半导体周报0526-固态电池
半导体周报-0526
一、行业新闻及动态：
（一）、半导体设计：
《科创板日报》16日讯，龙芯中科在最新调研纪要中指出，龙芯第二代GPU核LG200将在2K3000中应用，支持图形加速、科学计算加速、AI加速。2K3000将于近期流片。后续将研发龙芯首款独立显卡及AI加速卡芯片9A1000，计划2024年Q4流片，2025年H1样片。
（二）、半导体制造及封测：
财联社5月15日电，消息人士透露，有关日本SBI控股和台湾力晶积成电子制造公司（PSMC）在宫城县大衡村新建的半导体工厂，建设预定地将比起初扩大约1成。总投资额预计因成本高涨等因素，增加约1000亿日元，或超过9000亿日元。
《科创板日报》13日讯，据台湾电子时报报道，半导体设备业者表示，台积电CoWoS设备近期再下急单，台厂再迎设备大单，满手订单的同时也面临组装与维修等人力短缺难题。台积电未来3年将是扩产再扩产的盛况，预估2024年第4季至2026年，龙潭、竹南、中科、南科及日前发布建厂的嘉义AP7厂将陆续启动。
《科创板日报》16日讯，SK海力士与台积电已敲定下一代HBM的合作量产计划。台积电将负责基础芯片前端工艺（FEOL）、后续布线工艺（BEOL）等，晶圆测试和HBM堆叠将由SK海力士进行。这意味着传统的前端制程将由台积电负责，后续制程将由SK海力士处理。业界预测，SK海力士将通过台积电7nm制程制造HBM4基片。
《科创板日报》14日讯，三星和SK海力士预测，由于AI相关芯片需求不断增长，今年DRAM和HBM价格将保持坚挺；为了满足需求，他们将超过20%的DRAM产线转换为HBM产线。SK海力士HBM芯片今年已售罄，2025年也几乎售罄；三星HBM产品也已售罄。
（三）、其他：
《科创板日报》15日讯，SEMI国际半导体产业协会最新报告显示，随着高性能计算（HPC）芯片出货量的增加和memory定价的持续改善，全球IC销售额在2024年第一季度实现了22%的同比强劲增长，预计2024年第二季度将激增21%。IC库存水平在2024年第一季度趋于稳定，预计本季度将有所改善。另外，晶圆厂产能持续增加，预估每季度将超过4000万片晶圆（以300mm晶圆当量计算），今年第一季度产能增长1.2%，预计第二季度增长1.4%。
财联社5月14日电，SEMI（国际半导体产业协会）与TechInsights合作编制的最新报告显示，随着电子板块销售额的上升、库存的稳定和晶圆厂产能的增加，2024年第一季度全球半导体制造业出现改善迹象，预计下半年行业增长将更加强劲。另外，晶圆厂产能持续增加，预估每季度将超过4000万片晶圆（以300mm晶圆当量计算），今年第一季度产能增长1.2%，预计第二季度增长1.4%，中国仍是所有地区中产能增长率最高的国家。
二、本周话题——固态电池
固态电池是一种使用固态电解质取代传统锂离子电池中电解液的新型电池。传统液态锂电池主要由正极、负极、电解液和隔膜四大关键要素组成。固态电池使用固态电解质替换传统液态锂电池中的电解液。
固态电池的工作原理与传统液态锂电池的原理相通。传统液态锂电池的两端为电池的正负两极，中间为液态电解质。在锂离子从正极到负极再到正极的来回移动过程中，电池的充放电过程便完成了。固态电池的工作原理与之相通，充电时正极中的锂离子从活性物质的晶格中脱嵌，通过固态电解质向负极迁移，电子通过外电路向负极迁移，两者在负极处复合成锂原子、合金化或嵌入到负极材料中；放电过程与充电过程恰好相反。
动力电池发展趋势
资料来源：《固态电池发展综述》，浙商证券研究所
