上海證券報
周亮
2024-09-18 15:35
半固態(tài)電池基于高安全性、與現(xiàn)有產(chǎn)線的高兼容性、工藝簡單、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，有望成為當(dāng)下液態(tài)電池向全固態(tài)電池的過渡方案，將先于全固態(tài)電池量產(chǎn)，帶來首輪投資機(jī)會。
固態(tài)電池，以革命性的安全性和能量密度，被視為電池技術(shù)的“終極答案”。
隨著技術(shù)的不斷成熟，我國固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程正加速推進(jìn)，多款全固態(tài)電池產(chǎn)品近期密集亮相。
全固態(tài)新品帶動固態(tài)電池板塊成為近期市場為數(shù)不多的亮點(diǎn)。業(yè)內(nèi)人士分析認(rèn)為，全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中，確定性較高的機(jī)會或在于原材料硫化鋰的降本；而半固態(tài)電池基于高安全性、與現(xiàn)有產(chǎn)線的高兼容性、工藝簡單、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，有望成為當(dāng)下液態(tài)電池向全固態(tài)電池的過渡方案，將先于全固態(tài)電池量產(chǎn)，帶來首輪投資機(jī)會。
全面超越液態(tài)電池性能
固態(tài)電池，顧名思義，是一種使用固體正負(fù)極和固體電解質(zhì)的電池，與依賴液體電解質(zhì)的傳統(tǒng)鋰電池形成核心區(qū)別。根據(jù)液體電解質(zhì)含量的不同，固態(tài)電池可分為半固態(tài)（液體電解質(zhì)質(zhì)量小于10%）、準(zhǔn)固態(tài)（液體電解質(zhì)質(zhì)量小于5%）、全固態(tài)（不含任何液體電解質(zhì)）三種類型。
相較于液態(tài)電池，固態(tài)電池在性能方面主要有三大優(yōu)勢：
第一，能量密度高。固態(tài)電池具有較寬的電化學(xué)窗口寬（5V以上），可兼容更多高電壓正極材料（高鎳正極、鎳錳尖晶石正極等），并且能使用硅、鋰作為負(fù)極材料，從而可達(dá)到更高能量密度。此外，其高電壓比和良好的安全性還可以讓電池結(jié)構(gòu)更簡化，促進(jìn)電芯能量密度的提升。三元鐵鋰電池能量密度通常在180-230Wh/kg，鵬輝能源（300438.SZ）近日發(fā)布的第一代固態(tài)電池能量密度達(dá)到280Wh/kg，衛(wèi)藍(lán)新能源、國軒高科（002074.SZ）已研發(fā)出能量密度為360Wh/kg的半固態(tài)電池。高能量密度帶來更長的續(xù)航里程，在上汽智己L6應(yīng)用的光年固態(tài)電池續(xù)航據(jù)悉超過1000公里。
第二，安全性好。鋰離子電池的電解液有泄露的風(fēng)險，且在溫度過高時有自燃和爆炸的危險。固態(tài)電解質(zhì)熱穩(wěn)定性好、不易燃、不易爆，沒有液體泄露的風(fēng)險，且由于固態(tài)電解質(zhì)化學(xué)活性較穩(wěn)定，受環(huán)境溫度影響較小，在碰撞和擠壓等情況下也具有更高穩(wěn)定性。此外，固態(tài)電池溫域更寬，能夠更好地適應(yīng)高低溫環(huán)境，鵬輝能源的固態(tài)電池產(chǎn)品運(yùn)行溫域?qū)捴?20℃~85℃。
循環(huán)壽命長。固態(tài)電池采用不可燃固態(tài)電解質(zhì)取代易燃有機(jī)電解液，可以抑制鋰枝晶刺破隔膜導(dǎo)致短路的情況，大幅提升電池安全性與循環(huán)壽命。同時，固態(tài)電解質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度較高，可以在電池膨脹或收縮時保持結(jié)構(gòu)的完整性，減少因機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致的電池性能衰減。固態(tài)電解質(zhì)與電極材料之間的界面兼容性更好，減少了界面阻抗的增長，有助于維持電池長期穩(wěn)定的充放電性能，理想狀態(tài)下固態(tài)電池循環(huán)性能可以達(dá)到45000次左右。
正負(fù)極材料升級帶來迭代機(jī)會
