固态电池产业链分析

导语

固态电池产业链包括上游各种矿资源等原材料，中游为正极、负极、固态电解质等关键材料及制造环节，下游为消费、动力、储能等各领域应用场景。

1、上游电解质原料

（1）锆

氧化物固态电解质LLZO的原材料包括二氧化锆、硝酸锆、碳酸锆等。我国锆矿资源储量少，需求量大，进口依赖度高达90%，供需格局长期偏紧。

锆英砂行业处于供应紧平衡的状态。2022年全球锆英砂产量为30.27万吨，同比-7%；销售量则达到33.36万吨。陶瓷、铸造、耐火材料、锆金属及其化学制品等构成锆的主要消费领域，目前全球锆应用最为广泛的领域是传统陶瓷，占据了接近50%的需求量；随着国内经济复苏，陶瓷等锆制品主要应用的传统行业有所反弹，从而拉动锆行业的新一轮需求增长。

同时，伴随3D打印、半导体、新能源电池材料、陶瓷基刹车片以及光伏等行业发展，新兴市场对锆制品的需求持续上升。

国内锆生产企业主要包括东方锆业、三祥新材、凯盛科技等。

东方锆业现有2.6万吨电熔氧化锆、0.94万吨二氧化锆（国内份额40%）、5万吨氯氧化锆（国内份额20%）产能；在建电熔氧化锆产能2万吨。目前公司已供应部分锆材料样品给到下游材料客户研发。

三祥新材现有2.6万吨电熔氧化锆、2万吨氯氧化锆产能；在建氯氧化锆产能8万吨。公司固态电解质材料研发处于实验室小试阶段。

凯盛科技现有电熔氧化锆产能2.6万吨。目前公司正在进行固态电池材料相关研发工作。

（2）镧

氧化物固态电解质LLZO/LLTO的原材料包括氧化镧、硝酸镧、氢氧化镧等。中国具有丰富的稀土资源，贡献了全球70%产量。2022年全球稀土产量约为30万吨，中国产量达到21万吨。国内企业中北方稀土、盛和资源等具有氧化镧生产能力。

（3）钛

氧化物固态电解质LLTO/LATP的原材料包括二氧化钛、焦磷酸钛等。2022年全球钛资源储量（以TiO2计）约为7亿吨，以钛铁矿为主；国内占据全球29%的储量，位列全球第一。全球钛矿下游需求主要是钛白粉（白色颜料和功能性材料，主要成分为二氧化钛）、海绵钛等。国内主要钛白粉生产企业包括龙佰集团、中核钛白、钒钛股份等。

（4）锗

氧化物固态电解质LAGP、硫化物固态电解质LGPS等原材料包括二氧化锗、硫化锗等。2022年全球锗储量约为8600金属吨，中国储量为3500吨左右，份额为41%，是全球第二大锗矿资源国（仅次于美国45%的份额）。2022年全球金属锗产量约为182吨，其中国内产量占比近7成。

锗是重要的半导体材料，主要应用场景包括红外成像领域（43%）、光纤通信领域（28%）、光伏领域（19%）等。驰宏锌锗具备金属锗年产能60吨（全球三分之一左右、国内50%左右份额）、探明锗资源量超600吨，2022年产量达到55.9吨。云南锗业具有锗资源储量超600吨，目前布局有区熔锗锭、二氧化锗、太阳能锗晶片、光纤用四氯化锗、红外光学锗镜头等产品。

2、中游制造

（1）正极材料：材料兼容度高，可沿用现有体系

固态电池可以沿用传统液态电池的正极材料体系，但由于固态电池具有更宽的电化学窗口，因此可以兼容更高电压的正极材料，从而提高电池能量密度。在固态电解质、金属锂负极等材料技术逐步成熟后，未来固态电池正极材料将向超高镍、富锂锰基、高压尖晶石镍锰酸锂等高能量密度的新型材料迭代升级。

富锂锰基为一种新兴正极材料，多家企业已有所布局。中高镍（5系、6系）和高镍（8系、9系）的比容量上限分别达到205mAh/g和220mAh/g。富锂锰基为一种新兴正极材料，具有更高的比容量和高电压的特点，在约2.0V-4.8V区间内具有超过250mAh/g的比容量。目前，国内已有多家企业储备了富锂锰基正极材料的相关生产技术。

上市公司中，容百科技、当升科技等正极材料头部企业均提前布局了针对固态电池使用的高镍三元、富锂锰基等正极材料的研发，目前已进入小试阶段，并配合客户在公司现有产线进行产品性能优化及工艺放大试验。

