本报告由中信建投证券股份有限公司在中华人民共和国（仅为本报告目的，不包括香港、澳门、台湾）提供，由中信建投（国际）证券有限公司在香港提供。同时请参阅最后一页的重要声明。证券研究报告·行业深度报告电池科技前瞻系列报告之十八：锂金属电池，荆棘圣杯锂金属电池？以负极的“终极形态”之名高容量、低电压锂离子电池负极材料的极限，是具有高达3860mAh/g的理论容量，和0V对锂电压的锂金属本身。锂金属作为锂电池负极的科学、工程与商业化努力早在（成功商业化的）锂离子电池诞生之前就已开始，但因为安全性不佳、循环寿命偏低等原因未在应用层面取得实质性进展。另一方面，学界、业界对锂金属负极与对应电池的研究从未停止。依托液体电解质，锂金属电池的研究现状锂金属负极搭配常规电解液时，均匀稳定保护性强的SEI膜形成相当困难，这使得锂枝晶形成与演进、锂负极-电解液界面副反应推进、反应产物导致电池体积变化等方面的负面效果明显，放大了电池的缺点。应对方式主要包括：调整负极侧锂金属的厚度，营造厚度适宜、形态良好的SEI膜的产生条件；调整电解液溶剂和锂盐的配方及浓度，如使用LiFSI等锂盐，使用新型溶剂等，采用浓盐等。SES称其锂金属电池能量密度达400Wh/kg。选用固态电解质，权衡和坚持部分固态电解质的对锂稳定性、热稳定性更高，离子电导也可接受。固态电解质的主要问题在于循环过程中电解质-负极界面接触劣化、锂向电解质内部扩散并膨胀破坏电解质完整性等。不同类型的固体电解质性能不同，但尚未发现一种综合性能优越的锂金属固体电解质。三星的银碳复合负极薄层固态电池是目前公开信息的性能最优越的固态锂金属电池，具备超过900Wh/L的体积能量密度，和超过1000次的循环寿命。锂金属电池专利布局：多帆竞发锂金属电池专利的主要申请人包括多个传统锂电池企业，同时也有高校及科研院所、“下一代电池”初创企业等。专利的侧重点各有不同，材料、工艺、设备等均有涉及。综合学术研究和专利结果，锂金属电池基本处于容量小（Ah级别为主）、循环寿命低（低倍率条件下500次左右就是较好结果）的相对早期阶段。和容量大、性能均衡的液态锂离子电池相比，锂金属电池尚不具备综合性能优势。投资评价和建议锂金属电池科技前瞻性很强，关注开展锂金属电池科技探索的电池企业龙头和创业新秀。锂金属作为负极高容量，与其搭配的正极也以高容量、高电压为宜，关注具有技术优势的三元正极及前驱体龙头企业。其锂盐多使用LiFSI，关注具备高效量产能力的电解液企业。单位能量锂金属电池用锂量更多，关注锂资源企业。风险分析锂金属电池实用化进展不及预期；成本控制能力不及预期。维持强于大市朱玥zhuyue@csc.com.cn18600687712SAC执证编号：S1440521100008张亦弛zhangyichi@csc.com.cn010-85159272SAC执证编号：S1440520040001马天一matianyibj@csc.com.cn13207689070SAC执证编号：S1440521110004发布日期：2021年12月20日市场表现相关研究报告-4%16%36%56%2020/12/162021/1/162021/2/162021/3/162021/4/162021/5/162021/6/162021/7/162021/8/162021/9/162021/10/162021/11/16电气自动化设备上证指数电气设备行业深度报告电气设备请参阅最后一页的重要声明目录一、锂金属电池？以负极的“终极形态”之名...................................................................................................11、锂金属，负极的“圣杯”.........................................................................................................................12、锂金属负极往事：锂离子电池诞生前的黑暗..........................................................................................2二、依托液体电解质，锂金属电池的研究现状...................................................................................................51、不止于枝晶，锂金属与共存的电解液......................................................................................................52、负极锂金属层：不要无限制地使用锂......................................................................................................63、电解液改性，对锂金属的驯服.................................................................................................................84、总归目标是实用化...................................................................................................................................15三、选用固态电解质，权衡和坚持.....................................................................................................................181、收之桑榆——固体电解质能做些什么....................................................................................................182、失之东隅——界面为主，固态的代价....................................................................................................203、仅仅是开始，也远眺终局.......................................................................................................................22四、锂金属电池专利布局：多帆竞发.................................................................................................................251、锂金属电池专利规模...............................................................................................................................252、巨头还是新秀？典型专利内容浅析.......................................................................................................27投资评价和建议.....................................................................................................................................................35风险分析.................................................................................................................................................................36图表目录图表1：“下一代电池”分类示意....................................................................................................................1图表2：典