广发机械 | 锂电设备深度:固态电池工艺不断演进,设备增量空间明确

B站影视 港台电影 2025-11-18 07:05 2

摘要:固态电池是一种使用固态电解质的电池,拥有能量密度高、安全性强、循环寿命长等显著优势。目前全球主要电池企业都已经明确了固态电池量产时间表,主要厂商处于中试线阶段,预估2027年至2028年陆续进入量产阶段。部分厂商已经实现相关设备出货以及配合下游客户进行工艺路线

文|代川 孙柏阳 范方舟

固态电池是一种使用固态电解质的电池,拥有能量密度高、安全性强、循环寿命长等显著优势。目前全球主要电池企业都已经明确了固态电池量产时间表,主要厂商处于中试线阶段,预估2027年至2028年陆续进入量产阶段。部分厂商已经实现相关设备出货以及配合下游客户进行工艺路线验证。建议关注具备整线交付能力的设备厂商、受益于工艺边际变化的设备厂商两大方向。

固态电池是锂电池的终极形态,已经进入量产前夕。固态电池是一种使用固态电解质的电池,相较液态锂电池拥有能量密度高、安全性强、循环寿命长等显著优势,被认为是电池的终极形态。根据Trendforce,目前全球主要电池企业都已经明确了固态电池量产时间表,目前主要厂商处于中试线阶段,预估2027年至2028年陆续进入量产阶段。根据EV Tank,预估2030年全球全固态电池的出货量将达到181GWh。

固态工艺路线正在探索中逐步收敛。固态电池的性能提升需要电解质、正极、负极三大部分的协同发展,从工艺路线来看:(1)电解质:主要分为聚合物/氧化物/硫化物/卤化物四条路线,其中硫化物路线应用潜力较大,是固态电池研究的主流路线,目前主要难点在于材料成本高昂以及加工环境要求严苛,未来有望朝硫化物+复合电解质方向发展;(2)正极材料:短期沿用三元材料,长期朝高镍材料/富锂锰基材料发展,核心逻辑是寻找高电压高比容量的材料;(3)负极材料:短期由石墨朝硅碳混合材料发展,长期探索锂金属应用,主要难点在于解决充放电过程中材料膨胀所导致的固固界面接触失效问题。

固态电池给锂电产线带来了增量变化,主要集中在前中道。固态电池产线依旧区分前道、中道、后道三大环节,而相比液态电池产线主要的变化在于:(1)前道:干法工艺取代湿法工艺,新增纤维化设备需求,辊压机重要性提升,用量及价值量有望同时提升;(2)中道:叠片取代卷绕工艺,叠片机成为必备选项;取消注液环节,新增胶框印刷机、等静压机需求,其中等静压机是中道的关键工艺环节,设备价值量较高;(3)后道:现有化成分容设备需进行高压化升级以解决界面问题。

投资建议:固态电池目前已经进入中试线阶段,产业化突破前夕设备厂商率先受益,部分厂商已经实现相关设备出货以及配合下游客户进行工艺路线验证。后续我们建议关注两大方向:(1)具备整线交付能力的设备厂商;(2)受益于工艺边际变化的设备厂商。

一、固态电池:电池的终极形态

(一)固态电池是一种更高效、更安全的技术选择

固态电池是什么?固态电池是指使用固态电解质的电池形式。一般而言,锂电池由正极材料、负极材料、电解质、隔膜四个部分组成,其中电解质起到输送锂离子、传导内部电流的作用,是锂电池的关键构成。而固态电池通过采用固态电解质取代液态电解质,可以弥补液态电解质的种种不足,是一种更高效的技术选择。

为什么要用固态电池?与传统液态锂电池相比,固态电池具备三大核心竞争优势:

(1)能量密度显著更高:能量密度是衡量电池“单位重量或体积所能储存能量”的核心指标,决定电池体积大小与续航里程。根据深企投研究院,目前实验室固态电池能量密度普遍超过400Wh/kg,部分样品能量密度超过500Wh/kg,理论值可达900 Wh/kg,较当前主流量产锂离子电池的160-300Wh/kg显著提升。

(2)安全性能大幅提升:由于固态电池采用不可燃的固态电解质,热分解温度高,且因其固态特性能彻底避免液态锂电池中电解液易出现的腐蚀、挥发、漏液等问题,能够使安全性能大幅提升。

