一、事件驱动
1、24年3月8日大会期间,南开大学副校长、中科院院士陈军:已研发出400Wh/kg的固态电池样品,超过目前市场最先进的300Wh/kg。
其他要点:未来1-2年,要突破600Wh/kg固态电池;设计制备可全天候、宽温域工作的阻燃电解液,可在零下70℃工作;开发了低成本可充钠电池、锌电池。
2、24年3月5日,三星SDI宣布,目标2027年量产全固态电池。
3、2024年1月,台湾辉能科技宣布全球首条固态电池生产线已正式投产。
4、24年1月大众旗下Power Co完成对Quantum Scape固态电池耐力测试,可实现50万公里超长寿命,充放电1000次保持95%容量。
5、23年12月17日,蔚来李斌直播1000公里续航驾驶,测试车辆搭载蔚来150度半固态电池包,能量密度360Wh/kg,经14小时以上驾驶,最终完成了1044公里。
二、固态电池介绍
(一)什么是固态电池?
固态电池是一种使用固态电极和固态电解质的电池。
工作机理与传统锂电池一致,依靠锂离子在正极和负极之间往返移动,进行化学能和电能之间的转换与储存。
(二)发展路径
根据液态电解质的含量逐步下降,固态电池发展路径可分为:
半固态电池(液态占比5-10wt%)→准固态电池(0-5wt%)→全固态电池(0wt%);半固态、准固态使用混合固液电解质。
半固态是全固态商业化阶段前的过渡方案;基本可沿用现有电池制造工艺,生产难度小于全固态。
相比液态电池,半固态在性能上已大幅提升,安全性较好、能量密度较高、循环寿命更长、工作温度范围更宽、耐挤压、耐震动等。
(三)国内装车现状
国内固态电池车型量产时间早于海外。2023年,蔚来 ES6、ET7、东风E70、上汽智己L6等已搭载半固态电池。丰田、本田、大众、宝马等国外车企计划时间在2026-2030年。
三、为什么需要发展固态电池?(一)固态电池与当前广泛使用的液态电池有何不同?
核心区别在于固态电解质,这也是实现固态电池高能量密度、高循环稳定性、高安全性的关键。
液态电池由正极、负极、电解液、隔膜四大部分组成。固态电池用固态电解质替换传统液态电解液和隔膜。
(二)传统液态电池的缺点有哪些?
液态已逐步发展到自身材料体系所能达到的瓶颈:
1、能量密度已接近350Wh/kg理论极限;2、高温下存在发生副反应进而导致燃烧的可能性;3、电解液的挥发、干涸、泄露等影响电池寿命。
根据有关数据,新能源汽车起火事故原因中,电池自燃占比31%。相较之下,固态电解质不可燃、耐高温、无腐蚀、 不挥发、不漏液,同时具有一定机械强度,安全性更好;半固态电解质中液体占比也小于10%,可燃性大大降低。
(三)固态电池有什么优点?
1、高安全性:首要优势。
2、高能量密度:固态电池电化学窗口宽,能承受更高电压(5V 以上),材料选择范围广。因此,可通过采用高比容量的正极、负极材料,使能量密度达到500Wh/kg甚至更高,远超液态350Wh/kg理论极限。
3、体积小:液态电池使用的隔膜和电解液占据近40%体积和25%质量。而固态电解质取代了隔膜和电解液,正负极之间的距离可以缩短到只有几到十几个微米,从而大幅降低电池厚度。因此,同样电量情况下,固态电池体积更小。
4、宽温区运行:电动车在冬季续航里程之所以下滑明显,主要在于液态电解质在冬季低温环境下流动性下降。而固态电解质可以在-30℃至 100℃的更广泛温度范围内稳定工作。
(三)技术路线
所谓技术路线,实质就是固态电解质用什么的问题?
