新能源设备行业快报:怎么看三星最新的AG-C材料全固态电池技术?

类别:行业 机构:华金证券股份有限公司 研究员:肖索 日期:2020-03-27

投资要点

    事件:近期三星高等研究院、三星电子的多位电池专家,在世界顶级学术期刊上Nature Energy 上发表《High-energy long-cycling all-solid-state lithiummetal batteries enabled by silver–carbon composite anodes》,文章展示了一种基于Ag-C 过渡层材料的长寿命高能量密度的全固态锂电池技术。

    Ag-C 过渡层材料能够使锂均匀的沉积在负极集流体上,制作电池时不再需要金属锂负极,大幅提升电池稳定性和安全性:三星该固态电池技术与传统固态电池技术相比,没有使用金属锂负极,在负极区域仅使用了一层5-10um 的Ag-C材料过渡层。在电池放电时,正极材料中的锂离子穿过固态电解质在负极区域与纳米银结合形成锂银合金,在放电完成时锂以金属态成为电池负极。Ag-C 过渡层能够使得负极的金属锂沉积的更加均匀,能够避免出现锂晶枝发生刺穿固态电解质的风险。由于制作电池时不再使用金属锂,能够提升电池制作时的安全性,并且降低电池材料成本。

    全电池以高镍三元锂为正极,Li6PS5Cl 为固态电解质:三星该固态电池的正极材料是高镍三元锂,并涂覆了一层5nm 的LZO(Li2O-ZrO2)材料,可以改善与固态电解质的界面接触性能。固态电解质选了Li6PS5Cl,该硫化物固态电解质与氧化物固态电解质相比,室温下的离子导率较高,锂离子迁移数高。此外,硫化物材料质地较软,不需要经过高温烧结过程,能够配合其他材料一起通过碾压设备制成电池,和现有的锂电设备兼容性较好。该电池不再使用电解液和隔膜材料。正极材料集流体仍是选择铝箔,负极材料集流体选择了机械性能较好的不锈钢箔。铝塑膜软包后,单体电池长112mm、宽67mm,电芯容量为0.6Ah。

    电池体积比能量超900Wh/L,正极材料能量密度超210mAh/g,均显著高于目前商业化电池最高水平:三星该固态电池在60℃环境条件、0.1C 电流密度条件下,测得电池体积比能量超900Wh/L,如果增加电极的堆叠后可超1000Wh/L(量产锂电池500 Wh/L ~700Wh/L),正极材料比容量超210mAh/g(量产高镍电池正极约185-195mAh/g),面积比容量为6.8mAh/cm2。全电池平均电压约3.76V,充放电次数达1000 次之后,库伦效率仍有99.8%,容量保持率约90%。考虑到三星该固态电池没有使用重量占比较高的电解液(30-35wt%)和负极材料( 15-20wt%) , 我们推测该固态电池理想情况下质量比能量或将达450-600Wh/kg。

    电池需要的环境温度较高、纳米银材料价格较高,可能是该电池技术产业化的难点:三星该固态电池测试温度为60℃,需要高温工作环境是固态电池一大劣势。在室温下固态电解质离子导率较低,固态电池性能不能完全发挥。此外,该电池用了贵金属纳米银,使用量约8-16mg/Ah,纳米银价格15-30 元/g,对应约0.12-0.48 元/Ah,对应约0.03-0.13 元/Wh。该文的发文机构主要是科研为主的三星高等研究院而非以工艺为主的三星SDI,我们判断该电池技术仍在实验室阶段,电池性能的一致性和可重复性也不一定很高,短期内难以形成量产产品。

    投资建议:固态电池核心制造技术有望被电芯厂商掌握,且仍然保留目前广泛使用的正极材料和导电碳材料,而固态电解质技术有望被隔膜或者电解液厂商掌握,建议积极关注:宁德时代、华友钴业、当升科技、天奈科技、道氏技术、恩捷股份、新宙邦。

    风险提示:新电池技术成本下降不及预期,新能源推广不及预期。