(3)循环寿命明显延长:根据深企投研究院,固态电池的理论循环寿命可超10000次以上,相较液态电池有较大幅度提升,大幅降低了电池全生命周期的使用成本,为商业化应用奠定经济基础。

(二)产业化情况:已经进入量产前夕,潜在空间广阔

主流电池厂商已开始试生产全固态电池,预计27-28年逐步迈入量产时代。根据Trendforce,全球主要电池企业都已经明确了固态电池量产时间表。从节奏来看,大部分厂商已经开始从固态电池样品进入试生产阶段;随着试生产进展的推进,预估27-28年头部厂商将陆续进入量产阶段,预估产量可于2027年前达到GWh级水平。

产业化阶段半固态先行,全固态出货量有望在28年开始增长,30年达到百GWh级别。由于当前全固态电池还存在固固界面等较多的技术瓶颈,因此半固态电池技术有望率先落地。根据EVTank数据,2024年全球固态电池出货量达到5.3GWh,全部为半固态电池;预计全球全固态电池将在2027年实现小规模量产,到2030年将实现较大规模的出货,出货量将达到614.1GWh,其中全固态的比例将接近30%。

目前的产业化难题集中在技术和成本的双重考验:

技术上:电解质由液态变为固态带来固固界面问题等技术问题。相较于传统液态电池的固液充分“面接触”,固态电池由于固体电解质和固体电极采用“点接触”,因此在接触面界面处容易形成高阻抗层。一方面,电极材料(如正极中的过渡金属元素)可能与固态电解质发生化学反应,生成绝缘性副产物;另一方面,电解质与电极的能级不匹配会导致界面电荷转移阻力增大。

成本上:目前产业化初期固态电池成本还远高于液态电池,降本路径还在探索中。根据集邦咨询报告,预计2024年聚合物、氧化物、硫化物三种技术路线的固态电池电芯价格分别为2.10元/Wh、2.82元/Wh、5.02元/Wh,远高于液态电池(三元电芯 0.5元/Wh),预计量产初期(2027-2028年)电芯价格将落在1-3元/Wh,2030年后降至1元/Wh左右,到2035年经市场大规模推广后再降至0.6-0.7元/Wh。

二、固态工艺路线:技术路线开始收敛

全固态电池的主要工艺路线迭代方向开始清晰。固态电池的性能提升需要电解质、正极、负极三大组成部分的协同升级以实现。根据欧阳明高院士在中国全固态电池创新发展高峰论坛上的观点,目前行业内全固态电池技术路线的大体方向已经确认,主要包括:

(1)电解质:从硫化物→复合电解质发展。固态电池主要的电解质材料中,硫化物的综合性能表现最佳,产业化应用潜力最大,因此已经成为路线选择的行业共识。后续随着加工技术的逐步提高,有望逐步向补充电解质的复合电解质路线发展。

(2)正极材料:向高电压高比容量的高镍材料/富锂锰基材料发展。正极材料的发展可以沿用液态电池的思路,朝着高电压、高比容量的材料发展,主要代表就包括高镍含量的三元材料。

(3)负极材料:从石墨/低硅→高硅→复合锂负极发展。目前硅碳负极是提升电池能量密度的合适材料,后续逐步朝着高硅含量发展。此外,锂金属作为更优质的负极材料,有望在固态电池中得以应用,复合锂有望在远期成为负极的更优选择。

(一)电解质材料:硫化物/硫化物复合物正成为主要研究方向

从电解质核心材料来看,目前已经出现的主流材料选择包括4种:

1. 聚合物:最早商业化应用,但缺点显著。聚合物电解质材料主要基于有机物,具有较好的柔性和成膜性,容易加工,能够适应复杂的电池结构,同时与现有的电解液生产设备、工艺都比较兼容,对负极界面的相容性较好。其缺点包括:(1)离子电导率太低,需要加热到 60℃高温才能正常充放电;(2)化学稳定性较差,无法适用于高电压的正极材料,在高温下也会发生起火燃烧的现象;(3)电化学窗口窄,电位差太大时(>4V)电解质易被电解,使得聚合物的性能上限较低。因此,聚合物电解质路线虽然技术较为成熟,最早推进商业化应用,但更多用于对成本和柔性有要求的中低性能电池,或通过与其他材料复合以“取长补短”。