型正极材料比容量和对锂电压..........................................................................................................1图表3：典型负极材料比容量和对锂电压..........................................................................................................1图表4：锂金属部分/全部取代石墨，对电池能量密度的贡献示意..................................................................2图表5：锂电发展史上的关键企业及对应事件..................................................................................................2图表6：锂金属电池循环过程中，锂枝晶的形成与演化...................................................................................3图表7：锂金属负极的负面作用汇总..................................................................................................................3图表8：电解液-锂金属电池原理；搭配电解液时，锂金属负极在循环过程中的主要问题.........................5图表9：锂金属在烷基碳酸酯-6F电解液体系中的行为....................................................................................6图表10：不同锂箔厚度的电池示意....................................................................................................................6图表11：负极锂箔严重过量时，电池的循环性能.............................................................................................7图表12：负极锂箔用量较少/无负极时，电池的循环性能...............................................................................7图表13：不同负极锂箔厚度锂金属电池的低倍率循环机理解释.....................................................................8图表14：LiBF4/LiDFOB-FEC/DEC电解液体系电池的循环次数-容量曲线....................................................9图表15：添加锂盐、变化温度对LiBF4/LiDFOB-FEC/DEC电解液体系电池性能的影响............................9图表16：施加外压后LiFSI-TEP/BTFE电解液体系电池的循环性能和厚度变化........................................10图表17：LiFSI-DME/TTE电解液体系高容高压电池和对照组的循环寿命比较...........................................11图表18：LiFSI-FDMB电解液体系锂金属负极/无负极电池构造和性能.......................................................12图表19：LiFSI-DMTMSA电解液体系对高镍正极-锂金属负极电池的作用示意........................................12行业深度报告电气设备请参阅最后一页的重要声明图表20：LiFSI-磺胺类溶剂电解液体系高镍高压-锂金属电池和对照组的循环寿命比较...........................13图表21：LiFSI-磺胺类溶剂电解液体系高镍高压-锂金属电池和对照组的循环寿命比较...........................13图表22：常规电解液，浓盐电解液和稀释浓盐电解液的示意和性能比较...................................................14图表23：SES浓盐电解液锂金属电池的基本参数...........................................................................................14图表24：电解液优化、电极设计策略与电解液-锂金属电池综合表现的关系.............................................15图表25：负极锂箔用量较少/无负极时，电池的体积变化.............................................................................15图表26：高倍率、容量对锂枝晶形成与演进的影响......................................................................................16图表27：电池面临的不同类型滥用，及热失控顺序条件...............................................................................17图表28：液态锂离子电池、电解质固态化、负极锂金属化的能量密度变化...............................................18图表29：不同固体电解质-锂盐-正极体系的热稳定温度................................................................................18图表30：加热条件下锂镧锆氧固体电解质-锂金属电池的热行为.................................................................19图表31：固体电解质的综合（体相）性能......................................................................................................19图表32：氧化物电解质-锂金属负极的接触劣化；掺杂硅的界面改性.........................................................20图表33：固体电解质“碗状缺陷”的形成机制..............................................................................................20图表34：硫化物电解质-锂金属负极电池的界面退化机理.............................................................................21图表35：不同厚度、致密度氧化物电解质的临界电流密度...........................................................................21图表36：在锂金属和硫化物电解质间构建合理的界面...................................................................................22图表37：硫化物电解质、银-碳复合界面固态电池.........................................................................................22图表38：QuantumScape宣称的高性能无负极电池.........................................................................................23图表39：固体电解质优化策略汇总..................................