理想的固态电解质拥有:高离子电导率,对锂金属具有化学和电化学稳定性,能够很好抑制锂枝晶产生(锂枝晶的产生容易刺破隔膜,引起短路),制造成本低(比如无需使用稀有金属)等特点。
目前有三大主流:聚合物、氧化物、硫化物。氧化物进展较快(国内主要是这个路线),硫化物潜力最大,聚合物上限较低。
上述三大技术路线各有优缺点,没有能同时满足以上要求的。这块各类报告过于学术,我直接贴一张浙商证券的图:
四、固态电池产业链
上游:各种矿资源等原材料;
中游:正极、负极、固态电解质等关键材料及制造环节;
下游:消费、动力、储能等应用场景。
本文主要对固态电池偏好的技术路线(其实都不是新概念)做介绍,具体投资时作为细分赛道关注:
(一)正极:富锂锰基、高镍三元
1、正极材料是锂电池最为关键的材料。
2、固态电池对性能的要求更高,具有性能优势(电压平台更高、克容量更高)的材料,富锂锰基和高镍三元材料的电压平台显著优于磷酸铁锂,同时富锂锰基还具备成本优势。
3、目前主流锰基电池材料包括:锰酸锂(电解二氧化锰)、三元锂(硫酸锰)。在电池材料中添加锰元素,可有效提高材料安全性与结构稳定性。
(二)负极:碳硅负极、锂金属负极
1、宁德时代凝聚态电芯为代表的下一代高能量密度电芯标配硅碳负极。碳硅负极本身是解决能量密度桎梏的突破口:单体电池能量密度理论上可达843Wh/kg;
2、目前液态高镍三元+硅基负极体系成熟,半固态电池可以基本沿用;
3、混合固液电池由于存在电解液和隔膜,不适用金属锂负极。全固态电池可采用现有负极体系并配合预锂化技术提高能量密度,同时金属锂有望成为全固态电池的主流负极材料。
硅基负极产业链如下:
(三)电解质:氧化物(添加锆元素)
上文提到,目前三大主流聚合物、氧化物、硫化物。氧化物进展较快,硫化物潜力最大,聚合物上限较低。
其中氧化物电解质锂镧锆氧(LLZO)、锂镧钛氧(LLTO)的使用会新增对于锆元素的需求。
(四)隔膜:短期沿用,长期取消
混合固液电池仍需隔膜,基本沿用当前材料体系;未来全固态电解质,可能逐步取消使用现有体系下隔膜。
(五 )设备端:干法电极、干燥车间
混合固液与现有工艺、设备兼容度高;全固态有约80%的设备可以沿用,但因涉及干法电极技术,需在环境要求更高的干燥车间内生产。
(六)封装方式:软包
软包,封装的能量密度更高,是全固态适配的封装方式;可提高电池安全性、能量密度并减轻重量。 固液混合的封装与液态类似。
五、重点公司梳理
产业链与传统动力电池高度重合,比亚迪、宁德、国轩、赣锋、高镍三元正极的容百、当升;这些耳熟能详的电池核心股,本文不再赘述;
主要介绍下过去1年多来,题材领涨股:
金龙羽:主营电线电缆研产销;拟在五年内投入不超过三亿元进行固态电池及其关键材料相关技术的研究开发;半固态电芯方面,完成了电芯主辅料以及自研材料的检测、验证和导入,研发了半固态电池的制成与组装工艺。采用基于氧化物的技术路线,电解质中试试验已出样品。
上海洗霸:2024年2月29公告,近期通过汽车行业质量管理体系认证审核并取得IATF16949:2016符合性证明。有利于公司拓展新能源电池材料(固态电解质、硅碳负极和硬碳负极材料)的相关业务。
据2023年年报,公司牵头建设的10吨级/年锂离子固态电池粉体产线初步试产成功。据2023年11月公告,公司募投项目建设期 2 年,其中包含达产后将年新增50吨固态电解质产能。
2023年12月21日讯,公司与中国科学院上硅所固态电池先进材料联合创新实验室在固态电解质功能化隔膜研究方面取得新进展(利用功能性材料构筑出水基浆料涂覆的表面强极性隔膜)。
主营水处理服务业务,为客户提供专业的水处理技术整体解决方案服务;
莱尔科技:涂碳铝箔产品主要客户包括南都电源、中天科技、鹏辉能源等。专注功能性涂布胶膜材料,可应用于汽车电子、消费电子、光伏等行业领域;主要产品为热熔胶膜、压敏胶膜、FFC和LED柔性线路板;与三星、海信、富士康等有合作。
2022年11月招股书:公司将开发用于固态电池的改性集流体和应用于高镍三元电池的高安全性改性集流体。
公司生产的晶圆制程保护膜等压敏胶膜可用于半导体晶圆片蚀刻制程、物料转移等的保护。
高乐股份:2023年1月4日公告,公司拟于义乌经开区投资建设2GWH纳米固态电池项目,投资总额约20亿。
以“玩具+互联网教育”为双主营业务,已获得迪士尼IP形象的授权许可。
豪鹏科技:与中南大学、中山大学等高校合作,开展电极界面成膜、过充、DCR 仿真分析、固态锂离子电池等项目研究;目前已完成电极界面成膜、过充项目、固态锂离子电池的研究成果输出。主营业务为锂离子电池、镍氢电池研产销。
中自科技:公司PACK中试线已建成并成功实现模组下线,电芯中试生产线正在建设中;中试线均适用于锂离子电池、钠离子电池及固态电池的中试生产。与电子科大吴孟强教授开展固态电池研发合作,已完成固态电池开发团队组建和实验平台建设的规划,正开展无机氧化物/高分子聚合物复合固态电池研发,并布局全陶瓷固态电池技术方向。
公司拥有涵盖各类主要燃料内燃机的全系列尾气处理催化剂产品,实现向玉柴、潍柴、小康动力等主流发动机厂和重汽等主流整车厂批量供货。