2. 氧化物:技术相对成熟,是半固态电池的理想过渡方案。氧化物材料具有良好的化学稳定性和机械强度,离子电导率比聚合物更高,热稳定性高达 1000℃,可以在高压环境下保持稳定,能够有效提升电池的长寿命和安全性,因此成为混合固液电池(半固态电池)的理想选择。但其缺点包括:(1)相对于硫化物,其离子电导率偏低,使得氧化物固态电池在性能提升过程中会遇到容量、倍率性能受限等一系列问题;(2)氧化物非常坚硬,导致固态电池存在刚性界面接触问题,与正极复合接触效果差,在简单的室温冷压情况下,电池的孔隙率非常高,可能导致电池无法正常工作。一般通过掺杂、复合等技术手段改性氧化物材料,以解决界面问题。当前,氧化物路线主要是作为全固态的过渡方案,主要用于半固态电池。

3. 硫化物:综合性能潜力最大,但加工条件要求较高。硫化物材料是固态电解质中离子电导率最高的材料,能够极大提升全固态电池的整体导电性,机械性能好,并且电化学稳定窗口较宽(5V 以上),工作性能表现优异,在全固态电池中发展潜力最大。其缺点包括:(1)界面不稳定,容易与正负极材料发生副反应,造成界面高阻抗,导致内阻增大;(2)在制备工艺层面,硫化物固态电池的制备工艺比较复杂,且硫化物容易与空气中的水、氧气反应产生硫化氢剧毒气体。硫化物电解质依托其高导电率、高热稳定性优势,最适用于电动车,商业化潜力大。

4. 卤化物:优缺点明显,是与其他材料复合的优质选择。卤化物材料是通过含卤素(如氯、溴、碘)的化合物作为离子传导介质,其优点包括:(1)高离子导电率;(2)优异的电化学氧化稳定性,电化学窗口超过 4.5 V;(3)具有良好的形变能力,机械柔软、易于冷压成型,可显著降低界面阻抗;(4)安全环保与低成本潜力,制备过程不产生 H₂S 等有毒气体,无需严格惰性气氛,干燥环境即可生产,同时铁基卤化物原料成本低。但其缺点包括:(1)对金属负极稳定性差,无法与金属锂负极很好地匹配,需要通过界面改性技术优化;(2)对潮湿环境敏感,容易受空气中水分影响,导致性能下降并腐蚀集流体;(3)量产工艺尚未成熟,部分卤化物固态电解质的合成需要特殊的条件和方法。近期的研究及应用方向主要是考虑卤化物与其他电解质材料(硫化物、氧化物)复合。

不同的技术路线各有优缺点,但综合来看目前硫化物或成为主流路线。理想的固态电解质材料应该拥有高离子电导率+对锂金属具有化学和电化学稳定性+能够抑制锂枝晶产生+制造成本较低等特点。但目前四个技术路线各有优缺点,未有能同时满足以上要求的,在技术突破上仍存在一定的难度。从单一电解质来看,目前聚合物路线正逐渐被抛弃或者作为复合电解质材料的补充;氧化物路线成为过渡阶段半固态电池的首选,而硫化物路线在单一电解质中最具潜力,逐渐成为整车企业和动力电池企业的主流选择。后续卤化物则可作为复合电解质(硫化物主体+卤化物界面层)的组分,与硫化物在不同应用场景中形成互补格局。

全球固态电池研发厂商集中在中日韩及美国,硫化物技术路线占比最高。从国家分布来看,不同地区的固态电池厂商在技术路线选择上呈现差异化特征。日本、韩国以硫化物路线为主;中国早期半固态电池阶段以氧化物以及氧化物+聚合物复合电解质为主要路线,全固态电池阶段则开始聚焦硫化物路线;欧美地区的厂商早期侧重聚合物与氧化物路线,近年来硫化物路线也成为主流。

制约硫化物电解质应用的主要因素在于原材料成本。根据深企投产业研究院,硫化物路线的原材料(如LPS/LPGS)价格高昂,材料成本达2.6-4.8元/Wh(对应电解质材料200-250万元/吨),虽然在三大路线中其制造成本(1.1-1.4元/Wh)相对可控,但材料成本占比超70%,推升总成本至3.7-6.2元/Wh,整体生产成本最高。但其能量密度可达450-900Wh/kg,高导电率带来的性能优势显著。

