2018年固态锂电池行业深度研究报告

２０１８年固态锂电池行业深度研究报告

目录

固态锂电池：采用固体电解质替代电解液和隔膜 (4)

液态锂电池：安全性能和能量密度存在隐忧 (5)

液态锂电池的安全隐患不容忽视 (5)

液态锂电池能量密度瓶颈凸显 (6)

固态锂电池的比较优势：安全性能和能量密度更高 (7)

安全性能高：固体电解质具备高热稳定性和致密性 (7)

能量密度高：可采用金属锂做负极，有望提升40%-50%能量密度 (7)

应用范围宽：固体电解质可用温度范围更为宽泛 (9)

设计多样化：固态制备工艺简化，可设计为柔性电池 (9)

固态锂电池未来有望实现大规模商业化应用 (10)

固体电解质：固态锂电池的核心材料 (11)

影响固体电解质性能的关键指标分析 (11)

聚合物固体电解质：有望最早突破商业化瓶颈的电解质 (11)

无机固体电解质：硫化物、石榴石型、L I PON是主要方向 (14)

不同固体电解质对比：产业化道路上各有优劣 (18)

固态锂电池市场潜力巨大，全球巨头着手研究布局 (19)

固态锂电池市场潜力巨大，全球千亿市场空间可期 (19)

全球企业开始加大固态锂电池方面的研究布局 (20)

投资建议 (24)

风险提示 (25)

图表目录

图表1. 全固态锂电池工作示意图 (4)

图表2. 各类溶剂的基本性能 (5)

图表3. 金属锂表面形成锂枝晶示意图 (5)

图表4. 电子显微镜下金属锂枝晶形貌 (5)

图表5. 液态锂电池安全事故频发 (6)

图表6. 各国动力电池能量密度规划 (6)

图表7. 金属锂的特点与用于液态锂电池中的后果 (7)

图表8. 不同负极材料性能对比 (7)

图表9. 不同电池体积能量密度与质量能量密度对比情况 (8)

图表10. 全固态与液态锂电池制备工艺差别 (9)

图表11. 全固态电池柔性化设计 (10)

图表12. 下一代锂电池发展趋势对比情况 (10)

图表13. 聚合物电解质优劣势 (12)

图表14. PEO结晶区导锂示意图 (12)

图表15. PEO无定形区导锂示意图 (12)

图表16. 改性聚合物固体电解质性能对比 (13)

图表17. 外文数据库发表聚合物电解质研究成果数量 (13)

图表18. 中文数据库发表聚合物电解质研究成果数量 (13)

图表19. 聚合物电解质室温离子电导率随时间提升情况 (14)

图表20. 主流无机电解质的性能对比 (15)

图表21. 常见的硫化物电解质离子电导率情况 (15)

图表22. 硫化物电解质主要限制因素与解决途径 (16)

图表23. 晶态氧化物电解质主要类型 (16)

图表24. 常见的氧化物电解质离子电导率情况 (17)

图表25. 外文数据库发表无机电解质研究成果数量 (17)

图表26. 中文数据库发表无机电解质研究成果数量 (17)

图表27. 不同固体电解质性能雷达图 (18)

图表28. 全球固态锂电池需求预测 (20)

图表29. 全球企业加大固态锂电池布局力度 (21)

图表30. 宁德时代关于全固态锂电池申请专利 (21)

图表31. 赣锋锂业对浙江锋锂核心技术人员奖励考核 (22)

图表32. 赣锋锂业对浙江锋锂核心技术人员分期考核目标 (23)

固态锂电池：采用固体电解质替代电解液和隔膜

液态锂离子电池中电解液体系为锂离子在正负极之间传输提供通道。传统液态锂离子电池，构成部分有正极、负极、电解液、隔膜。正、负极材料是能够可逆嵌入和脱出锂离子的化合物，同时保证在脱嵌过程中保持结构稳定。正极材料提供锂离子，很大程度上决定电池能量密度，负极材料作为锂的载体。电解液起到的作用是具备离子导电性，作为正负极之间传输锂离子的通道。隔膜作为电子绝缘体，起到隔离正负极，防止电池短路的作用，同时隔膜具有微孔结构，为电解液和锂离子正常穿梭提供通道。液态锂离子电池的工作原理是锂离子随着充放电过程的进行，在正负极间的电解质中来回穿梭，并可逆地在电极上脱嵌，电子在外电路中传递，形成充放电电流。