山东章鼓:参股喀什安德致力于半固态、固态电解质膜开发和应用,已具备量产半固态电池的条件;参股公司艾诺冈生产半固态高压镍锰酸锂电池。
东方锆业:国内锆产业链最齐全公司之一;互动平台表示,固态电池电解质有很多种,如果是锂镧锆氧电解质,则氧化锆使用量较多;2023年12月25日互动,公司仍处于提供样品供一些固态电池材料厂家研发的阶段,公司持续加大应用于固态电池电解质的二氧化锆产品。
三祥新材:生产的锆材料已得到下游固态电池客户验证通过。生产的高纯氧化锆、金属锆、液态金属以及泡沫陶瓷等可应用于军工领域。公司纳米氧化锆,超细电熔氧化锆粉可用于锂离子电池正极材料添加剂;国内外核级锆材企业主要供应商。
新纶新材:铝塑膜产品可运用于半固态及固态电池上。在固态电池软包上有研究,与部分新能源固态电池厂商达成了重要合作。
全资子公司新纶功能材料产品是OPPO Find N(AI手机)独家供应商;有机硅业务产品包括显示屏全贴合光学材料、柔性折叠光学材料、半导体器件封装材料、光学保护材料、以及应用在导热芯片和新能源动力电池中的导热散热材料等。
铝塑膜上市公司:英联股份、道明光学、明冠新材、紫江企业。
丰山集团:2024年1月11日互动,控股丰山全诺技术储备和研发主要应用在半固态电池产品上;2023年11月讯,正和国内电池厂合作,目前实验室针对钠电、锂电半固态电池推出了两个系列的电解液配方,性能表现优异。主营农药原药、制剂及农药中间体研产销。
德福科技:生产的多孔铜箔产品,是作为固态(凝聚态)电池和超级电容器应用的解决方案,能加速凝聚态电池电解液的浸润效应及极耳焊接的优势,简单来讲就是能解决锂离子在凝聚态下的传输,目前公司完成了近10余家的送样,此款产品客户均处于电芯测试阶段。
主营产品可分为电子电路铜箔和锂电铜箔,分别用于覆铜板、印制电路板和各类锂电池的制造。
豪尔赛:通过宁波杉晖创业投资合伙企业间接持股蜂巢能源0.11%股份,蜂巢能源全固态电池实验室研发出国内首批20Ah级硫系全固态原型电芯。聚焦发展智慧光艺、智慧文旅、智慧城域三大业务板块。
冠盛股份:24年1月公告,与吉林东驰新能源科技成立合资公司(参70%),以一代准固态动力电池、半固态储能电池的研产销为主营业务。
东驰新能源聚焦高能量密度、高安全、长寿命的聚合物全固态电池和高功率超低温液态锂电池产品,拥有系列核心专利,是东北师范大学短刀片固态锂电池科技成果转化的产业化平台。
领湃科技:已经完成了NCM811电池化学体系研发,固态电解质及固态电池、干法电极及其制备技术的基础试验;专注于新能源汽车动力电池、储能电池产品的研产销,产品类别覆盖电芯、模组、系统集成。
翔丰华:对接固态电池企业,开展固态电池负极材料研发,目前该项目已经完成;与清陶能源签署协议,在固态/半固态电池高比容负极材料关键技术研发、供应等方面达成全面战略合作。(上汽智己L6搭载清陶半固态电池);锂电池负极第二梯队,产品包括天然石墨和人造石墨两大类;
天奈科技:碳纳米管导电剂在固态电池有相应应用厂家。
碳纳米管企业:捷邦科技
厦钨新能:主营新能源电池材料,产品广泛应用于3C消费电池、动力电池、储能等领域。全球锂电子电池正极材料重要制造商之一,钴酸锂正极材料市占率国内第一。
2023年2月1日投资者活动记录表:主要在固态电池正极材料和固态电解质方面进行重点研究开发。正极方面,通过采用快离子导体作为包覆材料,合成正极材料应用到固液混合电池,有机无机复合固态电池,硫化物全固态电池;固态电解质已实现吨级生产,可应用于3c电池和动力电池等多个领域。
紫建电子:已取得“一种满足高倍率充放电的固态电池”实用新型专利。
德尔股份:国内最大的汽车转向泵配套企业。
日本子公司主导开发固态电池、膜电极产品,其中,固态电池产品已应日本本土客户的需求提供样品并开展测试。
全固态电池开发方面坚持采用高安全性的氧化物电解质技术路线,尤其是在全固态电池的制造方法上,成功开发出一种采用LIV技术的涂布制造工艺可提升产品能量密度。
瑞泰新材:2023年12月29日互动,在固态电池、半固态电池、锂硫电池以及钠离子电池等新型电池材料方面皆存在相应布局。公司的部分新型锂盐产品在固态锂离子电池等新型电池中已形成批量销售。
锂电池电解液龙头之一,以锂盐类添加剂为主,包括双三氟甲基磺酰亚胺锂(LiTFSI)、二氟草酸硼酸锂(LiDFOB)以及三氟甲磺酸锂(LiCF3SO3)等。双三氟甲基磺酰亚胺锂(LiTFSI)主要应用于固态锂离子电池等方面。
中钢天源:四氧化三锰产量全球第一,锰基材料龙头,拥有四氧化三锰产能6.5万吨(电池级1.5万吨,电子级5万吨),电池级产品受益磷酸锰铁锂和钠电池正极材料需求。
上游含锰材料:湘潭电化、红星发展
本文主要参考:
1、东莞证券2024年1月《固态电池专题报告:下一代锂电池》;
2、浙商证券2024年1月《固态电池:空间几何?》;
3、电池厂、车厂官网等。
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