(二)正负极材料的提升路径:寻找高比容量的材料

除了固体电解质,正负极材料迭代也是提升固态电池性能的重要路径。根据《固态电池行业研究及其投资逻辑分析》,电荷容量的大小取决于电极材料的性质,而提升固态电解质能量密度的关键是适配性能更好的电极材料。若不更换电极材料,仅将传统液态锂电池的电解液和隔膜部分更换为固态电解质,由于固态材质的密度一般比液态材质高,电池能量密度可能不增反降。因此更换比容量更高、正(负)极电位更高(低)的电极材料是固态电池电极材料体系迭代的核心。

1. 正极材料:沿用三元材料,长期向高镍正极或富锂锰基材料发展

三元材料是目前固态电池正极材料的主流选择。目前已实现商业化的锂电池正极材料主要为磷酸铁锂和三元材料,其中磷酸铁锂正极材料的优势在于热稳定性高,三元材料(锰、钴、镍)的优点在于能量密度更高。根据《固态电池行业研究及其投资逻辑分析》,目前新型正极材料尚处于研发阶段,距离全面商业化投产仍有较长时间,因此目前固态电池厂商基本沿用原有的正极材料体系,以三元材料为主,在此基础上掺杂或包覆改性,使其性能更适配固态电解质。

新型正极材料后续的研发方向主要有两大方向:

(1)高镍正极材料:开发低电位下比容量更高的正极材料,如高镍正极材料。但高镍正极材料的发展难点在于镍含量和比容量的提升伴随着电池安全性和循环寿命的下降。当前,业界小规模试产的固态电池大多使用高镍8系或9系正极材料。

(2)富锂锰基材料:提高正极材料的嵌脱锂电位。富锂锰基材料理论比容量高、工作电压高、环境友好且与硅碳负极适配,是终极状态下能量密度突破500Wh/kg的理想正极材料。但富锂锰基材料电子电导率极低,与电解质界面副反应严重,现阶段难以实现产业化,但发展潜力较强。

2. 负极材料:短期硅碳混合材料,长期向锂金属迭代

中短期来看,负极材料的发展路径正朝着硅碳复合的方向发展。在当前锂电池电极材料体系中,石墨材料凭借电导率高、稳定性强等特点已经实现商用化,但石墨理论比容量较低(372mAh/g),实现的比容量已接近理论上限。因此目前来看,硅材料凭借更高的理论比容量(纯硅负极比容量达4200mAh/g)是石墨材料的上位替代。但硅材料在储锂过程中体积会发生较大膨胀,因此用于电池中容易出现界面接触失效等问题,因此在实际发展中,氧化亚硅和硅碳复合材料是主要的研究方向,可以在提高负极比容量的同时有效抑制硅负极充放电体积变化所导致的一系列问题。

长期来看,锂负极可能会是负极材料的最终选择。锂金属的理论能量密度是3860mAh/g,拥有常见金属中最低的还原电位(-3.04V),被视为锂电池的终极理想负极材料。但锂负极仍面临诸多应用难题:①在电池充放电循环过程中,锂金属表面易析出树枝状锂枝晶,严重时可能会刺穿电池,造成电极短路,引发热失控问题;②锂金属易与电解液发生反应,不稳定的SEI无法有效阻隔锂负极和电解液接触,反应形成的碳酸锂、氢氧化锂、氧化锂等产物,将降低电池循环寿命和效率;③锂金属是无基体转化型负极,沉积锂在体积膨胀过程中会呈现出疏松多孔形态,影响电池性能。

三、设备端的边际变化:固态电池的出现给锂电设备产业链带来了怎样的变化?

目前各大企业中试线相继快速推进全固态电池的中试线,标志着全固态电池的研发逐步走出实验室阶段,开始进入大规模产业化的准备阶段。从目前各大厂商的中试线进展以及后续规划来看,25-27年会是下游电池厂商开始布局固态电池产线的窗口期,产业趋势明确的大背景下,设备厂商作为前期资本开支环节,有望率先受益于固态电池的产业发展。

固态电池突破在即,设备厂商率先受益。根据EV Tank,2024年全球固态电池设备市场规模达到40.0亿元,其中半固态电池设备市场规模38.4亿元,全固态电池设备市场规模1.6亿元,全固态电池产线主要为实验室中试线。随着固态电池的产业化进程逐步推进,固态电池设备行业市场规模将显著提升,预计到2030年全球固态电池设备市场规模将达到1079.4亿元。

