固体电池行业深度报告：准备迎接固态电池的新时代课件.pptx

,证券研究报告2020年09月09日,行业评级：强于大市（维持评级） 上次评级：强于大市,新材料准备迎接固态电池的新时代,行业报告 | 行业深度研究,摘要,固态锂电池与传统锂电池最大的不同在于电解质,2,传统锂电池采用隔膜+电解液中间含有液态物质，而固态电池则使用固体电解质。相比传统锂电池，固态 锂电池的安全性更好，能量密度更高。目前已经在使用或接近商用的固态电池的电解质有：聚合物、硫化物和 氧化物三种，其中氧化物电解质性能最优氧化物电解质的稳定性好，循环寿命长（可达1000次以上），能量密度较高，倍率性能较好，同时成本 较低。主要缺陷是界面接触问题尚未完美解决。氧化物电解质比较适合动力电池，如今国内企业大部分 选择了金属氧化物动力电池，其制造工艺和改性水平也在稳步提升。固态电池在安全性和便利性上优势明显理论上固态电池量产成本可以与液态电池相媲美氧化物固态电池电解质物料价格低廉且电芯易组装，封装成本低。只要解决氧化物电解质大规模量产的技术问题，固态电池的量产成本或可以与液态电池相媲美。风险提示：固态锂电池作为锂离子电池的新技术，商业化应用时间尚不明确，存在长期无法大规模应用的风险。,目录,什么是固态电池,一,便利性里程焦虑，我们到底在焦虑什么？,二,三,安全性是增加安全性还是本身安全,四,经济性如何翻过成本这座山,五,3,固态电池相关企业,1.什么是固态电池,4,图1：传统液态锂离子电池,结构,图2：固态电池电池结构,相较于传统锂离子电池，固态锂电池安全性高，无自燃、爆炸风险； 氧化物和硫化物电解质的固态电池能量密度高于采用相同正负极材料 的传统锂电池。,固态电池：结构改性带来性能升级,5,资料来源：Long, Lizhen et al. “Polymer Electrolytes for Lithium Polymer Batteries.” 4.26 (2016): 138169. Web. 天风证券研究所,资料来源：Gao-Long, Zhu, Chen-Zi. Fast Charging Lithium Batteries: Recent Progress and Future Prospects.J. Small, 2019. 天风证券研究所,固态电解质：氧化物或成最优解,目前已经在使用或者接近商用的固态锂电池的电解质有三种：聚合物、 硫化物和氧化物。表1:不同电解质类型对比,资料来源：段惠,殷雅侠,郭玉国,万立骏.固态金属锂电池最新进展评述J.储能科学与技术2017,6(05):941-951,天风证券研究所,表2：不同氧化物型电解质对比,资料来源：段惠,殷雅侠,郭玉国,万立骏.固态金属锂电池最新进展评述J.储能科学与技术2017,6(05):941-951,天风证券研究所,6,安全性：新能源汽车放量的必 要条件,便利性：新车型基本满足了便 利性条件,经济性：新技术的应用不能阻 碍购买平价,安全、便利、 经济,新能源汽车作为具有公共属性的代步工具，放量需要具备三个条件：安全性是满足公共属性代步工具最基础的要求，也是新能源汽车放量的必要条件。 便利性是与传统汽车相比，满足出行需求的基本能力。经济性是新能源汽车进入大众消费领域的充分条件。固态电池不但是安全性问题的解决方案，也能通过提升续航带来便利性的提升，如 果在经济性上可以与传统电池评价，固态电池的时代可能加速来临。,7,2固态电池：是增加安全性还是本身安全？,8,新能源汽车大国：保有量已超417万辆,资料来源：公安部，中国储能网，天风证券研究所,42,91,153,261,381,417,0,9,100,200,300,400,500,图3：中国新能源汽车保有量情况600,201520162017,2018,2019,2020Q2,新能源汽车保有量（万辆）,新能源汽车保有量超过400万辆。截至2020年6月，我国新能源汽车保有量417 万辆；2019年我国新能源汽车产量381万辆，保有量增加36万辆。2019年我国 新能源汽车保有量增加120万辆。保有量超千万已经不远。,10,事故频发，动力电池路在何方？,根据清华大学电池安全实验室发布的2019年动力电池安全性研究报告，2019年以来电动汽车自燃起火事故仍然频发。