雪球今日话题 09月19日 17:54
固态电池固固界面技术挑战与发展
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文章深入探讨了固态电池与液态电池在界面问题上的本质差异,指出固固界面接触不良是制约固态电池循环寿命、可靠性和安全性的关键。详细对比了海内外固态电池的发展阶段和技术路径,分析了ALD、等静压、界面改性、干法工艺及表面结构化等多种技术解决方案的特点、设备应用及产业链布局。重点关注了等静压和ALD技术的价值量测算与国产化替代潜力,并梳理了产业链中的核心公司及潜在机会。文章强调,固固界面的调控是决定固态电池性能及商业化的核心命题。

🔋 **固固界面是固态电池性能的关键瓶颈**:与液态电池依赖电解液浸润不同,固态电池的“固固”界面因刚性、粗糙度和非连续性,导致离子传导电阻远高于液态体系。化学势差、钝化膜形成、体积变形以及与电解质的刚性适配问题,共同加剧了界面接触的劣化,直接影响电池的循环寿命、可靠性和安全性,是固态电池发展和商业化的核心挑战。

🔬 **技术路线与发展阶段差异显著**:海外企业在固态电池领域布局更早,部分头部企业已进入中试或小批量生产阶段,并广泛采用ALD、等静压等高端界面处理技术。国内企业则多处于小试至中试阶段,技术路径上倾向于性价比更高、易于实现的干法、界面改性及结构化材料等工艺,但高端设备的应用仍处于早期探索阶段。

🛠️ **ALD与等静压是关键界面调控技术**:原子层沉积(ALD)技术因其原子级的精度,被认为是改善固固界面的理想选择,能够有效沉积介质膜以抑制副反应和抗膨胀。等静压(特别是温等静压)工艺则能系统性解决界面接触不良、孔隙率高、枝晶生长和体积膨胀等问题,是实现良好固固接触的关键后端设备,但其国产化替代尚待突破,尤其在超高压缸体密封系统方面存在技术壁垒。

💡 **界面改性与表面结构化提供多元解决方案**:界面改性技术包括涂层、掺杂、可控反应和合金化等,旨在提升界面化学稳定性或离子电导率。表面结构化技术则通过增加物理形貌、接触面积或刻蚀缓冲应力,来改善界面接触、缓冲形变和引导锂传输路径。这些技术与ALD、等静压等协同应用,共同为解决固固界面问题提供多维度支持。

🏭 **干法工艺与产业链国产化机遇**:干法工艺作为无溶剂化生产方式,以粘接剂纤维化为代表,在国内应用广泛。其核心壁垒在于专用设备和粘接剂的开发。当前,高端干法粘接剂的国产化替代是重要机遇,同时,产业链上的设备(如纳克诺尔、先导智能)和材料(如博彦股份、海辰药业)企业也在积极布局,具备显著的弹性增长潜力。

1、固态电池固固界面问题本质与影响

与液态电池本质差异: 固态电池与液态电池本质差异在于无电解液浸润或流动,而液态电池电解液可自发浸润电极孔隙。固固界面接触问题是关键,影响固态电池循环寿命、可靠性和安全性。固体接触因刚性、粗糙度和非连续性,使离子需经缺陷态或界面相跃迁传导,致界面电阻较液态体系高出数量级以上;化学势差诱发钝化膜、体积形变及与电解质刚性适配问题,加剧接触劣化。固固界面调控需突破多维度约束,是决定性能及商业化的核心命题。

2、国内外固态电池发展阶段对比

海外进展与技术路径: 海外企业固态电池布局时间更早,头部企业已进入中试到小批量生产阶段。界面处理方案中,广泛应用ALD、等静压等高端处理技术,如Quantumscape、Solid Power通过专利布局,在界面改性问题上采用了ALD技术。

国内进展与技术路径: 国内企业处于固态电池小试到中试阶段。技术上倾向先采取干法、界面改性工艺以及结构化材料(如多孔铜箔、3D铜箔等)等偏性价比的方式推动制造。此外,已开始研发激光、等静压、AOD等技术,但高端设备应用仍处早期。

3、固固界面解决技术推荐排序

技术推荐顺序: 当前对ALD环节保持关注,该环节具体情况将在后续汇报中展开。

4、等静压技术分析与价值量测算

等静压工艺特点与分类: 等静压技术价值量高、有待国产化替代,是结构证明化最关键的设备。其工艺可系统性解决固固界面接触不良、孔隙率高、枝晶生长及体积膨胀等问题,在电池制备中后端统一压制,改善固态电池接触。按温度、压力、介质及工艺目标可分为冷等静压(CIP)、温等静压及热等静压。冷等静压国内有厂商具备制造能力;温等静压为主流,参与中试线测试认证的主要是温等静压;热等静压因价值量偏高,且高温可能破坏硫化物结构,仅可能用于氧化物等特定场景。

产业链布局与核心环节: 产业链布局上,日韩企业如LG、三星从韩国M Plus、Hannah采购温等静压设备;国内纳克诺尔、先导、川西机器等有温等静压布局,但处于配合大厂试制或研发阶段,无明确突破进展。等静压核心环节包括超高压缸体密封系统(壁垒最高)、高压泵阀传感器、加热元件及液压系统。上游关键材料涉及镍基高温合金、FFKM密封件、动态密封技术等,供应商有中国钢研、东岳、中密控股等。

