2024年固態(tài)電池專題報告：鋰電周期將起-固態(tài)體系升級

2024年固態(tài)電池專題報告：鋰電周期將起_固態(tài)體系升級1.固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)邏輯：周期將起+體系升級1.1.鋰電池產(chǎn)業(yè)周期將起：需求預(yù)計向好中國鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值超萬億元，領(lǐng)跑全球市場。1）消費：據(jù)央視新聞報道，鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈下游需求大致包括新能源汽車、儲能、消費電子，其中占比最高的為新能源汽車，2023年約70%；2）投資：據(jù)GGII不完全統(tǒng)計，2023年13家國內(nèi)鋰電企業(yè)海外建廠，投資總額超過1340億元；3）出口：據(jù)CIAPS，2023年我國鋰電池出口約650億美元，同比+28%，其中歐洲254億美元（同比+20%），亞洲206億美元（同比+26%），北美141億美元（同比+37%）。需求驅(qū)動，鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈或周期向上。分開來看：1）GGII預(yù)計，2024年全球新能源汽車銷量有望突破1800萬輛，電動車滲透率超過20%；2）Trendforce預(yù)計，2024年全球儲能新增裝機74GW/173GWh，同比+33%/41%；3）CounterpointResearch預(yù)計，2024年全球智能手機出貨量約12億部，同比+3%。電池價格已大幅下降。據(jù)GGII，電芯價格一路下探，部分企業(yè)電芯價格跌破0.4元/Wh，已有0.38元/Wh報價。相應(yīng)的，碳酸鋰價格也經(jīng)歷了下滑，據(jù)GGII，碳酸鋰價格從2023年初55萬元/噸跌至年底10萬元/噸，進入2024年仍處于底部區(qū)域，4月來到11萬元/噸附近。原因在于短期相對需求不強。據(jù)GGII，2024年預(yù)計中國鋰電池出貨量將超過1100GWh，同比將超+27%，其中動力超820GWh，同比超+20%，儲能超200GWh，同比超+25%。據(jù)Infolink，2024年預(yù)計全球電芯產(chǎn)能3400GWh，其中動力約2460GWh，儲能約750GWh。據(jù)SMM，2022年中國產(chǎn)能占據(jù)全球80%的份額。1.2.固態(tài)體系升級進行中：產(chǎn)業(yè)化正在逐步落地據(jù)EVtank，2023年全球鋰電池出貨量達1203GWh，預(yù)計2025年超過1900GWh，2030年超過5000GWh。據(jù)Infolink，二三線廠商報價接近成本，利潤微薄，甚至虧損（截至2024年3月）。近年來，全球各國各地區(qū)都在積極推進固態(tài)電池研發(fā)。中國2021年出臺《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035）》，2023年發(fā)布《關(guān)于推動能源電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》都包含固態(tài)電池相關(guān)推進意見。美國2021年發(fā)布《鋰電池2021-2030年國家藍圖》，目標2030年實現(xiàn)固態(tài)電池規(guī)?；a(chǎn)。日本2022年更新《蓄電池產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略》，也提出了2030年固態(tài)電池商業(yè)化。韓國發(fā)布《2030二次電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略》和《二次電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略》，提出2026年實現(xiàn)車端固態(tài)電池商業(yè)目標。歐盟也在2023年發(fā)布《歐洲電池研發(fā)創(chuàng)新路線圖》和第三版《電池2030+路線圖》，提出相關(guān)預(yù)期目標。產(chǎn)業(yè)化推進：中國臺灣輝能科技中試線送樣。輝能科技成立于2006年，專注于固態(tài)電池的研究、開發(fā)和制造。通過其中試生產(chǎn)線，已向全球汽車公司提供約8000個固態(tài)電池樣品。車端應(yīng)用：蔚來、智己、廣汽搭載固態(tài)電池新車型即將上市。據(jù)電池中國，蔚來汽車搭載的半固態(tài)電池，能量密度360Wh/kg，容量150KWh，預(yù)計2024年實現(xiàn)量產(chǎn)；智己L6搭載光年固態(tài)電池，能量密度368Wh/kg，續(xù)航可達1000公里；廣汽昊鉑全固態(tài)電池，能量密度400Wh/kg以上，預(yù)計2026年裝車。低空經(jīng)濟催化：政策引導(dǎo)固態(tài)電池動力方向。2024年3月27日，工信部、科技部、財政部、民用航空局聯(lián)合發(fā)布《通用航空裝備創(chuàng)新應(yīng)用實施方案（2024-2030年）》通知，明確指出：“加快布局新能源通用航空動力技術(shù)和裝備，推動400Wh/kg級航空鋰電池產(chǎn)品投入量產(chǎn)，實現(xiàn)500Wh/kg級航空鋰電池產(chǎn)品應(yīng)用驗證”，引導(dǎo)固態(tài)電池動力方向。2.關(guān)注三個方向：材料選擇+成本比較+產(chǎn)業(yè)進度2.1.