据不完全统计，19年1月至7月国内外媒体所报道的与动力电池相关的电动汽车安全事故达到40余起。表3：电动汽车自燃起火事故统计,资料来源：gasgoo，天风证券研究所,图4：2019年新能源汽车召回情况：动力电池成为主要隐患之一,资料来源：电池中国网，天风证券研究所,2019年国家市场监督管理总 局要求召回33281辆新能源汽 车。因动力电池问题而召回 的新能源汽车数量有6217辆， 占今年新能源汽车总召回量 的18.68%。在电池失控的主要触发条件 当中，短路占绝大多数（90%）。短路可以由多种可能的情况 造成，是电池热失控过程中 普遍的共性特征，短路原因 可大致分为：电池系统浸水 非纯水为导电介质导致外短 路；电池机械压穿刺导致隔 膜机械破坏电池正负极搭接 引发内短路；析锂导致枝晶 生长枝晶刺穿隔膜诱发内短 路也称自引发内短路。随着 电池能量密度的提升，短路 问题越发明显。,事故频发，动力电池路在何方？,11,锂电池快充带来的安全隐患：,热效应,大电流充电，内阻 的增大会导致焦耳 发热效应加剧带来 副反应，如电解液 的反应分解、产气 等一系列问题。,在快充或低温条件下，锂离子可能会 在表面析出形成枝 晶锂。当锂晶体达 到一定量后就会从 负极向隔膜生长，,造成电池短路的危险。,析晶,图5：电池负极形成枝晶,12,资料来源：D1EV，天风证券研究所,图6：辉能LCB电池安全性能测试,资料来源：公司产品手册，天风证券研究所,实验证实，死折、撞击、穿刺及剪切 后LCB仍可放电。甚至在更严苛的枪 击测试后，LCB温度仅上升 3C5C，无起火或冒烟且可持续 使用。此外，LCB防爆等级通过认证， 安全性毋庸置疑。固态电池无疑是锂电池安全性的关键 解决方案之一。,固态电池：安全性能卓越,13,安全性的灵魂拷问：降低风险概率还是本质安全,4.79,0,1,2,3,4,2010,2011,2012,2013,2016,2017,2018,2019,20142015World BEV,图7：全球新能源汽车保有量情况（百万辆）65,资料来源：IEA，天风证券研究所,关于电池安全性有两种可选模式：第一种，虽然电池可能出现安全问题，但是 通过增加安全性设计，降低出问题的概率，达到安全性标准。第二种，选用不 会起火燃烧的电池。年产百万辆新能源汽车，迫切需要本质安全的电池。汽车在国内新能源汽车年 产量达到百万辆，保有量已经突破400万辆，未来几年突破千万辆是大概率事件。 电池出现问题的小概率事件，也可能在大基数下变得常态化。车厂对于安全性的要求会越来越高，选择不会起火燃烧电池可能成为车厂的一致选择。,14,2固态电池：当谈论里程焦虑的时候，我们到 底在焦虑什么？,15,为何会有里程焦虑？,16,资料来源：Gao-Long, Zhu, Chen-Zi. Fast Charging Lithium Batteries: Recent Progress and Future Prospects.J. Small, 2019. 天风证券研究所,从盐湖城到丹佛的距离是525英里（845公里），传统燃油车续航275英里（442.5公里）加一次油再行驶250英里（402公里）历程8小时23分钟可以到丹佛。如果新能源汽车的续航里程可以达到300英里（482.8公里），同时支持3C以上快充， 从盐湖城到丹佛的时间可以控制在8小时31分钟，便利性和燃油车几乎一样。高续航里程和快充是解决新新能源汽车便利性的最重要方式。图8：快充和高续航是满足便利性需求的最佳途径,固态电解质-突破能量密度天花板,400,450400350300250200150100500,液态锂离子电池NCM523/石墨,赣锋量产一代NCM523/碳负极,赣锋研发一代高镍三元/含Li负极,赣锋探索一代高镍三元/金属锂,157,231,250,270,288,314,335,386,550,630,700,758,818,893,0,1000,LCO/,石 墨,NCM811/SiOx(14%),NCM811/SiOx(28%),NCM811/SiOx(46%),（,NCM811/SiOx 63%,（,NCM811/SiOx 80%,NCM811/SiOx(100%),）2023E,）2024E,2025E,能量密度(Wh/L),固态电解质体系因为减少了电解液 和隔膜（换成了固态电解质），赣 锋采用同样正负极的固态电池能量 密度高于传统电池。