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毛軍
2024-10-17 16:57
半固態電池基于高安全性、與現有產線的高兼容性、工藝簡單、成本較低等優點，有望成為當下液態電池向全固態電池的過渡方案，將先于全固態電池量產，帶來首輪投資機會。
固態電池，以革命性的安全性和能量密度，被視為電池技術的“終極答案”。
隨著技術的不斷成熟，我國固態電池的產業化進程正加速推進，多款全固態電池產品近期密集亮相。
全固態新品帶動固態電池板塊成為近期市場為數不多的亮點。業內人士分析認為，全固態電池產業化進程中，確定性較高的機會或在于原材料硫化鋰的降本；而半固態電池基于高安全性、與現有產線的高兼容性、工藝簡單、成本較低等優點，有望成為當下液態電池向全固態電池的過渡方案，將先于全固態電池量產，帶來首輪投資機會。
全面超越液態電池性能
固態電池，顧名思義，是一種使用固體正負極和固體電解質的電池，與依賴液體電解質的傳統鋰電池形成核心區別。根據液體電解質含量的不同，固態電池可分為半固態（液體電解質質量小于10%）、準固態（液體電解質質量小于5%）、全固態（不含任何液體電解質）三種類型。
相較于液態電池，固態電池在性能方面主要有三大優勢：
第一，能量密度高。固態電池具有較寬的電化學窗口寬（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、鋰作為負極材料，從而可達到更高能量密度。此外，其高電壓比和良好的安全性還可以讓電池結構更簡化，促進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）近日發布的第一代固態電池能量密度達到280Wh/kg，衛藍新能源、國軒高科（002074.SZ）已研發出能量密度為360Wh/kg的半固態電池。高能量密度帶來更長的續航里程，在上汽智己L6應用的光年固態電池續航據悉超過1000公里。
第二，安全性好。鋰離子電池的電解液有泄露的風險，且在溫度過高時有自燃和爆炸的危險。固態電解質熱穩定性好、不易燃、不易爆，沒有液體泄露的風險，且由于固態電解質化學活性較穩定，受環境溫度影響較小，在碰撞和擠壓等情況下也具有更高穩定性。此外，固態電池溫域更寬，能夠更好地適應高低溫環境，鵬輝能源的固態電池產品運行溫域寬至-20℃~85℃。
循環壽命長。固態電池采用不可燃固態電解質取代易燃有機電解液，可以抑制鋰枝晶刺破隔膜導致短路的情況，大幅提升電池安全性與循環壽命。同時，固態電解質的機械強度較高，可以在電池膨脹或收縮時保持結構的完整性，減少因機械應力導致的電池性能衰減。固態電解質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定的充放電性能，理想狀態下固態電池循環性能可以達到45000次左右。
正負極材料升級帶來迭代機會
基于液態電池能量密度已經接近天花板的技術現實，固態電池被認為未來將部分甚至完全替代液態電池。那么，二者從產業鏈角度有哪些異同？替代過程會帶來哪些新的投資機會？
首先看“同”。從電池結構來看，固態電池與液體電池結構相似，都由正極、負極、電解質組成。從產業鏈來看，二者產業鏈構成也大致相同，都包括上游資源端、中游制造端和下游應用端。從成本角度，電池材料都是其主要成本來源。
再來看“異”，兩者主要的區別在于使用材料的不同。國聯證券研報指出，固態電池技術發展和應用將按“固態電解質→新型負極→新型正極”形式呈現梯次滲透，核心在于引入新材料體系。其中，負極材料將從石墨向硅基負極、含鋰負極、金屬鋰負極升級；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沿用，后續可使用高電壓正極材料實現更高能量密度。目前，固態電池正極開發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、商業化程度高等優勢，成為當前主流。富鋰錳基、鎳錳酸鋰等材料高能量密度優勢突出，有望成為未來新方向。上市公司中，容百科技（688005.SH）、當升科技（300073.SZ）均已經實現高鎳三元產品對固態電池企業的出貨，國軒高科、貝特瑞（835185.BJ）亦有布局。
負極方面，固態電池的負極材料主要包括石墨、硅、金屬鋰等，與液體電池區別較大。短中期來看，硅基負極有望成為固態電池負極材料主要解決方案。硅理論比容量高達4200mAh/g，是目前石墨類負極材料克容量（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、成本低等優勢。長期來看，金屬鋰將成為固態電池負極的終極選擇。金屬鋰具有理論克容量高、電極電位低等優勢，但目前金屬鋰產業化還存在一些挑戰，主要包括鋰枝晶穿刺隔膜引起的短路、循環過程中體積變化帶來的斷路現象以及不穩定的SEI膜造成的性能衰減問題等。