液态电池→固态电池,主要的变化聚焦在前中道工艺。与目前液态锂电池的生产流程类似,固态电池的生产仍然划分为前道(极片与电解质制作)、中道(电芯制作与组装)、后道(电池检测)三大环节。与液态锂电池制备工艺对比,固态电池的核心区别主要集中在前道和中道工艺。其中前道工艺核心变化在于采用干法工艺取代湿法工艺,中道工艺核心变化在于叠片取代卷绕以及新增等静压环节。

(一)前道:干法取代湿法,纤维化设备&辊压机迎增量需求

固态电池核心工艺为电池极片与电解质膜的制备工艺,目前可分为湿法与干法两大类。湿法工艺是指将电极材料、电解质与隔膜等混合,进行涂布和固化从而得到膜片的一种工艺方法。干法工艺是指通过物理或化学方法将粉末状的活性材料、导剂和少量或无粘结剂混合并成型为膜片,作为锂电池的正极、负极或电解质。

干法工艺被认为是固态电池工艺的未来趋势。与湿法工艺相比,干法工艺可以节省生产时间和厂房空间,降低能耗、设备投资成本和生产成本,具体来看:(1)干法工艺压实密度更大,可更好实现更大的能量密度并解决固固问题。(2)干法工艺可以缩短工艺流程,通过干法粘结剂的纤维化及后续的辊压、热压复合等步骤直接制备出电极片,省去了电极干燥及NMP溶剂回收环节,消除了溶剂分子残留问题,且量产后可使电池成本降低。

干法工艺是硫化物电解质固态电解质的刚需。对于硫化物电解质来说,硫化物遇溶剂会发生化学反应进而产生毒气,且离子导电率将急剧下滑,因此在加工流程中需要保持极度干燥的环境。其物质特性决定了硫化物电解质的制备必须采用干法电极工艺,以完全干燥避免溶剂影响。

增量变化1:新增纤维化设备需求

粘结剂纤维化是目前干法工艺主流方案。根据《干法电极技术在超级电容器和锂离子电池中的研究进展》,目前干法电极工艺可分为粘结剂纤维化法、粉末压片法、粉末喷涂法等六大类技术,其中粘结剂纤维化法是将活性物质、粘结剂、导电剂组成的粉末干混后,通过碾压/热压制成自支撑的膜片,在性能稳定性和可加工性上表现更优,成为了目前的主流方案。

纤维化是干法电极的核心工艺,纤维化设备是前道的重要增量需求。纤维化设备是固态电池干法电极制造的核心装备,通过施加高剪切力、精准控制温度等作用,将电极材料、导电剂与粘结剂(如PTFE)的干混物料处理为纤维化结构,使粘结剂在干燥状态下能够模拟湿法工艺中液态粘结剂的粘结效果,为后续的辊压成膜环节奠定基础。其纤维化的好坏直接决定了后续成膜的质量及性能,因此面对不同材料需要不同类型的纤维化设备。根据曼恩斯特官网,固态电池使用的纤维化设备主要包括高速分散机、双螺杆挤出机、强力混合机、气流粉纤维化设备等。

增量变化2:辊压机重要性提升,价值量与用量齐升

固态电池辊压要求更高,辊压机的价值量有望提升。固态电解质干法成膜工艺与干法电极工艺原理一致,即将固态电解质与聚合物粘结剂分散成高粘度混合物,再对其施加足够的压力使其成膜,不同之处在于:(1)辊压技术要求提升:固态电池电解质及正负极要求高压实密度和低孔隙率,而干法辊压的速度和压力直接影响极片的压实密度。出于对工作压力、辊压精度和均匀性要求的提升,辊压设备的价值量有所提高;(2)设备集成化:可将粉体搅拌、纤维化、均匀铺粉、多辊压、复合等工序集成在一起。

固态电解质的成膜工艺和预锂化环节也将增加干法辊压设备的用量。根据中国粉体网,传统液态锂电池的辊压设备一般1GWh锂电池产能对应需要配置1台正极辊压机和1台负极辊压机,而给固态电池电极和固态电解质膜的制备、负极预锂化锂等环节也将增加辊压设备的使用量。除了基本的辊压环节外,由于固态电池往往选择合金负极,而锂合金内的扩散锂捕获通常会导致初始库仑效率低,并导致循环时的容量损失,因此需要通过辊压预锂化方法提高固态电池的性能。根据清陶能源《新建年产1GWh固态锂电池产业化项目环评报告公示》,其1GW固态电池项目共配备了4台辊压设备。