采用固态电解质代替液体电解质，有望使用更高比容量的正、负极材料，同时可彻底解决电池的安全性问题，是获得高能量密度、安全性和长循环寿命的全固态锂电池的根本途径。因此固态电池将会是锂离子电池升级的方向。
固态电池具有高能量密度和高安全性的显著优势，成为下一代高性能锂电池。从性能对比来看，理论上，固态电池在离子电导率、能量密度、耐高压、耐高温、循环寿命等各项指标均优于液态电池，兼顾了传统液态锂电池无法兼顾的高能量密度和高安全特性，成为电动汽车的理想电池。
（1）：高安全性：液态锂电池易受热失控。过度充电、撞击、短路、泡水等因素会导致电池热失控风险上升，上升至 90°C 时负极表面 SEI 膜开始分解，嵌锂碳直接暴露于电解液并反应放热、产生大量可燃气体，进而融化隔膜形成内短路；温度上升至 200°C 后促进电解液气化分解，电池发生剧烈燃烧及爆炸。 相对液态锂电池，固态电池则具有五大安全特性。1）固态电解质具有高机械强度，可抑制锂枝晶生长，不易造成短路。2）不易燃烧、不易爆炸。3）无持续界面副反应。4）无电解液泄漏、干涸问题。5）高温寿命不受影响或更好。
（2）高能量密度：传统液态电池的能量密度已经接近 350Wh/kg 的理论极限。固态电池的电化学窗口宽，能够承受更高的电压（5V 以上），材料可选择的范围更广。由于电池能量密度等于工作电压乘比容量，而电池总体比容量遵循木桶效应，受限于正负极中较低的一极。目前固态电池中，石墨负极比容量为 372mA·h/g，硅基负极理论比容量为 4200mA·h/g，锂金属负极理论比容量为 3860mA·h/g，都显著高于正极。因此正极材料成为锂离子电池性能进一步提升的主要瓶颈。而全固态电解质不仅能够兼容上述高比容量负极材料与常规正极材料体系，还可匹配高比容量的正极材料，使得能量密度达到 500Wh/kg 甚至更高。
几种典型正极材料化学性质
资料来源：《富锰锂基正极材料研究进展》，浙商证券研究所
（3）宽温区运行：传统液态电池工作温度范围较小。在低温条件下，液态电池因电解液粘度增大，电导率降低、电解液/电极界面阻抗和电荷转移阻抗增大、锂离子迁移速率降低等原因导致性能下降。此外液态电池在高温条件下受限于电解液闪点低、隔膜融化温度低，存在燃烧风险。固态电解质电池则不存在电解质低温凝固问题，同时高温状态受影响小、安全性高，因而具有更大工作温度范围，可达-40°C~150°C，显著优于液态电池。
液体到固态电池发展特性与操作温度
资料来源：《固态锂电池研发愿景和策略》，浙商证券研究所
（4）体积小：传统液态电池需要使用隔膜和电解液，二者占据了电池中近 40%的体积和 25%的质量。固态电池使用固态电解质取代液态电池的隔膜和电解液，正负极之间的距离可以缩短到只有几到十几个微米，从而大幅降低电池的厚度。因此，同样的电量，固态电池的体积将变得更小。
发展路径及技术路线：
发展路径：
随着液态电解质含量逐步下降，固态电池的发展路径大致可以分为半固态（5-10wt%）、准固态（0-5wt%）、全固态（0wt%）等阶段，其中半固态、准固态使用的电解质均为混合固液电解质。目前在全球范围内，全固态电池主要处于研发和试制阶段。目前制约全固态电池产业化的主要局限在于：材料技术、制备技术还不够成熟，生产成本过高。行业普遍认为全固态电池距离大规模产业化至少还需5 年时间。
在全固态电池正式进入商业化阶段之前，半固态电池或许是很好的过渡技术解决方案。半固态电池使用的是固液混合电解质，电池中电解液的含量占比在 5-10%之间，增加涂覆固态电解质，其电化学原理与液态锂电池相同，基本可以沿用现有成熟的电池制造工艺，生产难度小于固态电池。
固态电池发展路径
资料来源：中国科学院物理研究所，东莞证券研究所
