eVTOL电池篇：固态电池曙光在即，eVTOL有望迎来全新升级

固态电池曙光在即，eVTOL有望迎来全新升级 ——eVTOL电池篇 行业评级：增持 目录 一、eVTOL对于能源系统提出全新要求 二、固态电池：eVTOL电池的理想解决方案 三、曙光在即，固态电池面临的挑战与机遇 四、相关上市公司 风险提示：产业化进程不及预期，固态电池大规模量产遇到挑战；技术突破与工艺创新遭遇瓶颈；政策支持力度不及预期；原材料成本和制造成本压降不及预期 一、eVTOL对于能源系统提出全新要求 1.1 eVTOL中能源系统的重要性 能源系统作为eVTOL的能量储存和释放来源，决定着航行过程中的续航里程和起降能力，是eVTOL中的核心系统之一，主要由动力电池组（Pack）、电源管理系统（BMS）、高压配电单元、热管理系统、快充接口与线束等关键部件构成。通常，整个能源系统在eVTOL中的重量占比在30%左右，根据构型、设计航程和有效载荷会有所差异。 •成本方面，能源系统通常在整体BOM中占比10%-20%左右，取决于具体构型和产品设计。根据Lilium数据，其eVTOL的能源系统成本占比约10%，推进系统占比约40%，结构和内饰占比约25%，航电和飞控占比约20%，装配件占比约5%。一方面，受益于新能源车产业的蓬勃发展，锂电池产业链的成本得到整体压降；另一方面，在分布式电推进技术下，eVTOL需要多个高功率电机和电控系统，使得动力系统的成本占比达40%以上，占到大头；另外，为满足轻量化需求，大量的碳纤维复合材料也占据大量成本，因此能源系统在eVTOL整机成本中的相对占比不高。 •然而，eVTOL能源系统的价值量却并不低，由于“开发周期长、材料成本高、产品要求严、测试环节多”等因素，航空级电池Pack的成本在2元/Wh左右，是车规动力电池的3-5倍，若按照200kWh设计能量推算，成本可以达到40万元，已经超过大部分新能源车整车价格；若考虑后续电池需要更换、拆解，则实际成本更高。 eVTOL中的能源系统 1.2 eVTOL对电池提出更高要求 综合来看，eVTOL电池相较新能源车用电池在比能量、比功率、充电倍率、循环次数与安全性五大维度上都提出了更高的要求： eVTOL在初步设计阶段需重点考虑对于能源系统的需求，设计步骤如下： Step 1：根据市场调研明确eVTOL的应用场景和相对应的功能需求（如载货vs载人、长途vs短途、城市vs城际等），决定合适的构型并提出最大起飞重量、有效载荷、续航里程等性能要求； Step 2：根据上述性能要求开展产品设计，包括浆盘载荷、功率载荷、悬停效率、升阻比等； Step 3：测算eVTOL在飞行的5个阶段（初始悬停、起飞爬升/上升过渡、巡航飞行、下降过渡、着陆悬停）中所需的任务功率，结合每个阶段的任务时间，计算出eVTOL在飞行过程中所需总共的电池能量； Step 4：根据电池能量的总需求，通过电池包的比能量倒算出电池包重量； Step 5：进行重量汇总并不断调整重量设计，在机身结构、动力系统、有效载荷等进行重新重量分配，并反复重算、试验以达到重量分配的最优解。 1.3（1）核心要求一：高比能量 核心要求一：高比能量 •eVTOL重量分配可谓“存克存金”，目前大部分eVTOL重量在2吨以下，意味着能够分配给能源系统的重量在600kg左右（30%占比），若需要满足200kwh的能量设计以较好完成城市、城际的运输要求（对应航程约300km），则能源系统的比能量需要达到330Wh/kg。另外，还需考虑到: ①包装损失：电池包装（BMS、线缆和外壳）会损失20%-30%的能量； ②老化损失：电池材料老化过程会损失1-10%的能量；③充放不完全损失：由于无法完全充电和自动放电，也会损失5-10%能量；④安全冗余：安全备用电量20%左右。 •比能量的大小决定了电池容量的大小，进而决定了航程的长短：当电池的比能量突破300Wh/kg，对应可支持续航200-250km；若比能量进一步提升至400Wh/kg，则能够支持续航300km；若比能量进一步提升至600Wh/kg，则能够支持续航400km。 •《通用航空装备创新应用实施方案（2024-2030年）》和《绿色航空制 造 业 发 展 纲 要（2023-2035年）》对eVTOL电 池 提 出“推 动400Wh/kg级航空锂电池产品投入量产，实现500Wh/kg级航空锂电池产品应用验证”的要求。 •因此，电池的比能量需要在400Wh/kg以上。另外，电池老化会使得内部阻抗会增加，降低峰值功率，使起降过程变得极其危险；所以对于eVTOL而言，当电池的健康状态达到90%的时候就需要更换电池；较新能源车要求更严格（80%健康状态以下需更换电池）。 1.3（2）核心要求二：高比功率 核心要求二：高比功率 •比功率用来衡量能量系统可以以多快的速度提供功率，决定了eVTOL整机的起降能力以及加速性能。在eVTOL巡航阶段电池保持在1C左右的放电倍率即可；然而，在垂直起降阶段需要瞬间释放巨大功率，功率需求是巡航阶段的4倍，要求电池在30%SOC时仍具备12C放电能力。 •在悬停阶段，需要电池维持在5C左右的放电能力，考虑到目前大部分eVTOL的功率载荷在4-5kw/kg（主要取决于产品设计和构型），则2吨级的eVTOL需要满足500kw左右的悬停功率，因此需要电池的比功率在1.2kW/kg以上。 •新能源车对于功率需求相对平缓，主要满足加速和爬坡需求，因此eVTOL电池相对要求要更高。 由上图可见，锂电池在比能量和比功率的性能上在不断取得进步，目前量产水平（深绿部分）已经能满足大部分新能源车需求，然而离eVTOL电池要求仍有差距。目前可满足eVTOL电池需求的电池尚未开始大规模量产（高性能电池[浅绿部分]和新型电池[浅蓝部分]）。 资料来源：《The promise of energy-efficient battery-powered urban aircraft》，金元证券研究所整理 1.3（3）核心要求三：高安全性 核心要求三：安全性 •eVTOL电池的安全性遵循航空业“零容错”的铁律能源系统必须在任何可预见的单一故障甚至多重故障下，都能够避免火灾、爆炸等灾难性事件，以及减少高空坠落、起火等二次灾害。航空法规要求电池系统设计必须证明，在单个电芯发生热失控时，关键功能的灾难性故障概率需低于10⁻⁹。 •eVTOL电池需要通过多项严苛的测试，包括加热测试、低温测试、冲击测试、碰撞测试、短路测试、穿透测试、切角测试、不正常的充电和放电测试、极端高电流测试和深度放电测试。 主要安全要求： •热失控防扩散：单个电芯热失控后，不蔓延至相邻电芯，且电池包表面温度不超过150℃；严禁出现起火、爆炸、有毒气体泄漏。•故障容错与冗余：电池管理系统（BMS）需采用双冗余架构，核心传感器（电压、温度、电流）毫秒级监控、通信链路、控制模块均备份，单一故障时仍能正常监测和控制电池状态；预留≥20%的安全冗余电量，确保支撑飞机完成备降。•环境适应性：需通过-40℃ ~ 85℃宽温域循环测试（覆盖高空低温、地面高温场景）、海拔5000米以上低压测试、盐雾腐蚀测试、15米跌落测试时不起火、不爆炸。 资料来源：《锂离子电池火灾灭火剂及灭火策略研究进展》，金元证券研究所整理， 1.4（4）核心要求四：循环寿命与快充 核心要求四：循环寿命与快充 为保障eVTOL商业化运营的经济性，eVTOL充电倍率需要在5C左右（15分钟充至80% SOC），以增加运营时间；同时，希望eVTOL电池的循环寿命在500次以上，最好能够达到1000次，以满足高强度下的运营（如单日运行8次，一年执行1600架次飞行），避免频繁更换电池。然而同时满足电池“长寿命+高倍率+快充+高比能量”具备较大的难度： •高充放电率有损循环寿命：高充放电率会导致极化现象加剧、热量积聚、SEI膜在不断“破裂-再生”过程中化学损耗更多、机械应力与结构损伤等，使得循环寿命缩减，尤其是起降阶段的瞬时12C放电率会对电池使用寿命造成较大折损。 •高比能量有损循环寿命：高比能量电池的电解液更不耐氧化、负极体积易膨胀和粉化、离子通道变窄等因素会使循环寿命缩减。 二、固态电池：eVTOL电池的理想解决方案 2.1传统液态锂电池装配eVTOL存在的问题 目前传统的液态锂电池使用在eVTOL中存在以下问题： 一、能量密度低 液态锂电池的能量密度上限为300Wh/kg（三元锂），现使用的大规模量产电池通常在160-250Wh/kg，难以满足eVTOL400Wh/kg的要求，使得续航里程大幅受限，主要由于： •隔膜和电解液等非活性组件占用了电池重量和空间；•电压窗口受限，正负电压差超过4.5V易分解；•难以使用能量密度更高的锂金属负极，易形成锂枝晶。 二、安全性差 低空中工作环境更为复杂，且空中灾害造成的危害性更高，液态锂电池主要存在以下安全问题： （1）热失控：电池负极容易析出树枝状的锂枝晶，可能刺穿仅有12-25微米厚的隔膜，造成漏液导致内部短路，瞬间释放大量热量，最终发生热失控。（2）有毒物质释放：电解液通常为易燃有机溶剂，高温下分解产生可燃气体和氧气，形成燃烧条件，且可能释放氟化氢等有毒物质。 三、循环寿命有限 液态锂电池循环寿命较为有限，容量衰减较快（尤其在快充条件下），主要由于： •锂枝晶的形成不仅消耗活性锂，还会增加电池内阻，加速容量衰减；•液态电解液干涸、挥发会导致容量衰减；•液态电解液与电极材料之间的持续副反应使得容量衰减。 2.2固态电池更加适配eVTOL电池需求 固态电池作为一种采用固态电解质替代传统液态电解液的新型电池技术，它通过固态材料实现锂离子的传导，从根本上解决了液态锂电池的安全隐患和能量密度瓶颈。相比传统的液态锂电池，固态电池凭借（1）更高的能量密度，（2）更好的安全性能和（3）更长的循环寿命；因此能够更好适配eVTOL。 根据电解质中的液体含量，主要分为液态、半固态和固态电池： •液态电池（含量>10%）：以有机溶剂作为电解液并配合使用20微米左右的薄膜，Li⁺在“液态电解液+隔膜”中来回穿梭，技术成熟，已经大规模量产装配于新能源车。 •半固态电池（含量5%-10%）：作为液态电池向全固态电池演进的“过渡方案”，在电池结构中部分使用固态电解质材料，同时保留5%-10%的液态电解质，通过固液混合设计，既保留了传统产线70%以上的工艺兼容性，又在能量密度、安全性和低温性能上“半步跨越”，实现了性能、成本和量产可行性的平衡，被视为2025–2027年最先可规模化上车的技术路线。 •全固态电池（含量0%）：完全固态形式的电解质，没有电解液和隔膜，安全性、能量密度达到最理想水平，有望在2027年小规模装车，2030年实现商业化。 2.3固态电池满足eVTOL高能量、高安全、长寿面和快充的核心要求 一、高能量密度： 固态电池可以满足eVTOL 400Wh/kg的能量密度要求，打破续航里程的限制，主要原因在于： •锂金属负极得以应用：锂金属负极的理论比容量高达3860mAh/g，是传统石墨负极（372mAh/g）的10倍以上，固态电解质具有高机械强度，能够有效抑制锂枝晶生长，使得锂金属负极的应用成为可能。 •更宽的电化学窗口：传统液态电解液在电压超过4.5V时就会分解，而固态电解质可以承受5V以上的工作电压。这意味着可以选用高电压正极材料，通过提升工作电压直接增加能量密度。•结构优化：固态电池将电解液和隔膜合二为一，取消了隔膜层，大幅缩小了正负极间距。这不仅降低了电池厚度，还减少了非活性材料的体积占比。同时，固态电池可以实现电芯内部的串联堆叠，避免过度封装，进一步提升体积能量密度。 二、高安全性： 固态电池可满足eVTOL航空级的高安全要求，在极端环境和工况下表现更优，减少灾害发生的可能性，并将灾害损失降低，主要原因在于： •热失控阈值更高：固态电池采用不可燃的固态电解质，从