................................................................................23图表40：高能量密度动力电池体系汇总与时间表估计...................................................................................24图表41：锂金属电池发明专利的法律状态......................................................................................................25图表42：锂金属电池发明专利的年份-规模.....................................................................................................25图表43：锂金属电池专利的国别分布..............................................................................................................26图表44：锂金属电池专利规模居前的申请人..................................................................................................26图表45：LG无保护的锂层和铜箔循环后形成空腔........................................................................................27图表46：实施例和对比例的循环寿命对比......................................................................................................27图表47：在锂金属表面连续制造钝化膜的方法示意......................................................................................27图表48：钝化锂金属负极薄层对电池循环性能的影响...................................................................................28图表49：三星软包锂金属电池容量和电压退降情况......................................................................................28图表50：三星软包锂金属电池循环寿命..........................................................................................................28图表51：“无负极”锂电池的还原态锂源基本结构......................................................................................29图表52：“无负极”锂电池的库伦效率..........................................................................................................29图表53：氮化铝骨架与锂金属颗粒..................................................................................................................29图表54：沉积于负极侧的锂金属......................................................................................................................30图表55：复合固体电解质层..............................................................................................................................30图表56：1.2mol/L6F-EC电解液电池的循环性能...........................................................................................31图表57：1.2mol/L6F-EC/EMC电解液电池的循环性能.................................................................................31图表58：2.5mol/LLiFSI-EC电解液电池的循环性能......................................................................................31图表59：5mol/LLiFSI-DME电解液电池的循环性能.....................................................................................31图表60：蒸镀锂金属负极电池的容量电压性能..............................................................................................32行业深度报告电气设备请参阅最后一页的重要声明图表61：蒸镀锂金属负极电池的循环性能......................................................................................................32图表62：不同强化纤维载量锂金属负极电池的循环寿命比较.......................................................................32图表63：电池充电的面电流密度......................................................................................................................33图表64：电池整体断面形貌..............................................................................................................................33图表65：电池长时间循环的容量保持情况......................................................................................................33图表66：泡沫金属支撑锂负极的循环次数-比容量曲线.................................................................................34图表67：不同醋酸锂处理时间电池的循环次数和容量保持情况...................................................................341行业深度报告电气设备请参阅最后一页的重要声明一、锂金属电池？以负极的“终极形态”之名1、锂金属，负极的“圣杯”如本系列报告开篇《电池科技前瞻系列报告之一：巨匠扛鼎，后继不竭》所述，“下一代电池”概念宽泛且概念间有交叉，但回归本质，多立足某一种载流子，对相应的正负极、电解质等进行革新。详见下表。图表1：“下一代电池”分类示意载流子正极负极电解质锂富锂锰基材料：富锂锰基电池--硫系材料：锂硫电池锂-氟化物/氯化物/氟氧化物材料等：氟化物/氯化物/氟氧化物锂电池空气：锂空气电池锂--硅负极等：硅负极锂电池--锂金属/合金：锂金属/锂合金电池---固体电解质：固态锂电池其他金属MM离子电池资料来源：中信建投；分类以关键组元定义，并非穷举；表中部分概念有交叉锂离子作为载流子，其优越的本征性能由较小的离子半径、较高的荷质比决定。