江锋锂新能源科技有限公司分列第二与第三位，分别申请专利49件与38件。 半固态电池工艺路线 •工艺迭代方向：半固态工艺路线与现有软包工艺兼容 Ø半固态路线1：隔膜涂覆固态电解质层；正极掺混固态电解质；电解液用量降低 •工艺路线与现行软包电池工艺一致，成熟度高，产线兼容，无需增设产线设备。 Ø半固态路线2：增加原位固化工艺，即电解液凝胶化，降低液相组分 •工艺上的主要把控点，包括固化时间、压力和温度，以及固化与化成等工序的顺序；•固化时间接近2-3小时，对生产效率造成一定影响；•设备上面，工艺分为热固化、电化学固化、紫外线固化，热固化设备与传统锂电产线的热压工艺设备兼容，后者需要调整化成工艺、增加对应设备，影响小。 全固态电池工艺 •工厂布局需调整，增配固体电解质成膜工艺设备及生产线； •新增等静压等新工艺，对产线影响大。等静压工艺的设备生产、调试及使用难度大，目前良率较低，需要积累大量know-how经验以赶上锂电池辊压、热压工艺的效率和良率水平； •全固态路线，电池组分均为固相，可采用干电极技术，将浆料混合、涂布、烘干、碾压几道工序结合一体，极大提高生产效率。 固态（半固态）电池应用 •2023-2025年，半固态电池有望获得大量的整车系统层级的试验数据，重点关注安全性能的验证。 •相较于圆柱和方形电池，软包电池的市场份额下滑趋势出现，主要原因是软包电池存在较大的安全隐患，半固态电池作为过渡路线，短期的驱动因素为安全性能改善。电解液的减少使得外部加热、冲击，以及内部短路造成热失控风险降低，这在电芯层级得到了验证，但是在系统、装车级别的安全性，仍需要大量数据支撑。 固态电池企业情况 公司概况 •清陶（昆山）能源发展有限公司（简称“清陶发展”）是南策文院士团队投资创办的高新技术企业，专注于顶尖新能源材料技术的产业转化•清陶发展共有员工320人，公司通过ISO/TS1694认证 清陶（昆山）能源发展有限公司目前有四大业务板块，分别是： 新材料板块 •负责纳米陶瓷隔膜和纳米能源材料的开发 •负责固态电解质和固态电池的开发 •负责动力电池梯次利用和回收业务 研发团队 •清陶研究院主要承担全固态锂电池及其关键材料的产业化重任，从材料、器件、装备多维度开展联合攻关•清陶研发团队核心人员新能源背景丰富，科研能力充足 清陶研究院&17年的技术研发积累 领军人物：南策文 •中国科学院院士，清华大学教授•清华大学材料科学与工程研究院，院长•清陶发展首席科学家、创始股东 2002年 •清陶创始团队便开始研发固态锂电池 •团队研发的LLTO固态电解质材料展示出了优异的性能 •团队开发的LLZO固态电解质材料工艺成熟，为清陶固态锂电池奠定基础 •清陶研究院成立，作为“产-学-研-用”转化的创新平台，目前已突破全固态电解质材料(LLTO、LLZO)生产技术，并可以通过流延成型、薄膜制备等多种方法制备出全固态电解质膜 •以氧化物为主，隔膜和负极材料迭代更新 产品研发情况/产业化进展/产能规划 产品研发情况/产业化进展 高安全特种电池： •振芯科技、中航锂电、西南石油 柔性电池： •意向合作方：华为、维信诺、京东方 高能量密度固态电池： •与上汽的合作：预计2020年4月固态电池装车。期间设置阶段性课题指标，知识产权部分共享。开发结束后，上汽享有产品的优先使用权或双方成立合资公司(最新消息和上汽合作已暂停)•与广汽的合作：尝试固态电池装车，另外清陶负责电池梯次利用回收的公司在与广汽合作，是广汽唯一的电池回收商•与北汽的合作：现在已装车进行试制测试，未来不排除既提供固态电芯也提供电池系统集成的可能性•其他意向合作方：戴姆勒、蔚来 产能规划 •清陶目前在昆山有电芯的试验线，可制造电芯手工样件。2018年底完成1亿Wh高安全固态特种锂电池生产线建设，2019年完成1GWh固态电池生产线建设 第28页 第30页 技术路线/产品研发情况/产业化进展/产能规划 MAB 将于2021年G2线量产后达到产业化 多轴向双极电池电池包Multi-AxisBiPolar+Pack ü中试线.MWh级ü自动化卷式生产（稳定供货）ü良率92%（辉能2019）ü高产品一致性 •多轴向新双极电池技术，电池芯数量仅T公司千分之一•保护系统、冷却系统、BMS系统简化，则重量/体积成组效率增加•较传统电池包减少30%电量、50%体积、30%成本 产能规划 •辉能刚于2019年1月完成由软银中国资本领投、金额1.5亿美元的D轮融资，将用以扩厂，新厂规划产能为1GWh 第31页 专业从事锂电新材料系列产品研发、生产及销售，是中国深加工锂产品行业的领先企业，是全球最大的金属锂生产供应商 技术带头人·许晓雄 •工学博士，现任中国科学院宁波工业技术研究院新能源技术研究研究员，博士生导师 •本科毕业于武汉理工大学 研究成果 •博士就读于中国科学院上海硅酸盐研究所固态二次电池材料与器件课题组，2007年获工学博士学位 技术路线/产品研发情况/产业化进展/产能规划 •第一代固态锂电池研制品：通过多项第三方安全测试和多家客户送样测试 电解质（液体） 硫化物/氧化物/聚合物 •以高分子聚合物分离器，代替电池中的液体电解质•全固态电池，可以通过采用锂金属负极达到500Wh/kg以上的能量密度，但还存在诸多问题：界面接触、生产工艺和固态电解质膜薄化等•目前，绝大多固态电池仍处于实验室阶段 核心技术 工艺路线 •基于目前电池工艺改进，相对液态电池而言，性能更先进的固态电池结构更简单，核心构件正极、负极、固态电解质 石墨/锂金属 产能规划 •2017年，建成了一条固态动力锂电池的自动化研发线，用于开展各类固态锂电池的电芯设计、制备工程化等方面的研究开发工作 •2018年8月，正式启动2亿Wh固态锂电池中试生产线建设项目，2019年下半年