固态电池专题（一）：全固态电池：锂电池的下一代解决方案

证券研究报告* 请务必阅读最后一页免责声明01证券研究报告* 请务必阅读最后一页免责声明2025年8月14日全固态电池：锂电池的下一代解决方案民生电新邓永康团队——固态电池专题（一）证券研究报告* 请务必阅读最后一页免责声明目录C O N T E N T S固态电解质：硫化物是未来主流路线02核心问题：固固界面润湿性03全固态电池的优势：高能量密度+高安全性01其他环节变化：设备、负极、集流体是关键变量04产业节奏：政策托底，空间星辰大海051风险提示07投资建议06证券研究报告* 请务必阅读最后一页免责声明2摘要➢全固态电池相比传统锂离子电池具有显著优势，传统锂离子电池能量密度接近理论上限，且有机电解液易燃导致热失控问题难以根除。而全固态电池正极材料沿用高镍三元，因此负极是提升固态电池能量密度的关键，其能适配高比例硅基负极或锂金属负极，能量密度有望突破500Wh/kg。全固态电池因采用固态电解质，在抑制锂枝晶生长与穿透、具备不可燃性及拥有更高耐热极限方面显著优于液态电池。➢固态电解质主要分为聚合物、氧化物、硫化物、卤化物四大类。聚合物加工性好但离子电导率低；氧化物稳定性高，不过加工性能较差；卤化物稳定性较强，却存在界面接触性差、成本高且易吸潮的问题；硫化物离子电导率最高，但其电化学稳定性和空气稳定性欠佳，易与水分反应产生 H₂S 气体，但工艺突破后有望成为未来主流路线。目前，硫化物在国内外均被作为重点攻关方向，丰田、华为、宁德时代等企业均布局了相关技术。➢全固态电池面临的核心问题是固固界面润湿性，包括化学/电化学界面的电化学稳定窗口窄、元素扩散和空间电荷层等问题，以及物理界面的接触不良、体积变化导致的阻抗增加等，进而引发锂枝晶生长和循环寿命缩短。➢全固态电池部分环节有明显变化，工艺上干法电极因适配硫化物电解质成为关键，等静压设备可增强界面接触，是全固态的核心增量环节；正极短期沿用高镍三元，长期向低成本锰酸锂和高性能富锂锰基等锰系材料发展；负极中期转向硅基以提升容量，远期将采用锂金属负极；集流体由于硫化物的腐蚀性问题，镍铁合金有望成为主流路线。➢政策托底，消费→低空→动力，产业化节奏明确。工信部2024年投入约60亿元支持头部电池厂和车厂的固态电池研发，产业化节奏方面，我们预计消费领域2025-2026 年规模化、eVTOL领域2026-2028年打开中长期市场、动力领域2027年后量产装车，2030年后规模化的节奏逐步推进，市场空间广阔。➢风险提示：新技术进展不及预期、下游需求不达预期及技术路线改变等风险。证券研究报告* 请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告全固态电池的优势：高能量密度+高安全性01.3证券研究报告* 请务必阅读最后一页免责声明传统锂离子电池：能量密度接近上限，热失控难以根除01➢传统锂离子电池能量密度已经接近理论上限。当前高镍三元体系的单体电芯，搭配10%硅基负极，能量密度接近300Wh/kg，现有锂电池的材料体系基本使得能量密度逼近上限，因此近年来电池能量密度提升速度放缓。➢热失控难以根除。有机电解液有较强的易燃性，过充电、过放电、电池内部短路、外部短路和电池外部受热等条件均可以引起电池热失控。电池在热失控情况下，正负极电极材料和电解液间发生剧烈的化学反应，放出大量热。电解液溶剂的主要成分是有机碳酸酯，闪点和沸点较低，在一定条件下会燃烧甚至发生爆炸。