,图10：辉能固态能量密度研发情况,17,图9：与相同电极材料的液态电池相比，赣锋固态电池能量密度更高(单位：wh/kg),资料来源：GGIB，天风证券研究所,201920202021E2022E能量密度(Wh/kg)资料来源：D1EV，天风证券研究所,而且固态电池可以采用能量密度更 高的金属锂作为负极，从而进一步 提升电池能量密度。赣锋预计第三代固态电池可以将电芯能量密度提升到400WH/KG。,18,表4：不同正极/负极的比容量对比,资料来源：吴娇杨,刘品,胡勇胜,李泓.锂离子电池和金属锂离子电池的能量密度计算J.储能科学与技术,2016,5(04):443-453，天风证券研究所,固态电池：解放电极,资料来源：D1EV，天风证券研究所,19,固态电池成组效率高,固态电池适合采用CTP刀片电池的布局，成组效率高于传统锂电 池，成组阶段还能再次提升能量密度。,固态电解质同样支持快充。锂离子电池充电分三部分，电量最低时的涓流充电（0.1C最慢），电量中等时的恒流充电（可以快充），和电量快满时的恒压充电（较慢）。恒流充电阶段实现快充相对简单，固态电池在恒流充电中做到快充并不 困难。根据辉能此前提供的数据来看，2019年实现已经实现了5C倍率12分钟充电91.70%。,93.10%,82.10%,72.20%,65.50%59.20%,90.30%,84.50%,80.00%,78.40%,92.80%,87.80%,84.80%,82.50%,80.40%77.20%,92.80%,90.10%,96.20%,98.00%,91.70%,0.60.40.20,0.8,1,图11：辉能固态电池快充能力逐年上升1.2,60mins 1C30mins 2C,20mins 3C,15mins 4C12mins 5C,PLG(2017)RatioPLG(2018)RatioPLG 2019 (T-)PLG 2020 (T)资料来源：公司产品手册，天风证券研究所,20,固态电池-充电能力稳步提升,截至6月底，全国已累计建设充电站3.8万座、换电站449座，建成各类充电 桩132.2万个，其中公共桩55.8万个、私人桩76.4万个。同时，还建成“十纵 十横两环”4.9万公里高速公路快充网络。充沛的充电桩资源也为新能源汽 车实现便利性提供了基础。,我国在充电桩保有量上优势明显,图12：中国新能源汽车充电桩数量领先全球,21,资料来源：IEA，天风证券研究所,3固态电池什么时候可以比传统电池便宜,22,25万以下为电动汽车主力市场,13.8%,15.7%,23.1%,18.8%,28.7%,12-18万,12万以下,新能源汽车本质仍然是交通工具。 大部分消费者选用新能源汽车并不 能让上下班的时间缩短。国内新能 源补贴带动新能源汽车销量也同样 说明了消费者对新能源汽车的需求 仍然是代步工具。和传统汽车平价 仍是关键。售价决定总的销量。2019年国内消费者购车价格需求中，25万以下的车型占比超过70。新 能源汽车的售价目前降至25万左右， 市场已经逐步打开，但如果希望市 场达到千万辆级别仍需要同级别的新能源汽车售价降低至18万元以下。,图13：2019年消费者购车价格需求,23,40万以上25-40万18-25万资料来源：巨量引擎，天风证券研究所,氧化物电解质理论成本低廉,24,资料来源：wind，天风证券研究所,表7：LLZO成本低于液态电解质成本,资料来源：Schnell, Joscha , et al. Solid vs. LiquidA BottomCalculation Model to Analyze the Manufacturing Cost of Future High-Energy Batteries.Energy Technology (2020)，wind，天风证券研究所,所以固态电池的应用不能大幅增加汽车的成本。氧化物电解质（锂镧锆氧）本身的原材料价格较低，如果 加工成本低于4.4美元/千瓦时，就可以实现电芯成本低于 传统电池。