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1、行业动态信息评述1、三星长寿命高能量密度固态电池取得研究进展三星高等研究院、三星电子、三星日本研究院的多名学者在顶级期刊Nature Energy上发表论文High-energy long-cycling all-solid-state lithium metal batteries enabled by silver-carbon composite anodes,制备了 以高银三元材 料为正极，硫系材料为固体电解质，以银-碳复合薄层作为负极（及过渡层）的，无过量锂添加的长寿命固态电 池：0.6Ah软包电池具备超过900Wh/L的体积能量密度，和超过1000次的循环寿命。该工作是固态电池领域
2、的 出色研究成果。图表1 ： 论文 High-energy long-cycling all-solid-state lithium metal batteries enabled by silver-carbon composite anodesnatureenergynatureenergyARTICLES s:/7doi.org/10.1038/s41560-020-0575-zW) Check for upcatesHigh-energy long-cycling all-solid-state lithium metal batteries enabled by silver-car
3、bon composite anodesYong-Gun Lee1sr Satoshi Fujiki2, Changhoon Jung Naoki Suzuki2, Nobuyoshi Yashiro2, Ryo Omoda2f Dong-Su Ko Tomoyuki Shiratsuchi2, Toshinori Sugimoto1, Saebom RyuG1, Jun Hwan Ku Taku Watanabe02, Youngsin Park1, Yuichi Aihara 2空 Dongmin Im1丛 and In Taek Han1资料来源；Nature Energy,中信建投证券
4、研究开展部电极、电解质体材料和不同物相之间的界面共同影响电池性能。固态电池所使用的电解质方面，研究者认为，硫化物是固体电解质的合适材料体系，主要理由是其具有和 电解液可比的室温锂离子电导（l25mS/cm）,更高的锂离子迁移数，以及通过加压工艺而非高温烧结即可实现 的电池制备。同时研究者也认为，对湿气敏感、对锂金属敏感限制了硫系固体电解质的应用。固态电池所使用的电极方面，研究者认为，锂负极对锂电压低，容量高，但是循环过程中锂枝晶的生长导 致电池库仑效率偏低、体积变化剧烈，最终电池的寿命乃至平安性都会受到挑战；通常条件使用的锂箔对应过 量锂，具有平安隐患也抬升了电池整体本钱。研究者希望通过此研究
5、希望解决的问题是：通过引入银-碳复合薄层作为负极（及过渡层），彻底改造固体 电解质-金属锂之间的界面，使得全电池既享受锂负极的优势，又规避其弱点。2、电池材料体系构建：银碳复合负极薄层是父键亮点研究工作使用的正极材料为错酸锂包覆的高银三元NCM材料，包覆层通过溶胶凝胶工艺制备，使用了相 对昂贵的金属醇盐和异丙酯。负极及过渡层材料为粒径约60nm的银纳米颗粒、粒径约35nm的炭黑和其他助剂 液相混合均匀后丝网印刷并烘干，该材料中银的质量分数约为25%,体积分数约为8%,每Wh的银纳米颗粒用 量在8-16mg之间。硫系固体电解质通过行星磨混匀、手工制膜并抽真空。后续制作软包电池。图表2 :研究工作
6、制作的软包电池及其基本断面结构0.6 Ah class prototype pouch cell0.6 Ah class prototype pouch cellPressure jig with bi-cellPressure资料来源：High-energy long-cycling all-solid-state lithium metal batteries enabled by silver-carbon composite anodes中信建投证券研究开展部3、电池循环机理：负极（及过渡层）砥柱中流研究者详细阐释了电池循环过程中材料体系的变化机理。图表3：研究工作的电池循环过程示意S