价值量与弹性测算: 价值量测算基于到2028年左右全固态和半固态电池总量300GWh,设备投资强度2 - 3亿元/吉瓦时,材料成本0.7 - 0.8元/瓦时,假设设备或材料厂份额30%、利润率15%。测算得等静压环节价值量约为每吉瓦时3000 - 4000万元;上游材料价值量约为百万元级别。部分公司收入和利润弹性接近翻倍。

5、界面改性技术与设备应用

界面改性工艺类型: 界面改性是固态电池不可或缺的主流技术,其工艺类型主要包括涂层、掺杂、可控反应、合金化等。涂层通过涂覆至固化形成连续界面层,掺杂则通过将元素引入界面晶格或间隙,改善界面化学稳定性或提升离子电导率,这两种工艺在电解质制造或正极中较为常见且难度较低。可控反应需一定流动性,在半固态、聚合物体系中是核心增量技术,常见使用原位技术,但在硫化物、氧化物体系中并非主要解决方案,其壁垒相对较高。合金化通过金属间扩散实现,用于纯锂金属负极时可提升稳定性与抗膨胀性,但其一致性和成本仍有待提高。

沉积工艺与ALD设备: 沉积工艺是当前重点看好的界面改性工艺,其中ALD(原子层沉积)技术尤为关键。由于固态电池固固界面敏感度已达原子级别,目前除ALD外暂无更好的原子级界面改善替代方式。ALD技术可在正极、负极或电解质层表面沉积介质膜,用于改善副反应或抗膨胀。国内ALD设备领域,微导纳米、北方华创、拓荆等企业处于领先地位,其中微导纳米已与先导客户开展ALD应用的测试。

辅助材料与弹性测算: 界面改性的辅助材料包括多孔MOF材料、COF材料、碳纳米管、导电炭黑等,其中导电材料在固态电池中的用量相比液态电池呈倍数级增长。基于300G瓦时的总量,按2 - 3亿元的投资额及0.7 - 0.8元每瓦时的成本测算,相关材料的弹性显著,呈现倍数级增长。

6、干法工艺应用与产业链布局

干法工艺特点与类型: 干法工艺本质是无溶剂化生产,工艺方法多样,有粘接剂纤维化、静电喷涂等。其中,青年电子主导的粘接剂纤维化工艺最主流,国内应用多,已用于大厂中试线。该工艺核心壁垒在于红工的设备与工艺,以及干法粘接剂选型。当前国内干法粘接剂无理想选型方案,部分战略级材料如PTFE依赖进口,或有替代方案,待国产化企业或创新技术出现。

产业链企业与弹性测算: 干法工艺产业链涵盖设备与材料企业。设备端代表有纳克诺尔、宏工科技、先导智能,推动干法产业化。材料端如东岳集团、海辰药业,在粘接剂研发上有进展。弹性测算显示,设备与材料端均有倍数增长弹性。

7、表面结构化技术与机会

结构化表面解决的问题: 结构化表面主要解决三方面问题:一是界面接触不良,通过增加物理形貌、接触面积及机械互锁改善;二是应力剥离,通过在表面刻蚀花纹等方法缓冲结构形变应力;三是锂传输路径不畅,通过三维形貌定向引导路径,使锂枝晶生长更均匀。具体应用案例包括泡沫铜箔、骨架支撑膜等,可起到抗锂金属膨胀、缓冲膨胀力及增加表面接触的作用。

核心工艺与设备: 常见结构化表面工艺包括机械塑形法、刻蚀法、沉积构建法、模板法、重溶法、自组织法,按应用前景排序为机械塑形→刻蚀→沉积构建→模板法→自组织→重溶。关键设备方面,重点关注激光刻蚀、重融设备(固态电池精密制造需求将推动其用量增加)及磁控溅射沉积设备。相关企业中,激光设备领域涉及德龙激光、联赢激光、海木星;磁控溅射领域涉及东微科技。

结构化材料与弹性: 已应用或尝试应用的结构化材料包括3D多孔集流体、骨架支撑膜(可起电解质支撑作用),其他类型如镀镍集流体、铁基集流体也被提及。从收入和弹性测算看,结构化材料具有较大增长潜力。

8、固态电池产业链核心公司梳理

设备与材料龙头企业: 固态电池产业链核心公司涵盖设备与材料领域龙头。设备方面,绑定头部客户的设备龙头有先导智能和利元亨,先导智能是固态及传统液态电池龙头,布局等静压及干法设备并出货到国内外头部定制厂;利元亨也布局等静压及干法设备,市值弹性较大。干法工艺企业有青研电子系(干法纤维化工艺领军企业)、纳克诺尔和宏工科技。激光设备领域,联赢激光传统份额大,虽固态创新激光未落地,但预计受益于固态电池激光用量增加;德龙激光获宁德固态激光设备订单,属固态增量环节。ALD设备方面,微导纳米与先导智能在固态电池验证上更具优势,以光伏为主切入半导体,ALD设备份额占比高,技术储备和经验好,看好其在固态电池领域导入。涂布环节的曼恩斯特,因固态或干法工艺对涂布要求提升而受益,且已布局干法或固态产线交付。材料企业中,博彦股份的碘化碘化物用于电解质表面改性或处理,正在电解质厂商中导入;英联股份专注锂金属复合集流体。

其他潜力公司: 其他潜力公司有镍基集流体领域的远航精密和粘接剂环节的海晨药业,这两家公司不确定性较大



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