(二)中道:叠片代替卷绕,新增等静压机设备需求

中段的变化集中在:(1)取消了注液环节:固态电池不使用液态电解质,因此无需注液和烘干环节;(2)叠片工艺取代卷绕工艺:液态电池的传统工艺可以根据电芯类型的不同选择卷绕或叠片工艺,而固态电池基本选择叠片工艺;(3)新增等静压环节+绝缘胶框印刷环节。

增量变化1:“软包+叠片”代替“硬壳+卷绕”,叠片机需求量提升

软包封装与固态电池天然契合,能够更好地适应固态电解质的膨胀和收缩,同时有利于电池循环周期的延长。根据《固态电池软包封装的剖析及展望》,“叠片+软包”是目前最适合全固态电池的封装方式,主要原因有:(1)叠片结构通过多层薄片分散应力,可以弥补氧化物或硫化物固态电解质柔韧性不足的缺陷;(2)叠片技术与全固态电池的固-固界面处理相兼容,有助于优化固态电解质与电极之间的接触面;(3)叠片工艺下电极单元可以直接堆叠串联,省去了传统卷绕工艺中所需的内部极耳结构,从而简化组装流程、提高制造效率、降低组装成本;(4)固态电池内部的固态电解质本身对环境的敏感性较高,需要严格隔绝外界的水汽和氧气等,而软包采用的铝塑膜的阻隔性能尤为重要。

叠片取代卷绕成为固态电池唯一封装工艺,原有叠片机也有升级需求。在传统液态电池产线中,叠片机已通过稳定的叠片精度保障电芯一致性,但由于叠片机单GWh价值量高于卷绕机,因此导致其渗透率长期不及卷绕机。而全固态电池因材料刚性增强、界面接触要求更高,叠片机成为唯一适用的核心设备。目前叠片机类型包括Z形叠片机、切叠一体机、热复合叠片机、卷叠一体机,全固态电池产线现阶段的主流选择是热复合叠片机,烘烤后的正负极片与隔膜热复合进行叠片。

增量变化2:新增胶框印刷机

固态新工艺下,绝缘胶框成为新增环节。传统液态电池依靠隔膜和电解液天然隔离正负极,同时吸收机械应力。全固态电池取消了隔膜,通过叠片把正极、固体电解质、负极逐层堆叠,再用高压等静压致密化界面。然而,高压下脆性电解质和致密极片边缘容易塌陷或错位,导致正负极接触短路,危及安全并降低良率。为此,必须在极片四周设置绝缘胶框,阻断正负极间的意外接触并提升密封性。

固态电池胶框印刷机是固态电池生产中打印绝缘胶框的核心设备。其作用体现在多个方面:(1)通过绝缘隔离防止正负极直接接触,降低内短路风险,同时能阻隔水分,提升电池化学稳定性;(2)凭借微米级精度确保胶框厚度均匀,规避电芯厚度误差引发的良率下降;(3)兼容卷对卷生产模式与氧化物、卤化物、硫化物等多材料电解质体系,适配复杂工艺需求。目前,胶框印刷工艺主要分为丝网印刷、钢网印刷、UV 打印、涂胶/点胶等,不同工艺在良率、效率和精度上各有不同,其中钢网印刷和UV打印是目前锂电设备行业的主流路线。

增量变化3:等静压机成为固态电池中道工艺的核心

为更好解决固固界面的接触问题,需要借助等静压技术。固态电池中,电极/电解质界面的残留孔隙会阻断离子通道,导致界面阻抗显著增加。而传统液态电池的致密化手段——热压或辊压——只能提供有限且分布不均的压力,既难以弥合界面缝隙,也难以保证电解质与电极颗粒在整片区域内的一致性压实,还会引发颗粒碎裂和集流体变形。相比之下,等静压技术通过各向同性高压,显著降低固-固界面空隙,优化电极密度、厚度和孔隙率等关键参数,已成为产业界攻克全固态电池界面接触难题的核心工艺。

借助等静压设备,可以对加工件进行均匀加压。等静压机应用帕斯卡原理(即在不可压缩的流体中,如果在其任意一点施加压力,所受的压强都会等值地传递到流体的各个方向,使每一点都会达到静力平衡的状态),在密封容器内,以高压流体(液体或气体)为介质,将其产生的静压力向各个方向均匀传递,使得其中的粉末或者待压实的胚料在塑性流动过程中实现颗粒重排,形成高致密度胚料。