7、SESSEAg C Ag-Li alloy资料来源：High-energy long-cycling all-solid-state lithium metal batteries enabled by silver-carbon composite anodes,中信建投证券研究开展部研究者认为，采用银碳复合负极（及过渡层）的固态电池和直接采用金属锂负极的固态电池不同：电池循 环前，负极（及过渡层）形貌规整，元素分布均匀；首次充电后，致密的锂层在过渡层后形成，少量锂和银结 合为银锂合金，并分布于过渡层及锂层内，这种固溶化的银锂合金对锂层的致密规整化有积极作用；放电后， 锂层完全消失，而金属锂
8、回归正极。在一次完整的循环过程中，固体电解质、过渡层在Z向发生了明显的反复 位移，但是其形貌尤其是致密度基本得到保持；屡次循环后，银在复合负极中的位置向负极集流体富集，而这 种富集会进一步有利于电池（充电时形成、放电时消失的锂金属负极微观结构和循环性能的保持）。单纯使用碳 或者使用银效果不如二者协同：单纯使用碳那么碳-锂界面形貌劣化明显；单纯使用银那么银锂合金形貌、尺寸和分布均不均匀。这也证实了研究工作在材料体系构建方面的有效性。图表4 ：研究工作对银.碳复合层、银和碳单独存在时的形貌变化比拟资料来源：High-energy long-cycling all-solid-state lithi
9、um metal batteries enabled by silver-carbon composite anodes,中信建投证券研究开展部不同深度充电，那么负极锂层的厚度有所不同。充电截止电压从3.6V到4.25V逐步升高，那么锂层的厚度也逐 步增加。图表5 ：不同深度充电的负极锂层厚度及对应形貌比拟资料来源：H igh-energy Ion 2 - cycling all-solid-state lithium metal batteries enabled by silver-carbon composite anodes,中信建投证券研究开展部4、电池循环性能：容量较高，寿命可用研
10、究者详细测试了前述电池的性能。电池的能量密度测算为900Wh/L以上，高于松下为特斯拉提供的21700 圆柱电池单体（700Wh/L）,也高于常规方形电池；主要的测试数据包括充放倍率、温度对电池容量的影响， 以及长时间循环过程中电池的循环效率、容量保持率等。图表6:电池性能测试结果（1）4.54.5 O 。 5.0.5 4.3.3 2 ( 62一00.5 -110/(mAh cm-2)0.0 -11r-r10501001502002504.5 -I 4.54.0 -3.5-3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5-0.0 -050100150200250Temperature
11、(*C)00806040200 () 5-BZznCapacity (mAh)800Specific capacity (mAh g )Specific capacity (mAh g )资料来源：High-energy long-cycling all-solid-state lithium metal batteries enabled by silver-carbon composite anodes中信建投证券研究开展部固定60. 4.25V充电截止电压和0.1C充电倍率，电池的放电容量（200mAh以上，充分发挥了高银三元 正极的容量性能）及能量循环效率保持较好，可以认为0.5C及更
12、低倍率条件下电池的放电性能表现好。电池受温度变化的影响较明显，固定（MC的较低充放倍率，电池在45。（2保持了较高的放电容量，但25吨 时容量衰减就比拟严重。随着温度的进一步降低，电池容量也继续降低。至-10。电池容量仅存初始容量一半， 能量衰减更大。图表7:电池性能测试结果（2）001s) UORU 一。-eoede。001s) UORU 一。-eoede。80604020couombic Qfwc-ency () O1OOS 妙 7 6 1 1 9 9 9 9100200300400500600Cycle number700800900951,000资料来源：High-energy lon
13、g-cycling all-solid-state lithium metal batteries enabled by silver-carbon composite anodes,中信建投证券研究开展部在固定O.5C充放倍率、2.5-4.25V充放深度、6CTC循环温度的条件下，电池稳定循环约1000次，库仑效率 超过99.8%,容量保持率超过80%。在室温、0.5C充放倍率条件下，电池的有效容量相对略低，缺乏150mAh/g；能量循环效率也有退化。随 着循环过程，有效容量一定程度上存在局部衰减。图表8：电池性能测试结果（3）0.5 C/0.5 C Charge/Discharge4.54