而相比于传统液态锂电池，半固态电池在性能上有了大幅提升，其优点包括安全性较好、能量密度较高、灵活性更好、循环寿命更长、工作温度范围更宽、耐挤压和耐震动等。因此，半固态电池成为液态电池向全固态电池转型的过渡技术。2023 年已有多家企业进行半固态电池的产能建设，半固态电池量产在即，将逐渐进入商业化阶段。
技术路径：
固态电池有三大主流技术路线：聚合物固态电池、氧化物固态电池、硫化物固态电池。固态电池的不同技术路线主要由不同的固态电解质进行区分。根据固态电解质的分类，固态电解质主要有三大技术路线：聚合物电解质、氧化物电解质、硫化物电解质。其中，聚合物电解质属于有机电解质，氧化物电解质和硫化物电解质属于无机电解质。
聚合物电解质：聚合物的优点是易加工，与现有的电解液生产设备、工艺都比较兼容，机械性能好。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。
氧化物电解质：其优点在于具有较好的导电性和稳定性，离子电导率比聚合物更高，热稳定性高达1000℃，机械稳定性和电化学稳定性都较好。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，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。
硫化物电解质：离子电导率最高，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。
其中，聚合物电解质发展最为迅速，技术较成熟，最早推进商业化应用，已实现小规模量产，但存在电导率低等缺点，性能上限较低，到目前也并未大面积铺开。氧化物电解质各方面的性能表现较为均衡，目前进展较快。硫化物电解质的电导率较高，性能表现最优异，最适用于电动车，商业化潜力大，但研究难度也大，如何保持较高稳定性有待解决。对固态电解质的关键问题实现技术突破，将有望加速产业化的进程。
固态电池三大技术路径对比
资料来源：固态电池SSB，德勤，电池中国，东莞证券研究所
产业化难点：
1、技术难点：
固态电解质发展面临三大科学问题。固态电解质离子输运机制、锂金属负极锂枝晶生长机制、多场耦合体系失控失效机制为固态电池发展面临的核心科学问题，解决这些问题是创制新型固态电解质材料、优化固态电池物理化学性能、推动固态电池发展的必经之路。
固态电池电解质综合性能难以平衡。从材料特性来看，无论聚合物、氧化物还是硫化物，其作为固态电解质的综合表现不佳，如聚合物电解质易加工、生产难度低，但是离子电导率不高，影响充放电性能，氧化物和硫化物电解质具有更高的电导率、安全性和机械强度，但是其制造难度更大，成本更高。
聚合物电解质特性 氧化物电解质特性
资料来源：国联证券研究所
解决思路：复合电解质融合多种材料优势。为此，复合材料的思路是将不同种材料结合使用，以期兼顾两种材料的优势。聚合物/聚合物复合电解质材料，可制备性更强，机械强度与离子电导率均有所提高，对于聚合物/无机物（氧化物/硫化物）复合电解质材料，其结合了聚合物与氧化物/硫化物的特性，实现了高强度与较好的柔性、电导率和易制备等多重优势的综合。因此，复合固态电解质是固态电池电解质克服性能瓶颈的重要发展方向。
全固态电池的瓶颈主要在较慢的充放电速度和较快的容量衰减。离子电导率是提高全固态电池充放电速度的关键，固态电解质中的离子输运性能由离子在体相、表界面中的输运过程共同决定。相比液态电解质，固态电解质离子间相互作用力强，离子迁移能垒是液体的十倍以上，离子电导率低。
