固态电池的产业化不仅意味着电池技术的代际更替,更将带来整个电池材料体系的重构。五矿证券研究报告从正极、负极、电解质、隔膜、电解液、辅材六个维度,系统分析了固态电池技术对电池材料体系的影响方向与增量空间,为判断产业链投资机会提供参考框架。
正极与负极材料的高比能迭代方向
固态电池追求高能量密度,正极材料向高电压、高压实方向升级【1†L18】。中短期来看,高镍三元正极是主要增量来源,其发展较为成熟,制造工艺上趋向高压实技术以提升体积能量密度【1†L18】。长期来看,正极材料有望向富锂锰基正极、LMNO正极、高电压钴酸锂正极、无锂正极等方向迭代【1†L18】。
负极材料的变革更为显著。硅具备4200mAh/g的克容量,是提升电池能量密度的优选材料【1†L18】。但由于硅材料的高膨胀性,目前主要以硅碳负极掺混石墨的形式使用,中短期硅碳负极为主要增量【1†L18】。硅碳负极目前已发展至第三代CVD气相硅碳技术【1†L18】。锂金属具备3860mAh/g克容量和-3.04V极低电势,是负极材料的理想方向,但面临锂枝晶问题和体积变化问题,现阶段研究方向之一是锂复合负极以改善离子电导率【1†L18】。
从材料体系发展路线看,当前液态锂电池体系向高能量密度迭代的矛盾凸显,固态电池在本征安全性和锂金属负极兼容性上表现出较大潜力【1†L6】。固态电解质与锂金属负极更高的兼容性为电池材料向高比能迭代提供了更多空间【1†L6】。
负极材料的变革更为显著。硅具备4200mAh/g的克容量,是提升电池能量密度的优选材料【1†L18】。但由于硅材料的高膨胀性,目前主要以硅碳负极掺混石墨的形式使用,中短期硅碳负极为主要增量【1†L18】。硅碳负极目前已发展至第三代CVD气相硅碳技术【1†L18】。锂金属具备3860mAh/g克容量和-3.04V极低电势,是负极材料的理想方向,但面临锂枝晶问题和体积变化问题,现阶段研究方向之一是锂复合负极以改善离子电导率【1†L18】。
从材料体系发展路线看,当前液态锂电池体系向高能量密度迭代的矛盾凸显,固态电池在本征安全性和锂金属负极兼容性上表现出较大潜力【1†L6】。固态电解质与锂金属负极更高的兼容性为电池材料向高比能迭代提供了更多空间【1†L6】。
隔膜与电解液——用量减少但短期存结构性机会
固态电池技术将对隔膜和电解液产生结构性冲击。半固态电池中电解液含量将降低至5~10wt%,全固态电池将完全不含电解液【1†L18】。隔膜方面,半固态隔膜涂覆技术使用固态电解质涂覆后的复合隔膜,短期将为复合隔膜带来一定增量【1†L18】。
但远期来看,部分厂商已推出无隔膜半固态电池,全固态也将取消隔膜使用【1†L18】。预计固态电池技术仍将对隔膜造成部分冲击【1†L18】。不过在半固态阶段,隔膜涂覆技术路线仍为隔膜企业提供了转型窗口——将固态电解质涂覆于隔膜基膜复合使用,可以减少电解液用量并提升安全性能【1†L10】。
LATP氧化物电解质涂覆隔膜是当前应用较多的方案,要求固态电解质达到纳米级【1†L10】。相比传统氧化铝涂覆,LATP涂覆可改善电解液与隔膜的浸润性【1†L10】。但如前所述,LATP涂覆在经济性和性能上相比勃姆石涂覆的液态电池并不明显占优【1†L13】。
但远期来看,部分厂商已推出无隔膜半固态电池,全固态也将取消隔膜使用【1†L18】。预计固态电池技术仍将对隔膜造成部分冲击【1†L18】。不过在半固态阶段,隔膜涂覆技术路线仍为隔膜企业提供了转型窗口——将固态电解质涂覆于隔膜基膜复合使用,可以减少电解液用量并提升安全性能【1†L10】。
LATP氧化物电解质涂覆隔膜是当前应用较多的方案,要求固态电解质达到纳米级【1†L10】。相比传统氧化铝涂覆,LATP涂覆可改善电解液与隔膜的浸润性【1†L10】。但如前所述,LATP涂覆在经济性和性能上相比勃姆石涂覆的液态电池并不明显占优【1†L13】。
辅材变革——粘结剂、导电剂与添加剂的增量机会
固态电池技术将带动部分辅材的升级与增量。粘结剂方面,干法工艺可能成为固态电池的潜在方案,干法纤维化粘结剂聚四氟乙烯(PTFE)等或将产生增量【1†L18】。全固态电池制造工艺的核心挑战之一就在于电解质与电极的复合成膜,干法电极技术亟待开发【1†L7-L8】。
导电剂方面,固态电池界面阻抗提升,导电剂可能由传统炭黑升级为单壁或多壁碳纳米管、石墨烯等新材料【1†L18】。碳纳米管导电剂因其优异的一维导电网络结构,有望在固态电池中替代传统炭黑成为主流导电剂方案。
添加剂方面,半固态原位聚合工艺中需要使用新型锂盐LiTFSI或LiFSI等作为添加剂【1†L18】。原位聚合技术是将聚合物单体、交联剂、引发剂以及液态电解质混合注入电池后聚合形成凝胶固态电解质网络【1†L11】。这一技术路径的关键点在于电解质的组成(包括液态电解液的配方、引发剂交联剂的结构设计)以及工艺流程中固化、化成工艺的工艺参数和工艺顺序【1†L11】。
导电剂方面,固态电池界面阻抗提升,导电剂可能由传统炭黑升级为单壁或多壁碳纳米管、石墨烯等新材料【1†L18】。碳纳米管导电剂因其优异的一维导电网络结构,有望在固态电池中替代传统炭黑成为主流导电剂方案。
添加剂方面,半固态原位聚合工艺中需要使用新型锂盐LiTFSI或LiFSI等作为添加剂【1†L18】。原位聚合技术是将聚合物单体、交联剂、引发剂以及液态电解质混合注入电池后聚合形成凝胶固态电解质网络【1†L11】。这一技术路径的关键点在于电解质的组成(包括液态电解液的配方、引发剂交联剂的结构设计)以及工艺流程中固化、化成工艺的工艺参数和工艺顺序【1†L11】。
| 材料类别 | 液态电池 | 半固态电池 | 全固态电池 |
|---|---|---|---|
| 正极 | 三元/磷酸铁锂 | 高镍三元为主 | 高镍三元/富锂锰基 |
| 负极 | 石墨 | 硅碳负极 | 锂金属负极 |
| 电解质 | 液态电解液(>25wt%) | 电解液(5~10wt%)+固态电解质 | 固态电解质(0wt%电解液) |
| 隔膜 | 传统隔膜 | 固态电解质涂覆复合隔膜 | 取消隔膜 |
| 粘结剂 | 传统粘结剂 | 传统/PTFE | PTFE等干法粘结剂 |
| 导电剂 | 炭黑 | 碳纳米管 | 碳纳米管/石墨烯 |
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