14、.03.53.02.5050100150Specific capacity (mAh g-1)资料来源：High-energy long-cycling all-solid-state lithium metal batteries enabled by silver-carbon composite anodes,中信建投证券研究开展部作为对照，单独使用银或者碳材料过渡层的电池性能差，不具有实际应用价值。Carbon single layer208642086443333322 ()Ag single layer2 0 8 6 4 2。4 4 3 1 3 33.) 6。图表9：电池性能测试结
15、果（4）2.8-2.6-6 30 60 90 120 150 180 210 2406 30 60 90 120 150 180 210 240Specific capacity (mAh g1)Specific capacity (mAh g1)资料来源：High-energy long-cycling all-solid-state lithium metal batteries enabled by silver-carbon composite anodes, 中信建投证 券研究开展部另外，电池的平安性高：加热至210。（2保持约4000秒，没有热失控现象发生；在SOC约50%条件下进
16、行 切割实验，在微短路后电池供电恢复正常。5、总结与评论：科学创新性强,工程应用性还需进一步的工作我们认为，研究者的工作新颖、扎实，科学创新性方面的表现尤其突出。在固态电池机理方面，构建银-碳负极（过渡层）基本解决了负极和固体电解质界面的问题，以及负极本身 的问题。碳材料用于稳定负极固体电解质界面，银用于稳定过渡层锂“周期性负极”界面并且改善锂“周期性 负极”的体材料性能。精巧的材料体系和结构设计为电池的有效循环提供了保障。当然，硫系固体电解质和正 极的相容性也为电池能量密度的发挥带来了积极作用。图表io :常规锂金属负极固态电池循环形貌变化示意图资料来源；High-energy long-c
17、ycling all-solid-state lithium metal batteries enabled by silver-carbon composite anodes,中信建投证券研究开展部在固态电池性能方面，900Wh/L以上的体积能量密度、0.5C/1000次循环后容量衰减缺乏20%,以及更高的 平安性展示了该研究的高价值。和现在商用的液态锂离子电池相比，研究工作电池的体积能量密度更高，平安 性更高，倍率虽有一定劣势但并非不可为消费者接受（如设计lOOkWh的电池包，0.5C对应50kW的充放功率， 和60kW的快充桩较契合；对应50kW的放电功率，远大于标准工况下的电耗对应功率
18、，而急加速等场合可通 过搭配倍率型电池加以解决），循环寿命也可满足基本需求。图表11 :研究工作固态电池的平安性LIB (Polymer Cell,1.4Ah)LIB (Polymer Cell,1.4Ah)6。)medEal) 6。( 6星。4.0 -3.5 -3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 -0.0 -ASSB5.0 -I4.5 - Cell voltage(0。) mEdEal o o o o o o O 05050500 4332211500IOC 60500450020004000Time (sec.)资料来源：High-energy long-cyclin
19、g all-solid-state lithium metal batteries enabled by silver-carbon composite anodes,中信建投证券研究开展部我们同时认为，研究工作也有假设干缺乏待后续解决。电池的倍率性能、循环寿命，室温和低温性能相比于传统液态锂离子电池仍有差距。这局部因为室温条件 下高离子电导的固体电解质材料有待开掘，局部因为固态电池的电极-电解质界面等各种界面不及传统液态锂离 子电池。电池的本钱障碍。高锲三元正极的包覆改性使用的金属醇盐和异丙酯类相对昂贵；负极使用的银纳米颗粒 也相对昂贵。根据盖德化工网信息，60-120nm的银粉价格在约30