表6：LLZO原材料价格,资料来源：msesupplies，天风证券研究所,湿式涂布,压延,极片分 切,湿式涂布,压延,极片分 切,真空干 燥,切割,叠片,集电器焊接,入壳,封装,注液,极耳焊 接,化成,陈化,质量检 测,湿式涂 布,压延,浆料混 合,湿式涂 布,压延,极片分 切,切割,叠片,集电器 焊接,入壳,封装,极耳焊 接,化成,陈化,质量检 测,压延,层压,极片分 切,物料烧结,挤压,正极浆料混 合,负极浆料混 合,正极浆料混 合,电解质,负极挤出,25,固态电池加工中没有注液等工艺， 加工成本比传统锂电池低4.6$/Kwh。 即固态电解质的加工成本低于 9$/Kwh时，固态电池的电池成本低于传统电池。,资料来源：Schnell, Joscha , et al. Solid vs. LiquidA BottomCalculation Model to Analyze the Manufacturing Cost of Future High-Energy Batteries. Energy Technology (2020)，天风证券研究所,262.2,5000.04000.03000.02000.01000.00.0,液态锂电池设备价值/万美元,氧化物固态电池额外投资/万美元,图14：6GWh生产线成本对比，氧化物优势明显,资料来源：Schnell, Joscha , et al. Solid vs. LiquidA BottomCalculation Model to Analyze the Manufacturing Cost of Future High-Energy Batteries. Energy Technology (2020)，天风证券研究所,所以固态电池加工中没有注液等工艺，电 池产线投资也低于传统液态锂电池，按照 10年折旧计算，固态电池每千瓦时折旧较 传统锂电池少$0.1。根据辉能测算，按照目前的技术在固态电 池产能超过20Gwh时，固态电池在PACK时 的成本将低于传统电池。,目前企业和科学家也在寻找进一步降低成本的技术和工艺。表8：辉能电池包成本有望继续降低,26,资料来源：D1EV，天风证券研究所,4固态电池：国内外各企业已迈出第一步,固态电池国内外代表企业，国内企业遥遥领先,赣锋锂业,台湾辉能,清陶能源,宁德时代,氧化物,氧化物,氧化物,硫化物,2025年预计达到 450Wh/kg,240Wh/kg,182Wh/kg,400Wh/kg,理论可达400Wh/kg,4000,1000,1300,未披露,300,4C,5C,5C,未披露,未披露,能量密度115Wh/kg循环寿命4000充电倍率0.5C正负极材料负极金属锂,未披露高镍三元/硅碳负极,NCM811未披露未披露/石墨复合物,图15：全球固态电池企业分布,28,资料来源：第一电动网，天风证券研究所,表9：海内外固态电池企业工艺对比公司名称BolloreToyota电解质类型聚合物硫化物,资料来源：wind，第一电动网，Bollore公司年报，新能源网，台湾辉能官网，清陶能源官网，宁德时代专利说明书，天风证券研究所,粗略来看，欧洲固态电池 主要是聚合物体系，美国 是固液混合，在亚洲中日 韩主要是氧化物。,表10： Bollore最新LMP 四代电池：循环性能较好，能量密度仍需提升,资料来源：公司官网，天风证券研究所,装载Blue LMP电池的电动汽车Blue Car最高 时速可以达到130km/h； 匀速行驶可续航 250km。6米长Bluebus公交车可以实现140- 180km最大续航，12米长Bluebus最大续航 可达到220-280km。Bollore在法国和加拿大 建设有两座共48,000m2工厂，可年产200辆 6米长公交车和200辆12米长公交车。,29,法国Bollore，聚合物固态电池开发遇阻,资料来源：公司年报，天风证券研究所,资料来源：公司年报，天风证券研究所,表11：Bollore科研开支逐年递减,法国Bollore，聚合物固态电池开发遇阻,200180160140120100806040200,2019,2018,2017,2016,Blue Solutions,Bluecar,Bluestorage,Bluebus,TOTAL,30,资料来源：公司年报，天风证券研究所,资料来源：公司年报，天风证券研究所,资料来源：公司年报，天风证券研究所,Toyota & Panasonic，硫化物电池或在2025年面世,目前，这款固态电池正在丰田与松下合资的公司进行研发，预计2025年量产。