所以，高性能二次电池通常意味着某种类型的锂离子电池。而锂离子电池中，不同正负极活性物质的比容量和对锂电压不同，辅助组元的用量不同，多因素共同影响了电池的质量能量密度（以Wh/kg计）：E=U/[1/Qc+1/Qa+minact]可以看出，更高的正极比容量、更高的负极比容量和更高的电池电压（以及更少的辅助组元），是高能量密度电池的理论实现路径。不同电极材料的比容量和对锂电压如下图所示。图表2：典型正极材料比容量和对锂电压图表3：典型负极材料比容量和对锂电压资料来源：Li-ionBatteryMaterials:presentandfuture,中信建投资料来源：Li-ionBatteryMaterials:presentandfuture,中信建投2行业深度报告电气设备请参阅最后一页的重要声明商业化的正极材料比容量更低（~150-200mAh/g），所以正极材料的容量提升对电池（单体）能量密度提升作用显著。而另一方面，负极的容量提升对于电池能量密度提升仍有相当程度作用。商业化的石墨负极容量在360mAh/g左右，已非常接近其理论比容量372mAh/g。与其相比，更高理论比容量的负极材料，如硅，从学术研究起步，逐步走入产业应用视野（相关研究可参见报告：负极硅碳，风语黎明）。而一切锂离子电池负极材料的终点，无疑是具有高达3860mAh/g的理论容量，和0V对锂电压的锂金属本身。正因为此，锂金属号称负极的“圣杯”。图表4：锂金属部分/全部取代石墨，对电池能量密度的贡献示意资料来源：CyclingLithiumMetalonGraphitetoFormHybridLithium-Ion/LithiumMetalCells，中信建投2、锂金属负极往事：锂离子电池诞生前的黑暗事实上，锂金属作为锂电池负极的科学、工程与商业化努力早在（成功商业化的）锂离子电池诞生之前就已开始。1970年，先驱MichaelStanleyWhittingham（后来的诺贝尔化学奖得主之一）发明的锂电池为二硫化钛-锂铝合金电池；到1985年，加拿大公司MoliEnergy更是依托此体系规模化生产搭载锂金属负极的二次电池。图表5：锂电发展史上的关键企业及对应事件时间关键企业关键事件1985年MoliEnergy（加拿大）生产锂金属二次电池1990年NEC（日本）收购Moli，分析锂金属负极的事故原因（锂枝晶）1987年旭化成（日本）发明钴酸锂-石油焦-高氯酸锂-PC二次电池，铝、铜作为集流体1990年索尼（日本）量产钴酸锂-炭黑-六氟磷酸锂-PC&EC-聚乙烯隔膜18650电池1993年索尼（日本）开发碳酸乙烯酯（EC）和碳酸二甲酯（DMC）复合溶剂体系1994年索尼（日本）应用石墨负极，对应电池首先搭载于dell笔记本上1995年起三洋、松下等（日本）跟进进行锂电池的研究和生产资料来源：锂想的兴起、破灭与复兴——从锂电池到锂离子电池，锂离子电池的发展历史，纵观锂电发展史，中信建投MoliEnergy的锂电池具备超过100Wh/kg的比能量，首先应用于3C领域（掌上电脑、无绳电话）。从19853行业深度报告电气设备请参阅最后一页的重要声明年推出产品，到1989年春天推出第二代产品，再到同期第一代产品出现起火爆炸的安全事故，MoliEnergy在1990年春即为NEC收购。图表6：锂金属电池循环过程中，锂枝晶的形成与演化资料来源：RevivingLithium-MetalAnodesforNext-GenerationHigh-EnergyBatteries，中信建投NEC分析了低倍率充放条件下锂金属电池的性能表现：所有电池均迎来了容量急剧衰减、短路失效、乃至起火爆炸的终局。事后分析，锂金属的不均匀沉积（也有研究工作认为是生长）形成的锂枝晶及其断裂/生长刺穿隔膜是引起电池容量衰减、短路、起火爆炸的“元凶”。图表7：锂金属负极的负面作用汇总资料来源：TowardSafeLithiumMetalAnodeinRechargeableBatteries:AReview，中信建投除了锂枝晶之外，锂和电解质的副反应，锂的体积变化、形貌变化等等，也都影响着电池综合性能的发挥。4行业深度报告电气设备请参阅最后一页的重要声明时至今日，石墨负极材料已为业界深入验证，而锂金属负极仍然在吸引着一批批研究者的关注：进行详尽的现象观察、机理分析；寻找合适的电解质体系与锂金属相配；对电极本身进行改性；从正极侧引入锂，使锂金属只在充电态存在于负极，制成“无负极电池”……轻霜染鬓，锂金属电池荆棘仍在。新梅煮酒，锂金属电池圣杯依然。5行业深度报告电气设备请参阅最后一页的重要声明二、依托液体电解质，锂金属电池的研究现状1、不止于枝晶，锂金属与共存的电解液作为电池内部的锂离子通路，电解质（不对物相作区分）的综合性能要求包括高锂离子电导和迁移数、低电子电导、宽电化学窗口、低界面阻抗、对热稳定、低挥发性，还有便宜与易于规模化；电解液的附加需求包括具备一定极性、低粘度易于润湿电极等。当搭配石墨负极时，电解液体系的离子电导高、润湿性好、产生的SEI膜通常条件下稳定性也高。但是锂金属负极搭配常规电解液时，均匀稳定保护性强的SEI膜形成相当困难，这使得锂枝晶形成与演进、锂负极-电解液界面副反应推进、反应产物导致电池体积变化等方面的负面效果明显，放大了电池的缺点。图表8：电解液-锂金属电池原理；搭配电解液时，锂金属负极在循环过程中的主要问题资料来源：RevivingLithium-MetalAnodesforNext-GenerationHigh-EnergyBatteries，中信建投研究者在进行电解液-锂金属电池研究时，为了尽可能控制变量，通常会从厚锂负极层、过量电解液出发进行电池设计，暂时忽略掉电解液和负极副反应对活性锂损耗的影响，获得一定循环次数内的高库伦效率。而事实上，有两个核心问题是必须解决的：其一，给定正极（不失一般性，以性能更高的三元正极为例子）已经引入锂元素，那么负极的锂金属层什么厚度是合适的（无论从优化性能还是从控制成本的角度来看）；其二，电极表面的SEI层理化性质更稳定、成分更合理才会有利于电池寿命的延长和综合性能的发挥，那么如何优化乃至颠覆现有的电解液体系（部分情况下对金属锂表面进行处理/采用合金化方式也是解决方案）以取得理想的效果。有效的研究工作也从这两个方面同时展开。6行业深度报告电气设备请参阅最后一页的重要声明图表9：锂金属在烷基碳酸酯-6F电解液体系中的行为资料来源：RevivingLithium-MetalAnodesforNext-GenerationHigh-EnergyBatteries，中信建投2、负极锂金属层：不要无限制地使用锂锂金属厚度对电池性能的影响以及其背后机理方面，美国西北太平洋国家实验室研究者ChaojiangNiu、JunLiu等做了深入的分析，并且获得了质量能量密度350Wh/kg、循环寿命超过600次的锂金属电池。相关研究工作Balancinginterfacialreactionstoachievelongcyclelifeinhigh-energylithiummetalbatteries2021年发表在NatureEnergy上。研究者认为，科学研究工作在面向实践应用时，其性能参数设置应尽量切合实际。在锂金属电池领域，应该提升正极载量、降低电解液含量；应该降低负极的过量程度；最终求得锂金属和电解液、正极载量的平衡。基于此基本思路，研究者选用NCM622正极，LiFSI、DME乙二醇二甲醚、TTE四氟乙基-四氟丙基醚构成的电解液，和100微米、50微米、20微米（商业化锂箔最薄的厚度）等不同厚度的锂箔。N/P分别为5、2.5、1，制作了2Ah级别的软包电池（分别对应不同锂箔厚度，还包括一个“无负极”电池）。图表10：不同锂箔厚度的电池示意资料来源：Balancinginterfacialreactionstoachievelongcyclelifeinhigh-energylithiummetalbatteries，中信建投7行业深度报告电气设备请参阅最后一页的重要声明当使用100微米厚锂箔时，电池在300余次低倍率循环（倍率较低时锂枝晶不易出现）后出现了容量“跳水”现象。换用50微米厚锂箔，上述现象在约400余次循环后发生。图表11：负极锂箔严重过量时，电池的循环性能资料来源：Balancinginterfacialreactionstoachievelongcyclelifeinhigh-energylithiummetalbatteries，中信建投将锂箔厚度减少至20微米，电池循环寿命提升到600次，容量保持率76%。但无锂箔存在的条件下，电池在100次循环后容量即衰减至80%，在500次循环后彻底衰减至容量为0。图表12：负极锂箔用量较少/无负极时，电池的循环性能资料来源：Balancinginterfacialreactionstoachievelongcyclelifeinhigh-energylithiummetalbatteries，中信建投研究者对此现象进行了分析：在电池循环中，锂金属和电解液的副反应，导致的是线性的电池容量衰减；而容量的突然“跳水”，则是循环过程中性能不佳的SEI层生长引发的极化导致的。