20、元/g,那么研究工作使用的银纳米颗粒应该更 贵;根据此计算,每Ah对应8-16mg意味着每Ah0.24-0.48元的本钱。考虑到目前动力电池0.6-0.8元的每Ah 本钱，以及负极本钱占比很低的事实，研究工作对应的电池本钱难以下降到目前水平。所以，加强对固体电解质材料体系的深入研究，加强对锂金属合金化的研究工作可能是业界需要的工作重 点。如新型电解质取得相关突破，更廉价、用量更少的合金化元素得以开发，那么相应工作对应的产业前景将极 为广阔。我们认为，固态电池最终将成为锂离子电池家族中的关键组成局部之一。其和液态锂离子电池有望优势互 补，分别应用于符合对应需求痛点的场合：固态电池的高平安性、相对
21、高能量空度有望工业化、商业化实现； 而液态锂离子电池的高倍率性能、高循环寿命、低本钱优势有望保持。投资评价和建议我们认为，当前的锂离子电池技术在较长一段时间之内仍然是动力电池、消费电池、储能电池的首选技术。 建议投资者关注电池核心环节的全球动力电池龙头企业及材料、结构件、电气部件企业：容百科技、当升科技、 长远锂科、厦门鸨业、德方纳米、湘潭电化；中科电气、凯金能源；天赐材料、新宙邦；恩捷股份；科达利; 宏发股份。风险分析动力电池、消费电池、储能电池行业增速不及预期。分析师介绍研究助理报告贡献人研究服务杨藻：工学学士，产业经济学硕士。20102011年间就职于深圳发改委新能源汽车办, 负责新能源
22、汽车试点工作。随后先后就职于凯基证券和浙商证券。2016年8月加入天 风证券，担任电新首席分析师。2019年12月入职中信建投证券。先后获得2017年新 财富最正确分析师入围，2019年万得金牌分析师、金麒麟新锐分析师。研究助理 张亦弛：清华大学工学学士、博士，2年能源材料实业工作，2年清华大学 下属研究院工作，储能技术与产业政策专家。在学及就业期间发表多篇SCI及核心论 文,申请多项国家专利并获授权。历任中信建投证券汽车、电新行业研究员，2018/19 年万得金牌分析师团队成员，2019年金麒麟新锐分析师团队成员。研究助理 张鹏：清华大学工学学士、博士，电力设备与新能源行业研究员，2018
23、年加入中信建投证券研究开展部。2019年万得金牌分析师团队成员。北京保险组上海公募组张博 010-85130905 zhangbocsc .cn郭洁 010-85130212 guojiecsc .cn郭畅 010-65608482 guochangcsc .cn张勇 010-86451312 zhangyongzgscsc .cn黄方禅 021-68821615戴悦放 021-68821617翁起帆 021-68821600范亚楠 021-68821600huangfangchan daiyuefangcsc .cn wengqifancsc .cn fanyanancsc .cn杨洁 01
24、0-86451428社保组吴桑 010-85159204张宇 010-86451497创新业务组高雪 010-86451347liqiqicsc .cnwangdingruncsc .cnXUSHUFENG 23953843高思雨 010-8513 gaosiyu刘京昭-liujingzhaocsc .cn北京公募组李祉瑶 010-85130464 lizhiyaocsc .cn 任师蕙 010-85159274 renshihuicsc .cn 黄杉 010-85156350 huangshancsc .cn 李星星 021-68821600 Iixingxingcsc .cn 杨济谦 01
25、0-86451442 yangjiqiancsc .cn 金婷 jintingcsc .cn 夏一然xiayirancsc .cn yangjiezgscsc .cnwusangcsc .cnzhangyuyf csc .cngaoxuecsc .cn薛姣 021 -68821600 xuejiaocsc .cn章政 zhangzhengcsc .cn李绮绮 021-68821867王定润 021-68801600深广公募组 曹莹 82521369 caoyingzgscsc .cn张苗苗 020-38381071 zhangmiaomiaocsc .cn xushufengcsc .cn程一天 82521369 chengyitiancsc .cn陈培楷 020-38381989 chenpeikaicsc .cn杨曦-85130968 yangxicsc .cn廖成涛 22663051 liaochengtaocsc .cn黄谦 010-86451493 huangqiancsc .cn陈基辕 chenjiyuancsc .cn诺敏 010-85130616 nuomincsc .cn