硅基負極方面，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）等均有產能規劃；金屬鋰負極方面，贛鋒鋰業（002460.SZ）、天齊鋰業（002466.SZ）等鋰資源傳統巨頭有望在遠期享受負極迭代和需求增長帶來的市場紅利。
半固態電解質提升稀有金屬需求
作為固態電池技術應用的首要“變量”，固態電解質根據材料類型不同，主要可分為聚合物固態電解質和無機固態電解質，前者代表性體系是PEO聚環氧乙烷，后者則包括氧化物、硫化物和鹵化物體系。
其中，氧化物電解質具有較好的熱穩定性和對鋰金屬的化學穩定性，通常被用于半固態電池，該路線代表企業包括TDK、豐田、清陶能源、衛藍新能源、贛鋒鋰電、孚能科技（688567.SH）、國軒高科、力神電池、輝能科技等；而硫化物在電導率上占優，被認為是全固態電池的有力候選材料，該路線代表企業包括三星SDI、SK、LG新能源、SolidPower、松下、寧德時代（300750.SZ）、比亞迪（002594.SZ）、廣汽集團（601238.SH）、鵬輝能源等。
氧化物電解質路線中，根據電解質晶體結構，可以分為鈣鈦礦結構型（如LLTO）、石榴石結構型（如LLZO）、快離子導體型（LATP）、硫代磷酸鹽（LGPS）等，會對鋯、鑭、鈦、鍺等金屬原材料產生新需求。
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，進口依賴度高達90%以上，供需格局長期處于緊平衡。國內鋯生產企業主要包括東方鋯業（002167.SZ）、三祥新材（603663.SH）、凱盛科技（600552.SH）等，已經有固態電池材料配套研發動作。
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，貢獻了全球70%產量，盛和資源（600392.SH）、北方稀土（600111.SH）等具備氧化鑭生產能力。
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）約為7億噸，以鈦鐵礦為主；國內占據全球29%，位列全球第一。國內主要鈦白粉生產企業包括中核鈦白（002145.SZ）、龍佰集團（002601.SZ）、釩鈦股份（000629.SZ）等。
LAGP、硫化物固態電解質LGPS等原材料包括二氧化鍺、硫化鍺等，國內主要企業有云南鍺業（002428.SZ）、馳宏鋅鍺（600497.SH）。
硫化鋰成全固態電解質降本關鍵
硫化物電解質適配于全固態電池，電解質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注。東方證券研報指出，在不同晶體結構的硫化物電解質中，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LPSCl（Li6PS5Cl）是硫化物全固態電池較好的技術路線選擇。
然而，硫化鋰高昂的價格成為當下制約硫化物電解質商業化的主要障礙。以LPSCl為例，硫化鋰是合成LPSCl電解質的關鍵原料，目前硫化鋰價格超過65萬美元/噸（約合463萬人民幣/噸），遠高于商業化閾值。
目前硫化鋰主要生產方法有機械球磨法、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行，導致硫化鋰價格居高不下，占據硫化物固態電解質成本的近80%。此外，硫化物固態電解質還面臨固-固界面接觸性較差導致離子傳輸效率下降、容易與水分反應產生有毒氣體、制儲用都需要惰性環境等問題。因此，改進硫化鋰的制備工藝成為降低硫化物電解質成本、乃至降低全固態電池成本的關鍵因素。
提前布局硫化鋰的上市公司或將率先受益于全固態電池的發展。天齊鋰業目前已完成下一代硫化鋰產業化相關支持工作，累計與十余家下游客戶進行打樣，持續開展產品質量提升和降本技術優化；恩捷股份（002812.SZ）控股子公司湖南恩捷前沿新材料目前固態用高純硫化鋰產品已完成小試噸級年產能建設和運行，并搭建完成百噸級硫化鋰中試生產線。
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專利，通過添加有機硫源，促進碳源與硫酸鋰的反應，減少雜質Li2O的產生，提高硫化鋰的純度；藍海華騰（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能力，且物相XRD檢測結果顯示材料純度高，公司稱硫化物電解質（LiPSCl）離子電導率性能檢測結果可對標世界頂尖水平。