基于液態(tài)電池能量密度已經(jīng)接近天花板的技術(shù)現(xiàn)實(shí)，固態(tài)電池被認(rèn)為未來將部分甚至完全替代液態(tài)電池。那么，二者從產(chǎn)業(yè)鏈角度有哪些異同？替代過程會帶來哪些新的投資機(jī)會？
首先看“同”。從電池結(jié)構(gòu)來看，固態(tài)電池與液體電池結(jié)構(gòu)相似，都由正極、負(fù)極、電解質(zhì)組成。從產(chǎn)業(yè)鏈來看，二者產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)成也大致相同，都包括上游資源端、中游制造端和下游應(yīng)用端。從成本角度，電池材料都是其主要成本來源。
再來看“異”，兩者主要的區(qū)別在于使用材料的不同。國聯(lián)證券研報指出，固態(tài)電池技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用將按“固態(tài)電解質(zhì)→新型負(fù)極→新型正極”形式呈現(xiàn)梯次滲透，核心在于引入新材料體系。其中，負(fù)極材料將從石墨向硅基負(fù)極、含鋰負(fù)極、金屬鋰負(fù)極升級；正極材料將從高鎳三元，向高電壓高鎳三元、超高鎳三元，再向尖晶石鎳錳酸鋰、層狀富鋰基等新型正極材料迭代升級；隔膜將從傳統(tǒng)隔膜，向氧化物涂覆隔膜升級，最終取消隔膜。
正極方面，目前的磷酸鐵鋰、三元材料體系仍可繼續(xù)沿用，后續(xù)可使用高電壓正極材料實(shí)現(xiàn)更高能量密度。目前，固態(tài)電池正極開發(fā)主要集中在高鎳三元正極、鎳錳酸鋰、富鋰錳基等路線。其中，高鎳三元正極憑借能量密度高、倍率性能好、商業(yè)化程度高等優(yōu)勢，成為當(dāng)前主流。富鋰錳基、鎳錳酸鋰等材料高能量密度優(yōu)勢突出，有望成為未來新方向。上市公司中，容百科技（688005.SH）、當(dāng)升科技（300073.SZ）均已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高鎳三元產(chǎn)品對固態(tài)電池企業(yè)的出貨，國軒高科、貝特瑞（835185.BJ）亦有布局。
負(fù)極方面，固態(tài)電池的負(fù)極材料主要包括石墨、硅、金屬鋰等，與液體電池區(qū)別較大。短中期來看，硅基負(fù)極有望成為固態(tài)電池負(fù)極材料主要解決方案。硅理論比容量高達(dá)4200mAh/g，是目前石墨類負(fù)極材料克容量（372mAh/g）的十倍以上，具有電位低、克容量高、能量密度高、資源儲量足、成本低等優(yōu)勢。長期來看，金屬鋰將成為固態(tài)電池負(fù)極的終極選擇。金屬鋰具有理論克容量高、電極電位低等優(yōu)勢，但目前金屬鋰產(chǎn)業(yè)化還存在一些挑戰(zhàn)，主要包括鋰枝晶穿刺隔膜引起的短路、循環(huán)過程中體積變化帶來的斷路現(xiàn)象以及不穩(wěn)定的SEI膜造成的性能衰減問題等。
硅基負(fù)極方面，杉杉股份（600884.SH）、翔豐華（300890.SZ）、璞泰來（603559.SH）、貝特瑞、中科電氣（300035.SZ）等均有產(chǎn)能規(guī)劃；金屬鋰負(fù)極方面，贛鋒鋰業(yè)（002460.SZ）、天齊鋰業(yè)（002466.SZ）等鋰資源傳統(tǒng)巨頭有望在遠(yuǎn)期享受負(fù)極迭代和需求增長帶來的市場紅利。
半固態(tài)電解質(zhì)提升稀有金屬需求
作為固態(tài)電池技術(shù)應(yīng)用的首要“變量”，固態(tài)電解質(zhì)根據(jù)材料類型不同，主要可分為聚合物固態(tài)電解質(zhì)和無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)，前者代表性體系是PEO聚環(huán)氧乙烷，后者則包括氧化物、硫化物和鹵化物體系。
其中，氧化物電解質(zhì)具有較好的熱穩(wěn)定性和對鋰金屬的化學(xué)穩(wěn)定性，通常被用于半固態(tài)電池，該路線代表企業(yè)包括TDK、豐田、清陶能源、衛(wèi)藍(lán)新能源、贛鋒鋰電、孚能科技（688567.SH）、國軒高科、力神電池、輝能科技等；而硫化物在電導(dǎo)率上占優(yōu)，被認(rèn)為是全固態(tài)電池的有力候選材料，該路線代表企業(yè)包括三星SDI、SK、LG新能源、SolidPower、松下、寧德時代（300750.SZ）、比亞迪（002594.SZ）、廣汽集團(tuán)（601238.SH）、鵬輝能源等。