在充电速度方面， 据丰田内部人士透露，固态电池原型产品在充电速度上相较于现有锂电池具有明显优势，电量从 0到100 仅需15分钟。在电池寿命方面，丰田汽车计划其生产的固态电池在使用30年后仍保持90 以上的性能。如果该 技术能尽快实现，那么循环性能将超越近期特斯拉、宁德时代、通用等宣传的百万公里电池。在能量密度方面，根据丰田的规划，计划到2025年将固态电池能量密度提升到现有锂电池能量密 度的2倍以上，预计可达到450Wh/kg。届时，搭载固态电池的电动汽车，续航里程将大幅提升， 可与目前燃油车相媲美。不过，尽管已推出固态电池原型产品，但真正市场化应用，丰田认为也要到2025年前后：一方面 是因为技术还需要不断完善；另一方面是成本还比较高。,资料来源：caranddriver，天风证券研究所,31,赣锋锂业，氧化物固态电池科技逐渐成熟,400,450400350300250200150100500,液态锂离子电池NCM523/石墨,赣锋量产一代赣锋研发一代赣锋探索一代NCM523/碳负极高镍三元/含Li负极高镍三元/金属锂,图16：与相同电极材料的液态电池相比，赣锋固态电池能量密度更高,资料来源：GGIB，天风证券研究所,图17：3D固态锂电池结构示意图,32,资料来源： Enabling high-areal-capacity all-solid-state lithium-metal batteries by tri-layer electrolyte architecturesJ. Energy Storage Materials, 2020, 24:714-718.天风证券研究所,根据赣锋锂业2019年12月11日投资者关系活动记录，公司固态锂电池的中试线正在,进行单机调试，目前积极与下游车企对接，,送样测试。,2019年5月，赣锋锂业与德国大众达成 战略合作，公司未来十年将向德国大 众及其供应商供应锂化工产品；同时， 德国大众还将与公司在电池回收和固 态电池等未来议题上进行合作。,台湾辉能，固态电池技术领先,157,231,250,270,288,314,335,386,550,630,700,758,818,893,0,1000,LCO/,石 墨,NCM811/SiOx(14%),NCM811/SiOx(28%),NCM811/SiOx(46%),（,NCM811/SiOx 63%,（,NCM811/SiOx 80%,NCM811/SiOx(100%),）2023E,）2024E,2025E,能量密度(Wh/L),33,当前，辉能在台湾设有40MWh的中试线产能。 产业化时间为2021年，其桃园G2线（GWh级） 量产后产能将达1-2GWh。辉能科技大陆区总部 及全球产业基地项目由辉能科技、东方蜂巢等共 同投资，在青山湖科技城选址建设。项目内容包 括建设2GWh、5GWh固态锂陶瓷电池芯产业化 项目，并将考虑与车企合资建置产线等。项目全 部建成达产后预计将实现年销售产值300亿元以 上。,图18：辉能固态能量密度研发情况,201920202021E2022E能量密度(Wh/kg)资料来源：D1EV，天风证券研究所,表12：辉能PLCB固态电池产品参数,资料来源：公司产品手册，天风证券研究所,表13：CATL刚性膜片电池较普通硫化物电池循环性能大幅提升,资料来源：专利说明书，天风证券研究所,34,宁德时代选择了硫化物固态电池的研发路径。从目前技术进展看，CATL固态电池距商业化仍有较长距离，其性能参数尤其是循环性能 明显落后于赣锋锂业和台湾辉能的氧化物型固态电池。,宁德时代：量产时间未定,2020年6月份，宁德时代21C创新实验室正式奠基，实验室中短期研究方向专注于金属锂 电池、全固态电池、钠离子电池等下一代电池研发。力求在3到5年内，实现实验室自主 创新成果的产业化，助力行业高质量发展。,风险提示,固态锂电池作为锂离子电池的新 技术，商业化应用时间尚不明确， 存在长期无法大规模应用的风险。 赣锋锂业的第一代第二代电池仍 是固液混合的过渡固态电池，其 第三代纯固态电池的研发进展还 不明确，台湾辉能固态电池预计 2022年中实现规模搭载，丰田的 硫化物固态电池也预计2025年才 能量产。目前国内尚无固态电池 装车测试的案例。,35,THANKS,37,