镍锰酸锂正成为正极材料研究热点之一。高压尖晶石型镍锰酸锂具有高能量密度、高安全及低成本优势。镍锰酸锂材料的理论比容量为146.7mAh/g，锂电压上限高达5V，电压平台高达4.7V，具有超高的能量密度（650Wh/kg）及功率密度。当固态电解质与高压镍锰酸锂电极相匹配时，能够进一步提高固态电池的能量密度。目前正成为锂电池正极材料研究热点之一。

（2）负极材料：中短期向硅基负极发展，长远向金属锂负极迭代

固态电池对高能量密度的要求，将促使负极材料从石墨负极向硅基负极发展，长远将向金属锂负极迭代。目前锂电池的负极材料主要为人造石墨，其具有电导率高和稳定性好的优势，但石墨材料的比容量理论值较低，当前石墨负极的比容量约为360mAh/g，已接近理论最大值372mAh/g。

硅基负极理论比容量是石墨负极的10倍以上，已初步实现产业化。无定型碳材料具有良好的寿命和循环性能。硅具有超过石墨材料10倍的理论比容量（4200mAh/g）和略高于石墨的嵌锂电压平台。

因此，硅碳材料是短期内最有可能替代石墨材料成为负极材料的新方向。但由于硅基负极存在体积膨胀大、导电性差和SEI膜不稳定的缺点，在液态锂电池中，硅和电解液容易发生副反应，因此目前多与石墨掺杂使用，同时目前的应用也较为受限。

2022年硅基负极规划产能超20万吨/年，包括璞泰来、杉杉股份、翔丰华等石墨头部负极企业，同时，包括天目先导、兰溪致德、索理德等一批聚焦于硅碳材料的创新企业也正在硅基负极产业化痛点上重点攻关。2022年我国硅基负极出货量为1.6万吨。

金属锂负极在全固态电池的应用潜力大。金属锂负极具有高比容量（3860mAh/g）、低电位及导电性优异的优点，能够极大地提升电池的能量密度，可实现1000Wh/L的能量密度，意味着续航里程可以超过1000km，可以应用于全固态电池，是未来最具潜力的负极材料之一。

但目前尚不成熟，应用于半固态/固态电池中仍面临锂枝晶的威胁，有待技术上取得突破。

（3）固态电解质

1）聚合物固态电解质

聚合物固态电解质由高分子和锂盐络合形成，同时添加少量惰性填料。锂离子通过聚合物的分段运动，靠不断的络合与解络合而传递。

高分子主要选用聚氧化乙烯（PEO），也可采用聚硅氧烷（PS）、聚丙烯腈（PAN）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等材料，但也存在室温离子电导率低，质地较脆等问题，仍在研发改性阶段；锂盐主要采用LiTFSI，在聚合物中的良好分散能力与稳定性；惰性填料主要为氧化物，如TiO2、Al2O3、ZrO2、SiO2等，起到降低聚合物结晶度，改善机械性能等作用。

目前聚合物大规模应用受制约，预计后续与无机固态电解质复合，通过结合两者优势，在应用端实现性能突破。

2）氧化物固态电解质

氧化物固态电解质按照形态可分为晶态和非晶态。非晶态主要为LiPON型，晶态类可分为钙钛矿型（LLTO）、反钙钛矿型、GARNET型（LLZO）、NASICON型（LATP）、LISICON型几类。晶态氧化物电解质空气和热稳定性较高，因此容易实现大规模生产。

其中，钙钛矿型（LLTO）拥有最高的晶体电导率，对锂金属较为稳定，尽管烧结温度高带来更高成本，但业内普遍认为，从长期来看LLTO应用潜力相对较大。

而非晶态固态电解质主要是LiPON型固态电解质，离子电导率低，是目前唯一实现商业化应用的氧化物电解质材料，多家国外企业已率先实现全固态薄膜锂电池在无线传感器、射频识别标签、智能卡、消费类电子等低容量需求电子设备上的应用。

薄膜型产品：通过降低电解质厚度，弥补离子电导率问题，目前非晶态的LiPON可通过真空蒸镀制成薄膜，虽离子电导率差，但在较薄厚度时（≤2μm），面电阻可控，因此倍率性能、循环性能优异。但薄膜型电池容量很小（mAh级），主要应用在微型电子、消费电子领域，但在Ah级电动车领域则需大量串并联，工艺困难且造价不菲，应用范围有限。