高机械强度的固态电解质仍难以完全抑制锂枝晶生长、实现锂金属均匀沉积。研究表明高剪切模量的无机固态电解质也不能完全阻止锂枝晶在固态电解质中渗透，锂枝晶仍是阻碍全固态电池实际应用的重要因素。如氧化物固态电解质剪切模量为锂金属剪切模量十倍以上（50GPa 以上），锂枝晶生长依旧可能导致固态电池短路。
固-固界面接触导致稳定性降低是电池失效主要原因。固态电池界面为固-固接触，电导率往往受到电极与电解质界面处高接触电阻的阻碍。高阻抗增加了过电位，导致容量衰减和能量密度降低。界面较高阻抗主要来源于以下几个方面：1）固态电解质与负极的界面问题；2）固态电解质与复合正极的界面问题；3）复合正极内部的正极活性物质与固态电解质之间的微观界面问题；
解决思路：界面工程与改性，通过材料与工艺两个维度实现改善。材料维度：选择 Li 金属负极和包覆复合正极。负极方面，通过采用体积变化更小的 Li 合金作为负极，缓解负极膨胀问题，宏观界面问题，选择稳定性更高的固态电解质，以减少界面之间副反应的发生，在复合正极的微观界面，可通过表面包覆（涂层）的方式减小界面应力、提高离子和电子传输效率等。工艺维度：宏观界面问题，通过增大制备过程中的压力，以消除孔隙、增强界面接触，或通过原位凝固的方式，向固态电池中注入液体，在封装完成后，通过加热等形式让液体凝固，从而增强固态电解质与电极之间的界面接触。
2、经济痛点：
固态电池原材料供应链及电池制造设备不完善。目前固态电池部分原材料未实现量产，整体产业链尚不完善，因此电池制造成本较高。此外，固态电池作为新型电池，工艺制造缺乏特定的设备，如烧结、真空、干燥房、特定气氛等环节均将增加固态电池制造成本。
固态电池电极材料成本高。氧化物正极材料主要是由氧化铝、氧化钛等无机材料制成；硫化物正极材料则是由硫、硫化物及聚合物构成；而聚合物正极则是由聚碳酸酯、纤维素等多种高分子化合物组成。如性能可观的 LGPS 型硫化物电解质来说，锗的高成本阻碍了量产。此外，固态电池所需的电极材料都是高科技新材料，既需要科技进步降低生产难度，也需要时间由市场消化高昂的价格使其被广泛使用。
解决思路：半固态先行，规模化拉低材料成本。半固态电池因为技术相对成熟，并且更加接近液态锂离子电池，如能实现半固态电池产业化，则随着相应固态电解质产能放量、原材料成本降低，工艺优化，则原材料与生产成本有望降低。
制造工艺：
固态电池使用复合正极、电解质添加方式与液态电池不同，以叠片为主。固态电池与液态电池在制造工艺上具有诸多相似性，如电极极片的制造过程都是基于浆料混合、涂布和延压，分切完成后进行极耳焊接、PACK（电池包加工成组），最核心的区别有三点，1）固态电池正极材料复合化，即固态电解质与正极活性物质的混合体作为复合正极；2）电解质添加方式不同，液态电池是在极耳焊接后将电解液注入电池内并进行封装，而固态电解质除了与正极活性物质形成复合正极外，还需要在延压完成的复合正极上再进行一次涂布；3）液态锂离子电池极片可用卷绕或者叠片的方式组合，而固态电池由于其固态电解质如氧化物和硫化物韧性较差，通常使用叠片形式封装。
液态与固态电池工艺路线
资料来源：中信证券研究部
固态电解质核心工艺在于成膜，可分为干法、湿法和其他工艺。固态电池的制造，核心工艺在于固态电解质成膜环节，电解质的成膜工艺会影响电解质厚度及相关性能，厚度偏薄，会导致其机械性能相对较差，容易引发破损和内部短路，偏厚则内阻增加，并由于电解质本身不含活性物质，降低电池单体和系统的能量密度。