负极过量的锂金属使得电解8行业深度报告电气设备请参阅最后一页的重要声明液被大量消耗，形成的“干SEI”就是性能不佳的SEI层；负极完全没有锂（“无负极”电池）则会在SEI中夹杂对容量无贡献的死锂，同样使得电池性能劣化。而20微米厚的锂箔表面可以生长出厚度适宜、形态良好的“湿SEI”，这使得电池的循环性能显著改善。图表13：不同负极锂箔厚度锂金属电池的低倍率循环机理解释资料来源：Balancinginterfacialreactionstoachievelongcyclelifeinhigh-energylithiummetalbatteries，中信建投600次有效循环、350Wh/kg和20微米的锂箔，这是锂金属负极电池非常出色的实验结果；系统性地对锂用量及机理进行解释，指导意义更为可贵。3、电解液改性，对锂金属的驯服多个研究团队使用不同的液体电解质体系进行了锂金属负极电池/无负极锂电池的研究，并取得了阶段性的进展。Dahn团队的研究成果Diagnosingandcorrectinganode-freecellfailureviaelectrolyteandmorphologicalanalysis2020年发表在Natureenergy上。研究工作的正极材料为单晶NCM523（Dahn在他的多项工作中选择此正极），电解液使用的双锂盐为LiBF4和LiDFOB，溶剂为FEC和DEC，用量2.6g/Ah，或0.5ml/Ah；电池物理形态为230mAh小软包电池。常规循环结果显示，LiBF4和LiDFOB搭配的无负极锂金属电池的寿命远远大于对照组使用六氟磷酸锂电解质的锂金属电池；在约100次循环以内，其容量大于对照组锂离子电池。加压之后，其寿命有所提升；扫描电镜照片显示加压对电极形态有较明显的积极作用。9行业深度报告电气设备请参阅最后一页的重要声明图表14：LiBF4/LiDFOB-FEC/DEC电解液体系电池的循环次数-容量曲线资料来源:Diagnosingandcorrectinganode-freecellfailureviaelectrolyteandmorphologicalanalysis，中信建投研究者分析了混盐电解质的作用：循环过程中，双氟草酸硼酸锂逐渐被消耗，氟硼酸锂既有消耗也有生成过程。锂盐的消耗对于电池性能的发挥和保持有非常重要的意义：其可以形成导锂的聚合物，实际上“钝化负极”（3.6V-4.5V的截止电压其实说明，在首次循环后负极的锂金属并未在下一个放电过程中完全返回正极，“无负极”仅对首次循环有效，所以负极残留的锂金属和电解液之间的界面仍然需要有效构建并力求对其加以控制，以利于后续的循环过程），使得电池保持较高的库伦效率。提高双氟草酸硼酸锂和氟硼酸锂浓度一倍多以后，电池寿命有一多半的提升。对温度较低的组别而言，循环寿命达到了200次。而且200次循环之内，“无负极”锂金属电池的容量要高于对照组锂离子电池。图表15：添加锂盐、变化温度对LiBF4/LiDFOB-FEC/DEC电解液体系电池性能的影响资料来源：Diagnosingandcorrectinganode-freecellfailureviaelectrolyteandmorphologicalanalysis，中信建投10行业深度报告电气设备请参阅最后一页的重要声明研究者认为，锂盐对锂负极的保护、加压对锂负极表面积和形态的正面作用共同促进了电池寿命的提升。LiFSI在锂金属电池领域也得到了广泛关注，并取得了相当多的前瞻性结果。美国西北太平洋实验室和StanleyWhittingham合作的研究成果High-energylithiummetalpouchcellswithlimitedanodeswellingandlongstablecycles，2019年发表于NatureEnergy上。研究工作的正极材料为NCM622，锂金属负极50um厚，N/P为2.6；电解液使用的锂盐为LiFSI，溶剂为磷酸三乙酯TEP和双(2,2,2-三氟乙基)醚BTFE，用量3g/Ah；电池物理形态为1Ah小软包电池。在和对照组（电解液体系为LiPF6-EC/EMC/VC）的比较中，实验组体现出了更优的循环寿命。研究者将此现象归因于电解液的对锂稳定性更高。在给电池施加外压后，其膨胀现象显著减轻，相对温和条件下的循环寿命得到了进一步的延长。200次循环后，单体能量密度从300Wh/kg衰减至约260Wh/kg。图表16：施加外压后LiFSI-TEP/BTFE电解液体系电池的循环性能和厚度变化资料来源：High-energylithiummetalpouchcellswithlimitedanodeswellingandlongstablecycles，中信建投最终，研究者将其电池的寿命表现归因于电池设计、电解液体系选择和合适的外压。同期，西北太平洋实验室进行了高镍高压锂金属电池的研究探索，论文EnablingHigh-VoltageLithium-Metal11行业深度报告电气设备请参阅最后一页的重要声明BatteriesunderPracticalConditions2019年发表于Joule上。研究工作的正极材料为NCM811，锂金属负极50um厚；电解液使用的锂盐为LiFSI，溶剂为乙二醇二甲醚DME，部分样品还由氟代醚类TTE稀释，电解液用量3g/Ah；电池物理形态为纽扣电池，下截止电压2.8V，上截止电压高达4.4-4.5V，单体能量密度325Wh/kg。其对照组电解液体系同样为电解液体系为LiPF6-EC/EMC/VC。在和对照组的比较中，实验组，尤其是TTE稀释的组别体现出了更高的循环寿命，在部分过量锂存在条件下，循环220次的平均库伦效率约99.1%，保持了较高的容量剩余。图表17：LiFSI-DME/TTE电解液体系高容高压电池和对照组的循环寿命比较资料来源：EnablingHigh-VoltageLithium-MetalBatteriesunderPracticalConditions，中信建投研究者将其电池的寿命表现归因于LiFSI的正面效果、电解液体系更高的氟碳比及其对锂金属的钝化作用。研究者对该体系给出了循环寿命达300次、单体能量密度412Wh/kg（对应无负极电池，不使用锂箔）的未来性能预期。斯坦福大学Y.Cui团队和ZN.Bao团队合作的研究成果Moleculardesignforelectrolytesolventsenablingenergy-denseandlong-cyclinglithiummetalbatteries2020年发表于NatureEnergy上。研究工作设计了单一溶剂氟化1,4-二甲氧基丁烷FDMB，和LiFSI搭配制得电解液；再采用NCM532为正极，不同厚度锂金属为负极，制作了相应软包电池；还采用NCM523、622、811正极，分别制作了无负极软包电池。在此基础上，测试了不同条件下的电池性能（包括截止电压4.4V的高度充电状态）并分析了相关机理。12行业深度报告电气设备请参阅最后一页的重要声明图表18：LiFSI-FDMB电解液体系锂金属负极/无负极电池构造和性能资料来源：Moleculardesignforelectrolytesolventsenablingenergy-denseandlong-cyclinglithiummetalbatteries，中信建投研究者归纳，过量锂条件下电池的库伦效率达到99.98%；811正极无负极电池的初始能量密度达到325Wh/kg，523正极无负极电池的循环寿命也超过了100次。研究者将电池的优秀表现归因于以CF2基团延长溶剂碳链起到的积极作用。鉴于该研究工作的电解液体系组分相对单一，后续还有优化材料体系、提升电池性能的空间。作为锂金属电池电解液的又一进展，MIT的研究团队研究了磺胺类电解液体系高镍（811）、高电压（4.7V）部分过量锂（60um厚度锂箔）锂金属电池的性能与机理，论文Ultra-high-voltageNi-richlayeredcathodesinpracticalLimetalbatteriesenabledbyasulfonamide-basedelectrolyte发表在NatureEnergy上。研究者使用的电解液由单一溶剂三氟甲基磺酰二甲胺DMTMSA和标准浓度LiFSI组成。研究者归纳，该体系体现了磺酰基的优越性：和正极关系方面，副反应少，产气少，过渡金属溶出少，CEI形成合理；和负极关系方面，利于稳定锂金属形态。此外，LiFSI对铝箔的潜在威胁也得到了抑制。图表19：LiFSI-DMTMSA电解液体系对高镍正极-锂金属负极电池的作用示意资料来源：Ultra-high-voltageNi-richlayeredcathodesinpracticalLimetalbatteriesenabledbyasulfonamide-basedelectrolyte，中信建投13行业深度报告电气设备请参阅最后一页的重要声明在和常规LiPF6-EC/EMC/VC电解液体系的比较中，LiFSI-DMTMSA体现出了出色的综合性能。