非薄膜型产品：综合性能优异，可制备容量型电池，目前以LATP、LLZO、LLTO路线为主。LATP电化学窗口最宽，空气稳定性好，烧结温度低，生产成本低，但Ti4+很容易被Li还原，对锂金属不稳定，整体更具性价比。LLTO晶体电导率最高，但晶界电导率低，短板效应制约总体电导率，且对锂金属不稳定，预计竞争力低于LATP/LLZO。

LLZO综合离子电导率最高，对锂金属稳定，含稀有金属镧/锆，烧结温度高，生产成本高，需改性修饰处理（如掺Al/Ta、表面包覆等），性能优势最优，长期可能潜力更大。

3）硫化物固态电解质

硫化物固态电解质因其超高离子电导率、低加工温度和低刚性而备受关注。硫化物固态电解质按照组成可分为两类，一类是二元硫化物电解质由Li2S和P2S5组成；一类是三元硫化物固态电解质由Li2S、P2S5和MS2（M=Si、Ge、Sn）组成。

锂硫银锗矿电解质，尤其Li6PS5X（X=Cl、Br、I）类电解质，因同时具备较高的室温锂离子电导率、在硫化物电解质中相对较低的成本和较高的稳定性和电极兼容性，是当前最具应用前景的无机固态电解质之一。

（4）新型导电剂

固态电池或添加新型导电剂。固态电池方案中正极多采用超高镍、富锂锰基等方案，部分方案采用掺硅负极，导电性较差，因而导电性好、导热性好以及机械性能较优的碳纳米管的添加量有望进一步提升，以此来优化电池的电化学性能。

目前国内外碳纳米管生产企业主要包括OCSiAl、天奈科技、道氏技术、捷邦科技等。

（5）隔膜：短期保留并增加价值量，长期预计被取代

隔膜短期仍保留，通过涂覆固态电解质，增加其价值量，长期预计被取代。半固态电池中，主流的原位固化工艺仍然需要隔膜来分隔正负极防止短路，并作为载体表面涂覆氧化物或者复合固态电解质，从而增加价值量。全固态电池中，全固态电解质也具有隔膜的功能，隔膜是否需要被保留取决于各方案设计差异，长期来看，隔膜会逐渐退出电池市场。

（6）固态电池封装形式

封装形式：由于固态电解质柔韧性较差，故而采用叠片设计方案，辅以软包/方形的封装方式，在入壳时更好的保护电芯的结构。液态电池则可以使用叠片或卷绕的方案，并搭配圆柱/方形/软包等封装形态。

软包电池优势：

1）固态电池安全性高、不易胀气，能够较好解决软包电池的潜在安全隐患；

2）软包形态能量密度高能够更好的发挥固态电池材料的优势；

3）固态电池材料整体相对缺乏弹性，采用软包封装形态能够在入壳时更好地保护其结构。

目前国内外铝塑膜主要生产企业包括DNP、昭和电工、新纶新材、紫江新材、明冠新材等。

3、下游应用

下游为应用领域，包括新能源汽车、消费电子、储能、eVTOL等。

随着2024年，“低空经济”首次被写入政府工作报告，带动电动垂直起降飞行器（eVTOL）引起广泛关注。国内加快了eVtol商业化落地，对高能量密度、高功率、高安全性的电池需求紧迫，且对成本不敏感，固态电池将完美契合该市场需求，产业化进程有望提前。

eVTOL将成为固态电池商业化的助推剂。2024年3月27日，工信部等四部门印发《通用航空装备创新应用实施方案（2024-2030年）》，明确提出推动400Wh/kg级航空锂电池产品投入量产，实现500Wh/kg级航空锂电池产品应用验证。

鉴于传统液态锂电池能量密度限制和eVTOL对电池性能的高要求，固态电池有望率先在eVTOL市场放量。

未来随着固态电池技术不断进步，成本逐渐呈下降趋势，尤其是国内半固态电池产业化进程已开启，固态电池的市场规模将得以快速增长。

根据EVTank发布的《中国固态电池行业发展白皮书（2024年）》，预计到2030年全球固态电池的出货量将达到614.1GWh，在整体锂电池中的渗透率预计在10%左右，市场规模将超过2500亿元，其中主要为半固态电池。

参考研报

6. 华金证券-电力设备及新能源行业：低空经济系列报告之固态电池，eVTOL商业化临近，固态电池迎来新机遇