湿法成膜工艺：模具支撑成膜，适用于聚合物和复合电解质，将固体电解质溶液倒入模具，溶剂蒸发后获得固态电解质膜；正极支撑成膜，适用于无机和复合电解质膜，即将固体电解质溶液直接浇在正极表面，溶剂蒸发后，在正极表面形成固体电解质膜；骨架支撑成膜，适用于复合电解质膜，将电解质溶液注入骨架中，溶剂蒸发后，形成具有骨架支撑的固态电解质膜，能够提升电解质膜的机械强度。湿法工艺的核心是粘接剂与溶剂选取，溶剂便于蒸发、并对电解质有良好的溶解和化学稳定性。湿法的缺点是溶剂可能有毒，总体成本相对高，如果溶剂蒸发不完全，可能降低电解质的离子电导率。
干法成膜工艺：将电解质与粘接剂混合后研磨分散，对分散后的混合物进行加压（加热）制备获得固态电解质膜，该方法不使用溶剂，无溶剂残留，干法的缺点在于电解质膜相对较厚，由于其内部不含活性物质，会降低固态电池的能量密度。
其他成膜工艺：包括化学、物理、电化学气相沉积，以及真空溅射等方法。此类工艺成本较高，适合于薄膜型全固态电池。
固态电池电解质成膜工艺
资料来源：中信证券研究部
聚合物可兼容更多工艺，硫化物对环境要求较高，氧化物适用于沉积与流延成型法。固态电解质成膜方法较多，聚合物、硫化物和氧化物可结合自身特点匹配最合适的成膜工艺。1）聚合物固态电解质因为其加工性能最优，具有最强的工艺兼容性，除了因无法造粒不适用于沉积法之外，采用干法延压、干法喷涂、挤出、流延成型和浸润等工艺均可实现聚合物固态电解质成膜。2）硫化物因空气稳定性较差，不适合高温条件的挤出法和小尺寸的沉积法，除此之外的延压、喷涂等工艺均可用于硫化物固态电解质成膜。3）氧化物因具有陶瓷特性，脆性高，需结合颗粒沉积+烧结的方式成膜，或者在溶液共混条件下流延成型。
三种主流工艺适配示意图
资料来源：中信证券研究部
半固态电池可兼容传统锂电池生产工艺，生产设备基本上可以与锂电兼容，只需新增加一条专产半固态隔膜的生产线，生产设备与液态电池隔膜的设备兼容。
半固态电池要求隔膜的孔径更大、强度更高，并采用湿法+涂覆的工艺。对比传统电池，半固态电池的隔膜无明显工艺改变，调整参数即可，不过因为半固态电池需要提升离子导电率，所以要求隔膜的孔径更大、强度更高，因此需要采用湿法拉伸+涂覆的工艺。另外，单位半固态电池对隔膜的需求量没有变化。
产业现状：
全固态电池是全球公认的下一代电池，被列入中国、美国、欧盟、日韩等主要国家的发展战略。全球企业都在积极布局固态电池，全固态电池成为下一代电池技术竞争的关键制高点。从全球固态电池产业布局来看，中国参与的企业最多，包括传统电池企业、初创电池企业、整车企业等；其次是日本，技术实力最强；美国以一些初创企业为主；欧洲主要是车企和美国的初创企业合作；韩国企业不多，但实力也强。
全球固态电池布局概况
资料来源：电动卡车世界，东莞证券研究所
全球范围内固态电池主要处于研发和试制阶段，各国对于固态电池的
技术路线选择存在差异。
（1）日韩：主攻硫化物技术路线，致力于全固态电池
日本企业在固态电池的研发起步较早，在固态电池开发领域处于技术领先地位。由于硫化物固态电解质电导率高、性能表现优异且最适配全固态电池，丰田、日产、本田、松下、LG 新能源、三星 SDI、SKon 等日韩企业长期以来选择最有前景的硫化物固态电池（全固态电池）为主攻技术路线。丰田、本田、日产，既研发固态电池，又生产整车，在电池与整车性能匹配结合方面可能会更有优势。丰田起步最早，且研发进展最快，拥有全球最多的固态电池专利（1300 多项），但距离商业化还需一段时间，预计 2025 年量产第一代全固态电池（300Wh/kg，600Wh/L），2030 年量产第二代全固态电池（400Wh/kg，800Wh/L）。
（2）欧美：欧洲车企与美国初创企业合作推动固态电池发展
