从公元开始算起,人类社会发展是2000年多年,在这个发展过程中,人类社会发展主要经历了四大红利:土地红利,人口红利,能源红利和科技红利。

土地红利,人口红利和化石能源红利都是有限资源的,他们红利是不可持续的,唯有绿色新能源红利和科技红利才能长时期的,可持续的。因此未来谁撑握了新能源技术和高科技技术的制高点,那么就意味着引导未来世界经济发展的制高点,每一次能源革命和科技革命,都推动人类社会生产力的巨大提升!

1)固态电池材料 $翔丰华(SZ300890)$ ,三祥新材 。。。等


(资料图片仅供参考)

2)PET复合铜箔 $道森股份(SH603800)$ , 元琛科技。。。等

3)锂电池铝塑膜 $海顺新材(SZ300501)$ , 明冠新材 。。。等

以往因为担心高电压的正极材料和电解液溶解发生副反应,正极表面会发生不可逆相变而不敢采用。采用固态电解质后,就能使用提高电池能量密度的高电压正极材料,可使得能量密度显着提升,轻松超越 400Wh/kg

负极决定电池的充电速度,而锂金属负极在电解液内无法稳定存在,采用固态电解质后,电解质不会与锂金属负极产生剧烈反应,可实现十分钟内快充、快放的功能,6C充放电妥妥的。

现有锂电池的电解液是可燃的,一旦泄露、挥发就容易造成电池起火。而固态电解质是不易燃的,即便隔膜刺穿,也不会泄露、挥发,安全性可大幅提高,三元锂电池不再被妖魔化。

在低温下电解液黏度会变大,离子传导速度变慢,造成外电路电子迁移速度不匹配,电池出现严重极化,充放电容量出现急剧降低,采用固态电解质将不受低温环境所影响,以后在-40℃也不怕亏电了。

影响锂离子电池循环寿命就是锂离子数量在不断减少,锂离子在迁移到负极表面时,部分锂离子没有进入负极活性物质形成稳定的化合物,获得电子后沉积在负极表面成为金属锂,且不再参与后续循环过程,导致容量下降。固态电解质解决了液态电解质在充放电过程中形成的固体电解质界面膜的问题,大大提升锂电池的循环寿命,理想状态为 45,000次。

固态电池在高温170℃的充放电循环条件下,可以观察到副反应并没有显着的增加。另外,电池在低温-40℃的充放电循环条件下,也可以观察到低温下仍然有很稳定的充放电。采用固态电解质由于致密堆积,封装后不需冷却。

01新型电解质行业概览

新能源电池的电解液由溶剂、电解质和添加剂组成。目前,由于重量、体积和安全性诸方面的瓶颈,技术已经成熟的液态电解质不再是最优选项。相比之下,固态电池与锂金属负极兼容性好,模组空间利用率高、配组灵活,能量密度方面具有相当程度的提升空间,同时固态电池的性质决定了它不存在电解液泄漏风险,且热稳定性好、不易燃烧,有更好的安全性。

基于前述性能上的优势,固态电池市场前景良好。据华泰研究测算,2030年全球固态电池市场总规模预计将达3,633.7亿元;而由于钠离子电池具备显著的资源和成本优势,可匹配多个应用场景,其单独构成的市场份额就非常可期,东方财富证券研究所预测,2030年全球钠离子电池市场规模将达3,077.9亿元。鉴于固态电池中电解质成本占比40-50%,钠离子电池中电解质成本占比约26%,根据光源资本的测算,新型电池技术体系下,2030年全球新型电解质潜在市场规模近 2,500亿元。宽广的市场空间之下,各路市场参与者在技术开发上相继蓄能,行业拐点即将到来。光大证券预计,2024年至2025年将会迎来半固态电池的商业化转折点,固态电池将优先从高端应用市场开始商业化,例如无人机、医用等领域,逐步向动力电池及消费电池领域扩展。

我国新型电池市场中,国产化率超过90%,其中,电解质作为电池关键主材,需求可观,其生产商享有高毛利、低资本投入的优势。行业风口逐渐形成的背景下,资本愈发青睐这一尚未形成边界的领域,多企业在研发生产上加速发力,大量可能产生高回报率的投资机会涌向其中。