对应电池在下截止电压3.0V，上截止电压高达4.7V的条件下循环100次，衰减仅略多于10%。而且负极锂过量不多，N/P仅为0.39。图表20：LiFSI-磺胺类溶剂电解液体系高镍高压-锂金属电池和对照组的循环寿命比较资料来源：Ultra-high-voltageNi-richlayeredcathodesinpracticalLimetalbatteriesenabledbyasulfonamide-basedelectrolyte，中信建投磺胺类溶剂体现出了较强的适应性，在搭配钴酸锂，同时“无负极”的条件下，也实现了100次循环，容量保持约85%。图表21：LiFSI-磺胺类溶剂电解液体系高镍高压-锂金属电池和对照组的循环寿命比较资料来源：Stabilizingelectrode–electrolyteinterfacestorealizehigh-voltageLiLiCoO2batteriesbyasulfonamide-basedelectrolyte，中信建投综合各项研究结果可以看出，性能相对较优的电解液体系多使用LiFSI作为锂盐；多使用氟代溶剂/醚类溶14行业深度报告电气设备请参阅最后一页的重要声明剂，也有磺胺类溶剂等创新型体系等。可以认为，搭配电解液的锂金属电池几乎一定需要大幅调整现有溶剂系统。另外，也有相当部分研究把视线投向高浓度锂盐系统，以提升安全性并拓宽电化学窗口。当然，高浓度锂盐也要付出成本为首的一些代价。图表22：常规电解液，浓盐电解液和稀释浓盐电解液的示意和性能比较资料来源：Strategiestowardsenablinglithiummetalinbatteries:interphasesandelectrodes，中信建投如SES（原Solidenergy）发布的105Ah电池样品，据称具有417Wh/kg质量能量密度、935Wh/L体积能量密度、在高至1C的放电倍率下保持了较高的容量-电压特性。图表23：SES浓盐电解液锂金属电池的基本参数资料来源：SES，能源学人，中信建投总之，电解液体系的优化是非常重要的，电解液-锂金属电池实用化的路径。15行业深度报告电气设备请参阅最后一页的重要声明图表24：电解液优化、电极设计策略与电解液-锂金属电池综合表现的关系资料来源：Strategiestowardsenablinglithiummetalinbatteries:interphasesandelectrodes，中信建投4、总归目标是实用化我们回到2Ah、600次循环、350Wh/kg的20微米锂箔-锂金属电池单体。到生命末期，该电池仍然有超过30%的体积膨胀。即使通过控制合适的锂箔厚度（一定程度上）解决了电池的循环寿命问题，电池循环过程中持续发生的体积膨胀仍然对实用化有较大负面作用。一方面可能需要施加外压加以控制，一方面也在体积能量密度方面有所损失。图表25：负极锂箔用量较少/无负极时，电池的体积变化资料来源：Balancinginterfacialreactionstoachievelongcyclelifeinhigh-energylithiummetalbatteries，中信建投低倍率充放条件下，锂枝晶形成与演进的动力学驱动力不强。但消费者对电池倍率性能有偏好（以整车为例，对应动力性和快充能力等）。在高倍率条件下，电池单体的寿命保持较高水平的难度也大幅增加。16行业深度报告电气设备请参阅最后一页的重要声明图表26：高倍率、容量对锂枝晶形成与演进的影响资料来源：Strategiestowardsenablinglithiummetalinbatteries:interphasesandelectrodes，中信建投从小软包电池开始，放大单体、电池成组和规模化，每一步都使得该步骤对应的实际循环寿命有所降低。假设成组后对应整车单次续航600km，实际深度充放循环对应的循环寿命至少也需要300次-18万公里。对液体电解质-锂金属电池来说，仍然有一定挑战。锂金属和电解液的持续副反应情况目前研究工作较少。换言之，电解液-锂金属电池的日历寿命应该如何评价，尤其是较高温度存储条件下（哪怕只是部分时间经历高温，模拟夏天户外阳光直射的气温）的日历寿命，仍然有相当不确定性。接下来是成本问题。金属锂箔并不廉价，即使N/P=1，仍然相当于多使用约1倍的锂；更低含量的锂箔需要蒸镀等工艺。这还没有考虑溶剂体系、锂盐、安全生产等方面的投入。最后我们还需要重新审视电池安全性。相比于遥远的上世纪90年代，现在业界对锂金属负极及电解液的相互关系原理理解更深入，实验数据更丰富，检测手段更先进。但是和商用化的液态锂离子电池相比，锂金属负极电池统计意义上的安全性验证，尤其是滥用条件下的安全性仍然是缺乏的。如果发生整车碰撞等考验电池极限安全能力的事故，或者被其他事故殃及，搭载电解液-锂金属负极的电池能否通过考验，仍然具有非常大的不确定性。17行业深度报告电气设备请参阅最后一页的重要声明图表27：电池面临的不同类型滥用，及热失控顺序条件资料来源：Thermalrunawaymechanismoflithiumionbatteryforelectricvehicles:Areview，中信建投所以，我们中性预期，电解液-锂金属负极的实用化尚需相当时间；实际应用也将先以特种需求为主，规模化进入动力领域是个相对漫长的过程。18行业深度报告电气设备请参阅最后一页的重要声明三、选用固态电解质，权衡和坚持1、收之桑榆——固体电解质能做些什么有研究者估计，如果将液态锂离子电池更换为固态锂金属电池，则电池质量能量密度可能提升40%，体积能量密度可能提升70%。图表28：液态锂离子电池、电解质固态化、负极锂金属化的能量密度变化资料来源：Solid-StateLi–MetalBatteries:ChallengesandHorizonsofOxideandSulfideSolidElectrolytesandTheirInterfaces，中信建投如前所述，电解液的主要优势是更高的离子电导和更佳的对电极润湿性。另一方面，固体电解质在搭配锂金属负极时拥有相当多的潜在优点：固态电解质相对较“硬”，直观的理解是其可以“防止”锂枝晶刺穿；固体电解质不挥发，不泄漏，电子电导低，几乎没有极化现象，在封装条件下的理化性质比较稳定。尤其是热稳定性，固体电解质通常相当程度上比电解液高较多，也高于隔膜熔化、锂离子电池自放热开始的温度。图表29：不同固体电解质-锂盐-正极体系的热稳定温度资料来源：ApproachingPracticallyAccessibleSolid-StateBatteries:StabilityIssuesRelatedtoSolidElectrolytesandInterfaces，中信建投19行业深度报告电气设备请参阅最后一页的重要声明根据HongLi等学者的研究结果，测试不同固体电解质和锂金属搭配组成电池的热行为，石榴石氧化物体系的锂镧锆氧可以保证电池在300度以内不发生热失控。图表30：加热条件下锂镧锆氧固体电解质-锂金属电池的热行为资料来源：TheThermalStabilityofLithiumSolidElectrolyteswithMetallicLithium，中信建投固体电解质的综合（体相）性能归纳于下表（5代表优，1代表劣）。图表31：固体电解质的综合（体相）性能电解质类型热稳定性化学稳定性对锂稳定性空气稳定性电化学稳定性机械稳定性离子电导传统电解液1121345聚合物2333223石榴石氧化物5232313NASICON氧化物5414413硫化物3131124资料来源：ApproachingPracticallyAccessibleSolid-StateBatteries:StabilityIssuesRelatedtoSolidElectrolytesandInterfaces，中信建投固体电解质-锂金属电池需要优先考虑对锂稳定性、热稳定性和离子电导，所以业界将氧化物、硫化物电解质基体纳入固体电解质-锂金属电池的研究重点。20行业深度报告电气设备请参阅最后一页的重要声明2、失之东隅——界面为主，固态的代价不论氧化物还是硫化物体系，影响固体电解质的最大问题还是电解质-电极界面。另外，锂金属的应用也一定程度上加剧了界面问题，甚至在材料体相内也出现了新的“界面”并衍生出问题。对氧化物体系来说，电池（尤其是高倍率）循环直接由应力导致的界面接触劣化会严重影响界面阻抗。图表32：氧化物电解质-锂金属负极的接触劣化；掺杂硅的界面改性资料来源：Researchprogressontheinterfacesofsolid-statelithiummetalbatteries，中信建投虽然直接“刺穿”固体电解质的可能性低，但是锂离子还是有可能扩散到固体电解质的体相中，沿晶界在固体电解质缝隙内沉积并累积内部应力，造成固体电解质材料的劈裂。