4图表：宁德时代CTP3.0麒麟电池（能量密度255Wh/kg）图表：锂电池爆炸起火原因资料来源：锂电网，民生证券研究院资料来源：中国电池工业协会，民生证券研究院证券研究报告* 请务必阅读最后一页免责声明高能量密度：采用更高掺杂比例的硅基负极/金属锂负极015•正极材料沿用高镍三元，因此负极是提升固态电池能量密度的关键。•人造/天然石墨负极：已接近理论比容量372mAh/g。•硅基负极：理论比容量高达4200mAh/g，但存在体积膨胀、导电性差和SEI膜不稳定的问题，在传统液态电池中，掺杂比例通常不超过10%，因为过高的体积膨胀系数会导致极片断裂，从而造成电池内部短路。•锂金属负极：理论比容量达到3860mAh/g，电位低（-3.04V），导电性优异，具有巨大潜力，但存在锂枝晶、循环时体积变化等问题，在传统液态电池中，锂枝晶容易刺穿隔膜，导致正负极短路，并且锂金属很活泼，会直接和有机电解液反应。•全固态电池可以适配硅基负极和锂金属负极。全固态电池电解质有较强的机械强度，可以有效地抑制硅基负极的膨胀和锂枝晶的生长, 界面修饰可以降低电解质和金属锂负极之间的界面反应，因此使用全固态电池有望搭配高比例的硅基负极和锂金属负极体系，能量密度有望突破500Wh/kg。图表：锂枝晶的微观结构资料来源：西努光学，民生证券研究院图表：硅基负极失效机理资料来源：锂电负极材料，民生证券研究院证券研究报告* 请务必阅读最后一页免责声明高安全性：固态电池相比传统液态电池大幅提高016资料来源：NE时代，民生证券研究院➢全固态电池采用固态电解质，安全性相较液态电池显著提升。➢1)锂枝晶方面，固态电解质可抑制锂枝晶生长速度，且锂枝较难穿透固态电解质造成正负极短路;➢2)可燃性方面，固态电解质具备不可燃性，而有机电解液的闪点在40度以下;➢3)热稳定性方面，不同成分的固态电解质耐热极限差异较大(400度-1800度不等)，但均显著高于液态电池隔膜的耐热极限(160度)。半固态电池由于保留少量电解液，安全性稍差于全固态电池，但仍旧大幅优于液态电池。图表：固态电池无惧破损，剪开后还可使用图表：固态电池分类与发展策略资料来源：国际储能网，民生证券研究院证券研究报告* 请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告固态电解质：硫化物是未来主流路线02.7证券研究报告* 请务必阅读最后一页免责声明固态电解质分类：聚合物、氧化物、硫化物、卤化物028资料来源：材料科学与工程，民生证券研究院➢固态电解质，使用固体离子导体作为锂离子电池的电解质，主要包括聚合物固态电解质（SPE），硫化物固体电解质，氧化物固体电解质、卤化物固态电解质等。➢聚合物：有良好的界面相容性和机械加工性，但离子电导率低且难以抑制锂枝晶生成。➢氧化物：机械稳定性、化学稳定性好，离子电导率一般，且材料脆性高，加工性能较差，界面问题严重。➢硫化物：离子电导率最高，且颗粒较软，只需简单的粉末冷压就能表现出很高的离子电导率，但硫化物固态电解质大多能与潮湿空气反应，且化学稳定性较差，开发难度大。➢卤化物：离子电导率处于氧化物和硫化物之间，且与高压正极材料具有更好的兼容性，可以实现高电压窗口下的稳定循环，但成本较高，且容易吸水潮解。图表：固态电解质类型及优缺点类型聚合物氧化物硫化物卤化物材料PEO、PPC、PCL、PTMC等LiPON、LATP、LLTO、LLZO等LiGPS、LiSnPS，LiSiPS等三元氯化物 Li3MX6M为过渡金属，X为卤素F、Cl、Br、I电导率10-7-10-4S/cm10-6-10-3S/cm10-4-10-2S/cm10-3S/cm优势低成本，易加工，高灵活性机械稳定性，化学稳定性，温度稳定性电导率高、加工性能好电化学稳定性，离子电导率高，与正极相容性好劣势离子电导率低，氧化电压低