02行业驱动因素

在从液态向全固态转型的过程中,半固态电池和准固态电池是技术升级中的中间阶段。目前,半固态电池基本满足商业化应用需求,其技术水平比全固态电池成熟。要实现全固态电池商业化,还存在许多瓶颈,比如能量密度和倍率性能有待进一步提高、离子导电率偏低、固-固界面难以充分贴合,而攻破这些难点的决定要素在于固态电解质。新型固态电解质解决前述问题的路径主要为:

对于固态或半固态电池电解质,和惯常电解液一样,都应考虑离子导通、电子绝缘、和电极的物理接触、抗正极氧化、抗负极还原、电化学稳定、热稳定、空气稳定、机械稳定等诸多因素,前述各个指标的对应温度特性等性能需求,以及综合成本低廉的规模推广需求。

当前固态电解质体系主要分为氧化物、硫化物、聚合物等。各类固态电解质的性能表现各有所长,但是任何单一固态电解质均无法取得令人满意的综合性能。比如,硫化物电导率可媲美液态电解液,但稳定性较差;氧化物热稳定性较好,但抗还原能力、物理性较弱;聚合物抗还原性和物理接触较好,但电导率较弱。除了考虑单一或复合电解质自身的优化,固态电解质和电解液协同应用也至关重要,固态电解质的开发是非常系统的工作,企业若想成为行业龙头,在科研和制造实力上都需要较长久和深厚的积淀。

目前来看,对于固态或半固态电池电解质体系的优化方式可主要分为两个维度:其一是在电解质及添加剂方向上发力创新,其背景是近年来随着双氟磺酰亚胺锂盐(LIFSI)为代表的工艺逐步成熟,多种新型锂盐和添加剂得到了应用;其二是固态电解质氧化物、聚合物、硫化物、卤化物等多路线的复合应用,例如氧化物配合聚合物材料,用组合拳均衡优劣势,实现应用方面的更优解。

钠离子电池的研发某种程度上可以说是“站在锂离子电池的肩膀上”,在工艺控制标准上有很多可以向已经较为严苛成熟的锂电电解液借鉴,但由于配方、添加剂,钠电正极和负极体系发展不成熟,很多问题待解决。

正如本文第二部分所述,钠离子电池核心技术难点主要存在于能量密度与安全性两个方面。目前钠电池能够达到数千次充电寿命的方式都是牺牲能量密度,将钠电正常电压 4.0V 降到 3.90-3.95V,降电压后副反应减少,从而循环寿命提升。目前电芯厂对于钠电电压有 4.2V 的更高标准,从而将氧化物质的容量充分发挥出来,将能量密度从现在的 120-140Wh/kg 提高到 160Wh/kg 以上。电压提升后,随之而来的安全性问题迫切呼唤更加成熟的钠离子电解质固化技术。

对于液态锂电池,锂电高压、富锂锰基正极等体系发生切换,电解液体系也会发生重大的变化。目前,配方公开的仅限于普通的磷酸铁锂体系和镍、钴、锰三元体系。而如果要求更高电压,更高能量密度,电解液开发就变得十分关键。

当下液态锂电池电解液体系的优化方向主要基于以下两类:其一配合新型正极材料,如 5V 尖晶石、富锂锰基、磷酸铁锰锂等。例如,当电芯正极材料由 5V 尖晶石组成时,常规的碳酸酯溶剂无法满足如此高电压,电解液溶剂体系需要随之彻底迭代。其二是下游电芯厂基于实践需求,在现有液态技术路线上微调电芯各项性能,并不断开发新材料或者新工艺,这些举措都会驱动电解液领域出现创新性机会。

04竞争格局与未来发展趋势

从国际范围内的竞争格局来看,全球固态电池研发可分为日韩、欧美以及中国三大板块。日韩起步最早,并选择了硫化物固态电解质路线,目前持有的固态电池专利数量全球领先,其开发模式主要采取车企、电池和材料企业以及高校等科研机构联合研发。而欧美则以氧化物固态电解质路线居多,主要采取大型车企投资入局、自主开发的模式。我国当前市场较为活跃,布局固态电池的企业既包括老牌电池企业,也有上游原材料企业和背靠大学研究所的科研专门机构。我国制造商选择的路线也非常丰富:硫化物路线代表企业有宁德时代、蜂巢能源等;氧化物路线代表企业有赣锋锂业、辉能科技等。同时,由于单一的电解质技术路线很难解决所有的问题,因此很多企业寻求复合路线,例如卫蓝新能源则以氧化物和聚合物为主。

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