材料選擇：聚合物、氧化物、硫化物固態(tài)電解質(zhì)主要分為三大類：聚合物、氧化物、硫化物。1）聚合物電解質(zhì)是由基體和鋰鹽組成的，基體是高分子聚合物，如聚氧化乙烯（PEO）等，鋰鹽是LiPF6等，具有安全性高、重量輕、容量大等優(yōu)點。2）氧化物電解質(zhì)包括晶態(tài)和玻璃態(tài)兩類，晶態(tài)包括鈣鈦礦型、NASICON型等，玻璃態(tài)包括LiPON型等，氧化物的空氣穩(wěn)定性較好，但離子電導(dǎo)率不如硫化物。3）硫化物電解質(zhì)也是包括晶態(tài)和玻璃態(tài)兩類，用S替代氧化物中的O，如LGPS（Li10GeP2S12）等，離子電導(dǎo)率高，但是化學(xué)穩(wěn)定性相對較差。聚合物：聚合物電解質(zhì)的優(yōu)點在于延展性好和易于加工，但在室溫下離子電導(dǎo)率低（10?8～10?5S/cm）以及高界面阻抗等阻礙了其進一步發(fā)展。1973年Fenton等首次發(fā)現(xiàn)PEO在一定條件下具有離子導(dǎo)電性，后Berthier等將其用于固態(tài)電池，此后低電壓穩(wěn)定的聚合物電解質(zhì)被開發(fā)。由于對高電壓穩(wěn)定性需求的存在，又開發(fā)出PPN等聚合物電解質(zhì)?？傮w來看，單一電解質(zhì)很難匹配正負極的綜合需求，多層結(jié)構(gòu)聚合是一個可行性的策略。氧化物：氧化物電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率較高（10-3至10-4S/cm)，1992年開發(fā)的LiPON電解質(zhì)，適用于薄膜電池。1993年開發(fā)的鈣鈦礦型（LLTO），離子電導(dǎo)率超過2×10-5S/cm，1997年開發(fā)的鈉快離子導(dǎo)體型（NASICON）包括LAGP和LATP，離子電導(dǎo)率分別為10-4S/cm和1.3×10-3S/cm，2007年開發(fā)的石榴石型LLZO，離子電導(dǎo)率3×10-4S/cm。鈣鈦礦型（LLTO）：鈣鈦礦型的結(jié)構(gòu)可以用ABO3表示，A表示較大的陽離子，一般是稀土元素，如Nd或La，B表示小的陽離子，一般是過渡金屬離子，如Al或Ti。典型的如鑭鈦酸鋰La2/3?xLi3xTiO3（LLTO）體系，其電解質(zhì)的傳導(dǎo)機理分為二維和三維兩種。LLTO電解質(zhì)的晶界電阻較大，與其結(jié)構(gòu)和化學(xué)不穩(wěn)定性相關(guān)，可通過元素摻雜、電解質(zhì)復(fù)合、提高燒結(jié)溫度、Li源過量等方式提升其離子電導(dǎo)率。至于Ti和Li的穩(wěn)定性問題，可通過電解質(zhì)表面薄膜沉積嘗試去改善。石榴石型（LLZO）：已開發(fā)出Li7La3Zr2O12體系，不僅對金屬鋰有較高的化學(xué)穩(wěn)定性，并且也有較高的離子電導(dǎo)率（2.44×10-4S/cm）。LLZO存在兩種晶型，一種是I41/acd空間群的穩(wěn)定四方相結(jié)構(gòu)（離子電導(dǎo)率較低），另一種是Ia3d空間群的穩(wěn)定立方相結(jié)構(gòu)（離子電導(dǎo)率較高），在電解質(zhì)體系的本身研究中，重點是將其穩(wěn)定在立方相階段，以維持其高電導(dǎo)率水平，采取的方式包括離子摻雜、添加燒結(jié)助劑、改善制備工藝等。除此之外，電解質(zhì)和電極的界面相容性也是一大問題，可通過界面修飾、退火燒結(jié)等方式進行改善。鈉快離子導(dǎo)體型（NASICON）：NASICON結(jié)構(gòu)化合物公式為AM2(PO4)3，其中A點位被堿金屬離子（如Li+、Na+）占據(jù)，M點位被Ti、Ge、Zr占據(jù)。比較著名的（LATP）體系為Li1+xAlxTi2?x(PO4)3，是用Al對LiTi2(PO4)3（LTP）進行摻雜，當(dāng)摻雜量是0.3時，得到的LATP具有最高的離子電導(dǎo)率，特定條件下可達1.21×10-3S/cm，但由于LATP存在本征缺陷，其Ti易于鋰金屬負極觸發(fā)副反應(yīng)，后用Ge替代Ti得到的LAGP體系可進行一定程度的改善，除此之外，還需要界面涂層、表面沉積等方式配合。硫化物：硫化物相比氧化物進行硫和氧元素置換，相比氧化物電解質(zhì)，硫化物電解質(zhì)表現(xiàn)更高的離子電導(dǎo)率。從分類來看可分為二元、三元、多元等。二元Li2S-P2S5，熱壓離子電導(dǎo)率達1.7*10-2S/cm；三元中thio-LISICON結(jié)構(gòu)的典型代表是Li10GeP2S12（LGPS），離子電導(dǎo)率達1.2*10-2S/cm，硫銀鍺礦結(jié)構(gòu)的典型代表是Li5.5PS4.5Cl1.5，離子電導(dǎo)率達1.02*10-2S/cm；多元硫化物如LSPSC、Li6.6Si0.6Sb0.4S5I等離子電導(dǎo)率達2.4*10-2S/cm。2.2.成本和進度：目前成本高，半固態(tài)落地液態(tài)鋰電池LFP電芯成本約0.33元/Wh，電解液和隔膜占成本比例約10%。電解液價格約5美元/kg，與之對應(yīng)的，聚合物電解質(zhì)PEO約700美元/kg，氧化物電解質(zhì)LLZO約2000美元/kg，硫化物L(fēng)GPS約69500美元/kg，固態(tài)電解質(zhì)成本遠高于目前液態(tài)體系，工藝路線尚未成熟，降本仍需規(guī)?；?。據(jù)起點鋰電微信公眾號，日產(chǎn)汽車：計劃于2025年3月開始生產(chǎn)全固態(tài)電池，預(yù)計2028年實現(xiàn)量產(chǎn)。電芯能量密度可達700Wh/kg以上，循環(huán)壽命超10000次，快充性能最高超10C。廣汽：20