图表33：固体电解质“碗状缺陷”的形成机制资料来源：InsituobservationofLideposition-inducedcrackingingarnetsolidelectrolytes，中信建投除氧化物外，硫化物固体电解质也存在类似的界面退化问题，锂-电解质副反应、锂枝晶沿晶界生长等现象21行业深度报告电气设备请参阅最后一页的重要声明会导致电池容量损失；电解质内部，材料循环过程中也会发生电化学/物理等原因的接触劣化、性能衰减等。图表34：硫化物电解质-锂金属负极电池的界面退化机理资料来源：Cellfailuresofall-solid-statelithiummetalbatterieswithinorganicsolidelectrolytes:Lithiumdendrites，中信建投控制固体电解质的厚度（相对较薄）、致密程度（较致密），对提升产生锂枝晶的临界电流密度有正面作用。图表35：不同厚度、致密度氧化物电解质的临界电流密度资料来源：TransientPolarizationandDendriteInitiationDynamicsinCeramicElectrolytes，中信建投22行业深度报告电气设备请参阅最后一页的重要声明另外，构建合理的金属-固体电解质物相界面，对电池性能的退化会有积极的抑制作用。图表36：在锂金属和硫化物电解质间构建合理的界面资料来源：Researchprogressontheinterfacesofsolid-statelithiummetalbatteries，中信建投3、仅仅是开始，也远眺终局截至目前，固体电解质-锂金属电池的高性能长循环结果更鲜见。三星高等研究院、三星电子、三星日本研究院多名学者的论文High-energylong-cyclingall-solid-statelithiummetalbatteriesenabledbysilver–carboncompositeanodes，阐述的，以高镍三元材料为正极，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0.5C倍率条件下超过1000次的循环寿命），仍然是信息披露相对充分的，最出色的研究成（可参见研究报告：三星长循环寿命全固态电池）。图表37：硫化物电解质、银-碳复合界面固态电池资料来源:High-energylong-cyclingall-solid-statelithiummetalbatteriesenabledbysilver–carboncompositeanodes，中信建投除三星上述研究成果之外，美股上市公司Quantumscape消息称，其4层的无负极固态电池实现了1C-1C充23行业深度报告电气设备请参阅最后一页的重要声明放条件下的800次循环，能量保持率也高达90%。但是该电池并未披露性能端实际的质量/体积能量密度，以及材料体系端的具体组成（该公司在氧化物、硫化物两条技术路线上均有布局），所以实际可信度相对而言有所欠缺。图表38：QuantumScape宣称的高性能无负极电池资料来源：QuantumScape，连线新能源，中信建投我们估计，获取适合锂金属负极的固体电解质需要构建复合材料体系，这一工作可能需要较长的时间才可能取得有效突破。图表39：固体电解质优化策略汇总资料来源：ApproachingPracticallyAccessibleSolid-StateBatteries:StabilityIssuesRelatedtoSolidElectrolytesandInterfaces，中信建投而从充分长期的角度展望，锂金属或某种意义上的锂金属负极，仍然是追求高比能量/体积能量密度电池的24行业深度报告电气设备请参阅最后一页的重要声明探索者们的“终极梦想”乃至“终极选择”。图表40：高能量密度动力电池体系汇总与时间表估计资料来源:Batterieswithhightheoreticalenergydensities，中信建投25行业深度报告电气设备请参阅最后一页的重要声明四、锂金属电池专利布局：多帆竞发1、锂金属电池专利规模以lithiummetalbattery和锂金属电池为关键词进行检索，全球已有超过2000个锂金属电池相关的发明专利（统计或存在一定误差）。其中约一半属于有效专利，其余的大部分处于实质审查状态。也有少量的无效、失效专利（图中未列出）。图表41：锂金属电池发明专利的法律状态资料来源：patenthub，中信建投近年来，锂金属电池的专利申请基本呈递增趋势（2019年至今，部分专利尚处于未公开状态）。图表42：锂金属电池发明专利的年份-规模资料来源：patenthub，中信建投0200400600800100012001400发明公开发明专利发明申请发明授权有效专利实质审查公开050100150200250300350400450发明公开发明专利发明申请发明授权26行业深度报告电气设备请参阅最后一页的重要声明锂金属电池专利的主要申请地点在中国、美国、欧盟、韩国、日本和世界知识产权组织。中国境内的锂金属电池专利数量最多。图表43：锂金属电池专利的国别分布资料来源：patenthub，中信建投锂金属电池专利的主要申请人是LG化学、三星、住友、三菱等国际巨头。国内申请者中专利数量居前的机构是高校及科研院所：中南大学、清华大学、中科院等。宁德时代等国内电池企业有相关专利申请。电池初创企业，如SES（原Solidenergy）、Quantumscape、清陶等，也有少量锂金属电池专利。图表44：锂金属电池专利规模居前的申请人资料来源：patnethub，中信建投020040060080010001200140016001800中国美国韩国日本欧盟WIPO德国加拿大法国英国中国台湾澳大利亚新加坡俄罗斯波兰匈牙利南非斯洛文尼亚荷兰以色列发明公开发明专利发明申请发明授权01020304050607080주식회사엘지화학中南大学SamsungElectronicsCo.,Ltd.住友化学株式会社LGChem,Ltd.株式会社LG化学LGCHEM,LTD.三菱化学株式会社SamsungSDICo.,Ltd.한국과학기술연구원삼성전자주식회사清华大学삼성에스디아이주식회사三星SDI株式会社MitsubishiChemicalsCorp中国科学院宁波材料技术与…NanotekInstruments,Inc.中国科学院过程工程研究所北京理工大学宁德时代新能源科技股份有…发明公开发明专利发明申请发明授权27行业深度报告电气设备请参阅最后一页的重要声明2、传统电池企业还是电池新秀？典型专利内容浅析以下，我们遴选近年来部分锂金属电池专利体现的核心内容加以概括评述。LG化学部分：专利US20190341603A1描述了在铜箔（10微米厚）上沉积高含银量薄层（1微米厚）再复合负极锂金属层（40微米厚），搭配811正极形成电池的循环结果。高含银量薄层的存在抑制了锂和铜箔在循环过程中的分离，仅使用常规电解液就获得了200次的循环寿命（充电0.1C，放电0.5C，容量保持率80%以上）。图表45：LG无保护的锂层和铜箔循环后形成空腔图表46：实施例和对比例的循环寿命对比资料来源：US20190341603A1，中信建投资料来源：US20190341603A1，中信建投专利CN110603670A描述了在锂金属负极表面连续制造钝化膜的方法。图表47：在锂金属表面连续制造钝化膜的方法示意资料来源：CN110603670A，中信建投28行业深度报告电气设备请参阅最后一页的重要声明钝化溶液体系包括VC、FEC、VEC、PS等。使用钝化方法后，实施例充电态电池高温（60度）储存21天的溶胀比不足10%，对比例接近/超过20%；实施例0.1C充电、0.5C放电100次循环后的容量保持率达87%。图表48：钝化锂金属负极薄层对电池循环性能的影响放电容量/放电效率第100次(％)实施例11174mAh,99.95％1033mAh(87％)实施例21172mAh,99.94％1020mAh(87％)比较例11178mAh,99.88％233mAh(20％)比较例21174mAh,99.93％0mAh(0％)资料来源：CN110603670A，中信建投专利CN110249461A论述，在PET基材上首先涂布形成2微米厚的PVDF-HFP保护层，再将20微米的锂金属真空沉积在保护层上，随后将锂金属层转移到铜箔上，形成铜箔-锂箔-保护层的多层结构。该结构的负极集流体及负极搭配SK薄膜、6F及常规电溶剂组成的电解液后，260次循环内可以实现接近100%的库伦效率。虽然我们清楚负极锂是过量的，但是260次循环无其他异常，也说明了PVDF-HFP保护层的有效性。类似地，专利CN106716690B论述，金属锂表面沉积氮化锂-LiBON薄膜后，性能得到提升；专利CN109565039A论述，金属锂表面沉积氟化锂后，性能得到提升。可见，LG的锂金属电池（搭配电解液），其关注重点在于表面改性以提升电池负极的稳定性。这也确实是锂金属电池实用化的重要难点之一。三星部分：专利US20170331152A1论述了添加剂的影响。