欧洲在聚合物技术路线上最早开始商业化应用。但由于聚合物电导率太低，欧洲量产的固态电池，在相同电池容量下，实际续航还不及液态锂电池，因此，到现在也未形成趋势。目前美国固态电池领域以Quantum Scape、Solid Power 等初创企业为主，在硫化物、氧化物和聚合物都有布局，大众、宝马、奔驰等欧洲车企通过投资这些美国初创企业，推动其在固态电池领域发展。比如，大众投资 QuantumScape，成为该公司最大股东，Quantum Scape 计划 2025 年底开始量产固态电池；宝马和 Solid Power紧密合作，2023 年 Solid Power 向宝马交付第一批 A 样，固态电池正式进入装车验证阶段，预计 2026年量产。
（3）中国：国内企业侧重氧化物技术路线，半固态电池量产在即
国内企业多数选择氧化物技术路线。由于氧化物电解质非常坚硬、孔隙率高，容易导致电离子传输通道不畅，以目前的技术需要加入电解液，因此，目前国内研发的氧化物固态电池主要为固液混合方向。卫蓝新能源、清陶能源、赣锋锂电、辉能科技等国内多家固态电池公司都是选择以氧化物材料为基础的固液混合技术路线。已公开的半固态电池的单体能量密度可突破 400Wh/kg。2022 年后国内部分车企开始搭载半固态电池，如蔚来发布的 ES6、东风发布的 E70、岚图发布的追风等车型，大部分是搭载以氧化物为电解质的半固态电池。
2023 年国内半固态电池出货量突破 GWh 级别，正式开启产业化进程：
根据高工锂电数据显示，截至 2023 年 12 月，国内半固态电池的产能规划累计已接近 300GWh，落地产能约 15GWh，出货量突破 GWh 级别。其中，以初创电池企业卫蓝新能源为代表，其半固态电池装车量达 0.8GWh，主要搭载在蔚来汽车。据高工锂电预计，2024 年国内搭载（半）固态电池上市的新车
型将超过 5 款，出货量有望迈向 5GWh 级别。
国内固态电池布局情况
资料来源：高工锂电，东莞证券研究所
下游应用场景：
下游应用领域，包括新能源汽车、消费电子、储能、eVTOL 等。随着 2024 年，“低空经济”首次被写入政府工作报告，带动电动垂直起降飞行器（eVTOL）引起广泛关注。国内加快了 eVtol 商业化落地，对高能量密度、高功率、高安全性的电池需求紧迫，且对成本不敏感，固态电池将完美契合该市场需求，
产业化进程有望提前。
eVTOL 飞行器主要由机体子系统、导航通讯与飞控子系统、动力子系统和能源子系统构成。eVTOL 的动力系统采用分布式推进系统（DEP，Distributed Electric Propulsion），该设计使其能够提升动力系统的安全性冗余、有效降低本机噪音（降低约 10%~15%）和最大限度提升动力系统的能源使用效率。
eVTOL系统构成
资料来源：北深资本，华鑫证券研究所
对于 eVTOL 飞行器来说，电池有两项关键性能指标与 eVTOL 综合性能紧密相关，一是能量密度，一是功率密度。相比较来说，电池功率密度（单位质量电池的放电功率大小）是 eVTOL 飞行器更关键的性能指标，因为它决定了 eVTOL 是否可以安全起飞和着陆。而另一方面，能量密度（电池平均质量所释放出的电能）大致上决定了 eVTOL 的航程范围，目前 300Wh/Kg 能保证 200~300 公里航程。
作为 eVTOL 技术的核心组件，电池的性能和安全性直接决定了 eVTOL 飞机的性能和市场接受度。能量密度方面，eVTOL 垂直起飞所需要的动力是地面行驶的 10-15 倍，商用门槛高达 400Wh/kg，且未来能量密度要求将会达到 1000Wh/kg，远高于当前车用动力电池的能量密度。安全性能、循环寿命等方面，eVTOL 对电池的要求也极为严苛。
华鑫证券：低空经济系列报告之固态电池，eVTOL 商业化临近，固态电池