等静压技术依据温度条件可分为三类:(1)冷等静压(CIP):以水或油为压力介质,具有循环时间短、单次处理成本低的特点,是当前应用场景最广泛的类型;(2)温等静压(WIP):采用液体或气体作为介质,通过中温环境(如150℃)与高压条件(如500MPa)的协同作用,在保证致密化效率的同时兼顾对不同材料的适配性;(3)热等静压(HIP):以惰性气体(如氩气、氮气等)为介质,可将工件加热到较高温度,从而实现更好的等静压效果。但其虽在压力均匀性上优势突出,但受限于气体介质的高昂成本,在大规模生产中的经济性面临明显瓶颈。

等静压技术的产业化探索已在海外率先展开,海外头部电池企业及设备厂商已率先取得实质性进展。海外等静压机企业以韩国Hana Technology和瑞典Quintus Technologies为代表。根据Quintus Technology官网公众号,Quintus Technology是全球领先的等静压设备供应商,目前已经推出了QIB 180、MIB 120等固态电池用等静压机,可以施加超高压力(最高6000 bar/ 87022 psi)与精准控温(最高145℃),有效消除内部孔隙与界面缺陷,显著提升电池致密化水平。

(三)后道:化成设备需进行高压化升级,以解决界面问题

化成本质为首次充放电形成SEI膜,需施加压力,成膜效果影响电池性能。电池的化成是指通过初次充电,将活性物质转化为具有稳定电化学活性的物质的过程。这一过程对于电池的性能和寿命至关重要,主要目的是形成保护膜和激活电化学活性。化成过程中,电池内部的化学反应达到稳定状态,确保电池能够正常充放电。因此化成的质量决定了SEI膜的好坏,直接影响到电池的循环寿命、稳定性、自放电性、安全性等电化学性能。

增量变化1:高压化成设备需求量增加

固态电池由于界面问题、电导率低导致需要化成压力更高,高压化成设备成为必备项。固态电池其固态电解质与电极之间存在刚性接触,在微观层面上存在着大量空隙,导致接触不良。这些空隙会严重影响电池的性能,因此为了消除界面空隙、增大有效接触面积、促进固态电解质与电极之间的物理和化学结合,高压压制成为了不可或缺的手段。根据胜创智能官网,传统锂电池的化成压力通常在3 - 10吨之间,而固态电池的化成压力要求高达60-80吨,才能有效消除固态电解质与电极之间的微观空隙。

高压操作对产业化提出了较高要求,学界正在积极探索低压路线。根据《Challenges and Strategies of Low‐Pressure All‐Solid‐State Batteries》,在硫化物电解质体系中,可以通过掺I⁻离子或含碘化合物的方式来降低后续加工步骤的高压要求。由于碘离子较大、极化性较强,因此可以在晶格中引入空位或改善 Li⁺迁移通道,降低激活能,从而提升离子迁移速率,这些特性使得全固态硫电池能够在30 MPa的低压下稳定运行。

四、投资建议:关注整线能力以及核心增量设备环节

固态电池设备主要玩家依旧聚焦于现有锂电设备厂商。根据上文我们的分析可见,固态电池产线的调整主要集中在前道和中道部分环节,整体产线体系与现有的锂电池生产线基本一致。具体来看,目前国内固态电池产线设备的主要玩家包括两大类:整线方案供应商和关键设备供应商。

(一)固态电池技术进展不及预期

目前全固态电池的发展仍处于较为初级的阶段,工艺路线还没明确,产业化进展正缓慢推进,发展前景仍然有较大的不确定性。产业链具体的节奏难以把握,可能会对相关公司产生较大的不利影响。

(二)固态电池技术路线不确定

固态电池在电解质、正负极材料以及制备工艺上都存在较多的技术路线,例如氧化物、聚合物、硫化物电解质等。各种路线所对应的制备流程都有区别。未来如果某条路线出现重大进展,可能会对现有的工艺设备体系产生影响,从而影响下游设备厂商的业绩表现。

(三)下游应用需求不及预期

目前固态电池的主要应用领域集中在新能源汽车、储能、低空飞行器等。后续如果下游领域受宏观因素或者行业供需影响出现衰退,可能会对固态电池的应用造成不利影响,进而影响相关产业链公司的业绩表现。

来源:新浪财经

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