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设备:前道环节工艺仍有分歧,后道高压设备持续迭代
固态电池新技术新工艺涌现,设备端前后道有较大改进空间。固态电池生产对于设备的精度大幅提升,在均匀程度的要求上是微米级甚至纳米级。前道成膜设备仍无法达到要求,湿法和干法路线均有优劣势;中道极片胶框印刷、叠片机需解决Overhang的相互切断问题;后道高压化成分容需使用等静压设备,目前已从立式迭代至卧式,可实现连续化生产。固态电池设备壁垒大幅提升,目前生产设备仍不成熟,需进行特定化开发升级,预计后续持续涌现新方案和新技术。
前道成膜:湿法仍为短期主流方案,干法为未来发展大趋势
◆ 固态电解质成膜为制造核心工艺,湿法路线相对成熟,干法路线潜力更大,为未来发展大趋势。全固态电池中,硫化物电解质对极性有机溶剂较为敏感,此外金属锂负极容易与溶剂反应,主流思路为切换干法电极工艺,但目前干法工艺不成熟,难点在于厚度、压实、幅宽、跑速等,主流厂商仍以湿法工艺为主,选取特定溶剂,实现较薄的固态电解质膜厚度,但干法仍为未来发展大趋势。干法电极方面,主要变化在于混料、纤维化和成膜,混料+纤维化相关标的宏工科技,曼恩斯特等,成膜相关标的纳科诺尔、先惠技术、利元亨等。
中后道:叠片机要求大幅提升,等静压设备仍无法替代
◆ 中道叠片机需升级改造,新增极片胶框印刷。全固态电池为防止短路,正极、负极、电解质面积不同,极片会在高度致密化后成为锋利的刀片,如果有错位或者面积不同,会产生相互切断的情况。因此叠片机需改造升级,精度提升几个数量级,此外新增极片胶框印刷,减少气流扰动等工序,相关标的先导智能、德新科技、赢合科技等。
◆ 后道等静压设备仍无法替代,迭代至卧式实现连续化生产。全固态电池一体化叠片存在固-固界面接触问题,需通过施加压力等手段来进行改善,主要采用等静压设备,一般温度在80-120℃,压力在500MPa左右,从各个方向对试样进行均匀加压,进而获得坚实的坯体,等静压设备已迭代至卧式实现连续化生产,相关标的包头科发(非上市)、利元亨、纳科诺尔等。
材料:硫化锂/锂金属为降本关键,未来具备较大降本空间
◆ 硫化锂/锂金属为降本关键,相关生产工艺持续突破,未来具备较大降本空间。固态电池原材料中,价值量较高的为固态电解质+锂金属负极。固态电解质(锂磷硫氯)具备生产壁垒,核心在于产品稳定性,目前仅少量企业可实现,目前价格在300-500万元/吨,硫化锂为量产降本核心,因为其活泼性较高,目前众多企业开启布局,胜出关键在于找到有效的降本方式。锂金属负极也具备制造壁垒,核心在于产品减薄和平整,目前价格500-1000万元/吨,新工艺为量产降本的关键,蒸镀PVD具备降本+改性的双重优势,有望推动锂金属电池实现产业化。近期看,硫化锂/锂金属的生产工艺均在持续突破,未来具备较大降本空间。
硫化锂:固态电解质降本的关键,固相/液相法各有利弊
硫化物主流合成工艺有四种,其中碳热还原法和液相法具备成本优势,此外CVD法等新工艺也有较大潜力,未来待工艺、设备突破后,有望大幅降低硫化锂成本。硫化锂为固态电池降本的核心,目前行业合成主流为锂硫燃爆法(直接固相法),厂商反馈性能较好,但生产成本较高,主要为有研新材、赣锋锂业、凯亚达等;未来具备降本潜力的为溶剂法和CVD法,其中溶剂法为容百科技、恩捷股份、天赐材料等,细分为碳热还原法和液相法,生产成本相对较低,但溶剂难以去除,烧结后成炭大幅影响性能,厂商反馈性能待进一步优化;CVD法为新工艺,厂商反馈性能较好,但生产成本相对较高,主要为能耗和生产效率问题,未来待工艺、设备突破后,成本有望实现大幅改善,相关厂商为厦钨新能等。
锂金属:蒸镀PVD技术实现突破,具备降本+改性的双优势
蒸镀锂金属技术实现突破,具备降本+提升循环双优势。锂金属负极传统采用轧制工艺,无法解决减薄和平整问题,限制锂金属电池的应用发展。蒸镀锂金属工艺实现突破,具备的优势有:1)锂带厚度可降至2-3μm(传统轧制15-20μm),可显著降本和提升能量密度;2)原子级沉积工艺,可精准控制蒸发量,表面形貌可制造极其均匀,并可掺杂合金元素,改善锂金属负极性能,最终提升电池的安全性+循环寿命。因此,蒸镀锂金属具备降本+提性的双优势,有望大幅提升锂金属固态电池性能,进而推动锂金属电池的应用发展,相关厂商为英联股份等。
集流体:铜箔易被硫化物腐蚀、后续或迭代至不锈钢箔
◆ 铜集流体易被硫化物腐蚀、后续或迭代至不锈钢集流体。固态电池中,在无水环境下,硫化物电解质对铜箔几乎呈惰性,但实际工况下,存在痕量的水(即使是ppm级)也会导致铜箔被硫化物电解质腐蚀,界面处产生大量的腐蚀副产物,铜箔机械强度迅速降低,导致全固态电池性能严重下降。因此在实际应用中,铜表面需进行严苛的防腐蚀处理,进而减少硫化物电解质的腐蚀,但实际操作难度较大,更优的方案是更换不锈钢集流体。
◆ 三星SDI已推出相关产品、难点在于极薄化+提升导电性。24年7月,三星SDI展出固态电池产品,引入锂磷硫氯+银碳负极+不锈钢集流体,能量密度实现900Wh/L(约450Wh/kg),循环寿命超过1000次,计划27年前进行正式量产。因此,不锈钢集流体相关产品已达小试阶段,并对循环寿命提升有重要意义。但不锈钢箔与铜箔相比,虽耐腐蚀性大幅提升,导电性大幅下降,并且机械性能差,因此目前制造仍不成熟,目标生产出7-10μm、表面无褶皱、导电性较好的产品。因此不锈钢集流体具备较高壁垒,核心难点在于减薄和改性,价值量预计高于传统铜箔2-3倍,,相关厂商为甬金股份等。
卤化物:硫化物的降本方案之一,实际应用效果仍待验证
卤化物介于氧化物与硫化物之间,近一年进展相对较快,但实际应用效果仍待验证。理论上,卤化物固态电解质既具有高于氧化物固态电解质的氧化电位,又具有与硫化物接近的易变形性和接近的离子电导率,但卤化物的还原电位不够低,无法与金属锂负极匹配,需要包覆等方式解决,整体成本、性能处于硫化物和氧化物之间。近一年,国内对于卤化物的热度快速提升,尤其含锆的Li2ZrCl6材料,其具备低成本的优势,成为宁德时代、清陶能源等公司尝试突破的方向之一,未来有望与硫化物复合应用,稳定正极界面层,并实现降本的效果,但技术难度预计较高,实际应用效果仍待验证。