固态锂电池采用固体电解质替代电解液和隔膜。一方面，固体电解质具备离子导电性，能够替代传统电解液，起到在正负极之间传输锂离子的作用；另一方面，固体电解质同时具备电子绝缘性，可以替代隔膜，隔绝正负极，防止短路。此外，根据负极材料的不同，又可以分为固态锂离子电池和固态金属锂电池，前者负极材料主要是石墨基、硅碳材料等可以嵌锂的材料，后者负极材料主要是指金属锂。

图表1. 全固态锂电池工作示意图

资料来源：《The Li-Ion Rechargeable Battery: A Perspective》（Journal of the American chemical Society），中银证券

液态锂电池：安全性能和能量密度存在隐忧

液态锂电池的安全隐患不容忽视

锂电池未来的聚焦主要在于两方面，安全性能和能量密度。首先，安全问题可能成为未来液态锂电池发展道路上最大的障碍，其安全隐患主要来自两方面：

溶剂具有易挥发、低闪点的特点，导致电解液的易燃性。液态锂离子电池采用的基本都是碳酸酯溶剂，主流溶剂有碳酸二甲酯（DMC ）、碳酸乙烯酯（EC ）、碳酸丙烯酯（PC ）等，基本都有挥发性强、闪点低的特点。在较高温度下易燃易爆，有一定毒性（碳酸酯溶剂有一定的致癌性），同时液体状态在暴力冲击下容易漏液。电解液溶剂的性质，决定了一般常规锂电池长时间工作温度需要低于55℃-60℃，即使是采用特殊配方的高温电解液，使用温度一般也不超过65℃。

图表2. 各类溶剂的基本性能

名称

熔点/℃ 沸点/℃ 闪点/℃ 粘度/mPa S

介电常数 碳酸乙烯酯（EC ） 40.0 248 150 1.86 89.6 碳酸丙烯酯（PC ） (49.0) 240 135 2.50 64.4 碳酸二甲酯（DMC ） 4.6 90 15 0.59 3.11 碳酸甲乙酯（EMC ） (55.0) 108 23 0.65 2.40 碳酸二乙酯（DEC ）

(43.0)

127

33

0.75

2.82

资料来源：《聚合物固体电解质杂化和梳形化改性及其应用研究》（CNKI ），中银证券

负极表面容易形成枝晶，刺穿隔膜，造成正负极短路，导致电池起火。液态锂离子电池普遍采用石墨作为负极，当负极表面不均匀时，在多次充放电循环过程中容易导致多余的锂在负极表面富集堆积，形成树枝状的锂枝晶。锂枝晶生长到一定的程度，可能刺穿具有微孔结构的隔膜，连接到正极极片，造成正负极短路。另一方面，新暴露在电解液中的锂枝晶会不断被电解液腐蚀，消耗电解液，降低电池循环寿命和容量。

图表3. 金属锂表面形成锂枝晶示意图

图表4. 电子显微镜下金属锂枝晶形貌

资料来源：《聚氧乙烯硼酸酯固体聚合物电解质及其应用》，中银证券 资料来源：《聚氧乙烯硼酸酯固体聚合物电解质及其应用》，中银证券

液态锂电池在3C 、动力电池等领域频繁发生起火爆炸等安全事故。由于液态锂电池具备以上因素带来的安全隐患，小到手机、笔记本电脑等3C 电池，大到动力电池，均出现过起火爆炸等安全事故。主要引起安全事故的原因有过充、不恰当使用等导致电池温度过高，受到外部猛烈的碰撞、挤压导致电解液外溢，电池内部短路导致起火，电池胀气、电解液外溢等。