氧化物電解質(zhì)路線中，根據(jù)電解質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)，可以分為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)型（如LLTO）、石榴石結(jié)構(gòu)型（如LLZO）、快離子導(dǎo)體型（LATP）、硫代磷酸鹽（LGPS）等，會對鋯、鑭、鈦、鍺等金屬原材料產(chǎn)生新需求。
LLZO的原材料包括二氧化鋯、硝酸鋯、碳酸鋯等。我國鋯礦資源儲量少，需求量大，進(jìn)口依賴度高達(dá)90%以上，供需格局長期處于緊平衡。國內(nèi)鋯生產(chǎn)企業(yè)主要包括東方鋯業(yè)（002167.SZ）、三祥新材（603663.SH）、凱盛科技（600552.SH）等，已經(jīng)有固態(tài)電池材料配套研發(fā)動作。
LLZO/LLTO的原材料包括氧化鑭、硝酸鑭、氫氧化鑭等。中國具有豐富的稀土資源，貢獻(xiàn)了全球70%產(chǎn)量，盛和資源（600392.SH）、北方稀土（600111.SH）等具備氧化鑭生產(chǎn)能力。
LLTO/LATP的原材料包括二氧化鈦、焦磷酸鈦等。2022年全球鈦資源儲量（以TiO2計(jì)）約為7億噸，以鈦鐵礦為主；國內(nèi)占據(jù)全球29%，位列全球第一。國內(nèi)主要鈦白粉生產(chǎn)企業(yè)包括中核鈦白（002145.SZ）、龍佰集團(tuán)（002601.SZ）、釩鈦股份（000629.SZ）等。
LAGP、硫化物固態(tài)電解質(zhì)LGPS等原材料包括二氧化鍺、硫化鍺等，國內(nèi)主要企業(yè)有云南鍺業(yè)（002428.SZ）、馳宏鋅鍺（600497.SH）。
硫化鋰成全固態(tài)電解質(zhì)降本關(guān)鍵
硫化物電解質(zhì)適配于全固態(tài)電池，電解質(zhì)材料主要包括硫化鋰（Li2S）、硫化鈉（Na2S）、硫化鉀（K2S）等類型，其中硫化鋰路線受到較高關(guān)注。東方證券研報指出，在不同晶體結(jié)構(gòu)的硫化物電解質(zhì)中，綜合熱安全特性、成本、工藝成熟度等因素來看，硫銀鍺礦型電解質(zhì)LPSCl（Li6PS5Cl）是硫化物全固態(tài)電池較好的技術(shù)路線選擇。
然而，硫化鋰高昂的價格成為當(dāng)下制約硫化物電解質(zhì)商業(yè)化的主要障礙。以LPSCl為例，硫化鋰是合成LPSCl電解質(zhì)的關(guān)鍵原料，目前硫化鋰價格超過65萬美元/噸（約合463萬人民幣/噸），遠(yuǎn)高于商業(yè)化閾值。
目前硫化鋰主要生產(chǎn)方法有機(jī)械球磨法、高溫還原法、溶劑法等，這些制備工藝對溫度、水分、能耗要求較高，且制備過程需要在惰性氣氛下進(jìn)行，導(dǎo)致硫化鋰價格居高不下，占據(jù)硫化物固態(tài)電解質(zhì)成本的近80%。此外，硫化物固態(tài)電解質(zhì)還面臨固-固界面接觸性較差導(dǎo)致離子傳輸效率下降、容易與水分反應(yīng)產(chǎn)生有毒氣體、制儲用都需要惰性環(huán)境等問題。因此，改進(jìn)硫化鋰的制備工藝成為降低硫化物電解質(zhì)成本、乃至降低全固態(tài)電池成本的關(guān)鍵因素。
提前布局硫化鋰的上市公司或?qū)⒙氏仁芤嬗谌虘B(tài)電池的發(fā)展。天齊鋰業(yè)目前已完成下一代硫化鋰產(chǎn)業(yè)化相關(guān)支持工作，累計(jì)與十余家下游客戶進(jìn)行打樣，持續(xù)開展產(chǎn)品質(zhì)量提升和降本技術(shù)優(yōu)化；恩捷股份（002812.SZ）控股子公司湖南恩捷前沿新材料目前固態(tài)用高純硫化鋰產(chǎn)品已完成小試噸級年產(chǎn)能建設(shè)和運(yùn)行，并搭建完成百噸級硫化鋰中試生產(chǎn)線。
此外，容百科技2023年12月申請了涉及硫化鋰制備方法的一項(xiàng)專利，通過添加有機(jī)硫源，促進(jìn)碳源與硫酸鋰的反應(yīng)，減少雜質(zhì)Li2O的產(chǎn)生，提高硫化鋰的純度；藍(lán)海華騰（300484.SZ）的參股子公司高能時代通過材料改性突破，在成本可控的前提下，已具備噸級硫化鋰原材料量產(chǎn)能力，且物相XRD檢測結(jié)果顯示材料純度高，公司稱硫化物電解質(zhì)（LiPSCl）離子電導(dǎo)率性能檢測結(jié)果可對標(biāo)世界頂尖水平。