电池使用LiFSI、DME、TTE液态体系和20微米锂箔，实施例比对比例多了添加剂二氧化硅-硅烷。电池循环寿命不足100次，可能是由于上截止电压较高导致的。图表49：三星软包锂金属电池容量和电压退降情况图表50：三星软包锂金属电池循环寿命资料来源：US20170331152A1，中信建投资料来源：US20170331152A1，中信建投专利US20190214672A1描述了将锂金属粉末和LiFSI、DME、无纺布等复合，制成“无负极”锂电池的方法。该电池还搭配LATP固体电解质，在50次循环内保持了接近100%的库伦效率，也为锂金属电池体系的构建提供了新的思路。29行业深度报告电气设备请参阅最后一页的重要声明图表51：“无负极”锂电池的还原态锂源基本结构图表52：“无负极”锂电池的库伦效率资料来源：US20190214672A1，中信建投资料来源：US20190214672A1，中信建投此外，三星也有在锂金属负极表面构建阻挡层的尝试。其立足点是使用高模量材料，抑制锂枝晶的生长，见于专利US20170324097A1。宁德时代部分：专利CN112713268A将氮化铝粉和金属锂粉复合，搭配磷酸铁锂正极（如果是三元正极，甚至高镍三元正极的话相信能量密度会更高）在2C倍率下进行循环充放测试。多个实施例的容量在600次循环以后才衰减至85%（但是衰减到85%后再经过不足100次循环就会短路）。相比之下未复合的对比例在不到200次循环时已经短路。图表53：氮化铝骨架与锂金属颗粒资料来源：CN112713268A，中信建投专利CN111916815A提出，以FEC或DFEC对锂金属/锂合金进行成膜处理，金属锂负极表面会产生氮化锂、氟化锂钝化层（LG也有专利构建此两种钝化层，前已有论述）。在搭配高化学活性的NCM811正极，以及LiFSI-LiTFSI混盐后，电池循环200-400余次的体积膨胀不足40%，优于对照组（循环不足200次，体积膨胀已经超过40%）。30行业深度报告电气设备请参阅最后一页的重要声明专利CN112133963A的思路相对“传统”，以二甲基亚砜、LiFSI、硝酸锂、VC、ES等协同，在锂金属表面形成SEI膜。部分搭配NCM811正极的样品0.5C-0.5C循环，容量保持率80%的循环寿命超过400次。关于硝酸锂的正面作用专利CN111129600B也有论述，硝酸锂在锂负极上还原产生含有氮化锂、锂氮氧化物的固体电解质界面膜。图表54：沉积于负极侧的锂金属资料来源：CN111129600B，中信建投专利CN111725558A对全固态锂金属电池进行了权利要求。该专利的基本思路是，在固体电解质层中引入可以和锂形成合金的金属（实施例是铝）作为第二电解质层，这样可以抑制锂枝晶的产生。虽然循环次数还不足100次，但是这种合金化隔断的思路具备相当合理性。图表55：复合固体电解质层资料来源：CN111725558A，中信建投SES（原Solidenergy）部分：专利US20160233549A1描述了不同电解液体系（尤其是锂盐类型和浓度区别）对电池循环寿命的影响。实施例以钴酸锂为正极，以锂金属为负极，循环在较低倍率下进行。31行业深度报告电气设备请参阅最后一页的重要声明在使用低浓度六氟磷酸锂时，电池循环寿命很低，在50次循环内就有明显衰减。搭配某些电解液时，甚至出现“断崖式”衰减。图表56：1.2mol/L6F-EC电解液电池的循环性能图表57：1.2mol/L6F-EC/EMC电解液电池的循环性能资料来源：US20160233549A1，中信建投资料来源：US20160233549A1，中信建投而在换用LiFSI并提升锂盐浓度、替换溶剂后，电池的循环寿命改善明显，最高超过300次。某个2Ah软包电池样品还取得了超过1000Wh/L、接近400Wh/kg的能量密度。图表58：2.5mol/LLiFSI-EC电解液电池的循环性能图表59：5mol/LLiFSI-DME电解液电池的循环性能资料来源：US20160233549A1，中信建投资料来源：US20160233549A1，中信建投专利WO2017214276A1描述了以钴酸锂为正极，极薄锂金属（15微米，蒸镀在铜箔上）为负极，2mol/LLiFSI为锂盐的锂金属电池的性能。低倍率充放电条件下，2Ah、400Wh/kg、1200Wh/L电池的循环寿命超过100次；倍率提升后电池性能有退化。32行业深度报告电气设备请参阅最后一页的重要声明图表60：蒸镀锂金属负极电池的容量电压性能图表61：蒸镀锂金属负极电池的循环性能资料来源：WO2017214276A1，中信建投资料来源：WO2017214276A1，中信建投另外，SES也对锂金属负极表面涂覆改性改善循环寿命进行了探索。有关结果见于专利US10347904B、专利WO2016160958A1等。根据实施例，如使用聚合物及高载量强化纤维改性锂金属后，电池循环寿命可以有比较明显的提升。图表62：不同强化纤维载量锂金属负极电池的循环寿命比较资料来源：WO2016160958A1，中信建投Qutamscape部分：专利US20210135292A1将NCA正极及导电剂粘接剂、硫系固体电解质等进行复合，再进行锂金属的蒸镀形成30微米的镀层，最后对电池加以几十个大气压的外压，循环于1/3倍率之下。33行业深度报告电气设备请参阅最后一页的重要声明图表63：电池充电的面电流密度图表64：电池整体断面形貌资料来源：US20210135292A1，中信建投资料来源：US20210135292A1，中信建投该电池的实际容量小于Ah级别，250次循环获得了93%（45度）或87%（30度）的寿命，长时间循环的容量衰减曲线也在专利中给出，4C放电容量还有60%。总体上来说，该专利体现的性能特征较好（也更容易得到理论解释），但是不及上一章最后部分所述的QS当前最佳性能的锂金属电池。图表65：电池长时间循环的容量保持情况资料来源：US20210135292A1，中信建投清陶能源部分：专利CN108767250A将锂粉、导电剂、PVDF、NMP、PEO和锂盐经无水乙醇处理为复合浆料，再把泡沫金属浸入浆料、烘干、压制，得到泡沫金属支撑的复合锂负极片。该极片保持了1000mAh/g以上的容量，和0.1C倍率下超过200次的循环寿命。34行业深度报告电气设备请参阅最后一页的重要声明图表66：泡沫金属支撑锂负极的循环次数-比容量曲线资料来源：CN108767250A，中信建投专利CN111293299B将锂金属用醋酸蒸汽处理，形成醋酸锂保护层。短时处理（1min）形成保护层对应的电池寿命最佳。图表67：不同醋酸锂处理时间电池的循环次数和容量保持情况资料来源：CN111293299B，中信建投可以看出，企业们的基本思路同样可以归为“对电解质进行改性设计”和“对负极进行优化”两类，而且出现了不同的封装形式（除实验室测试的小软包、纽扣电池之外，有圆柱电池，和方形卷绕电池）及连续处理工艺等。虽然锂金属电池现在产业化还不成熟，但是专利布局和实践已经悄然展开。35行业深度报告电气设备请参阅最后一页的重要声明投资评价和建议锂金属电池科技前瞻性很强，关注开展锂金属电池科技探索的电池企业龙头和创业新秀。锂金属作为负极具备高容量，与其搭配的正极也以高容量、高电压为宜，关注三元正极材料、正极前驱体技术领先性较强的龙头企业当升科技、振华新材、中伟股份、容百科技等。其锂盐多使用LiFSI，关注具备高效量产能力的电解液企业如天赐材料等。另外，单位能量锂金属电池锂用量增加程度较高（30%到100%以上均有可能，除“无负极”电池之外），关注锂资源企业如天齐锂业、赣锋锂业等（金属有色团队覆盖）。36行业深度报告电气设备请参阅最后一页的重要声明风险分析锂金属电池实用化进展不及预期（如电池循环过程中体积变化过大、循环寿命尤其是高倍率循环寿命不足、安全性不能满足大规模推广需求等）；成本控制能力不及预期（如金属锂箔/锂粉价格、高浓度电解液及对应锂盐价格影响、工艺复杂良率不足等）。37行业深度报告电气设备请参阅最后一页的重要声明分析师介绍朱玥：中信建投证券电力设备新能源行业首席分析师。2021年加入中信建投证券研究发展部，2016-2021年任兴业证券电新团队首席分析师，2011-2015年任《财经》新能源行业高级记者。专注于新能源产业链研究和国家政策解读跟踪，获2020年新财富评选第四名，金麒麟第三名，水晶球评选第三名。张亦弛：清华大学工学学士、博士，2年能源材料领域实业工作，2年清华大学下属研究院研究经验，储能技术与产业政策专家。在学及就业期间发表多篇SCI及中文核心论文，申请多项国家专利并获得授权。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、2019年金麒麟新锐分析师团队成员。马天一：中信建投证券电力设备及新能源研究员，天津大学化工硕士，研究方向为锂电池材料及上游资源。研究助理许琳17317936615xulin@csc.com.cn刘溢17375777017liuyibj@csc.com.cn38行业深度报告电气设备请参阅最后一页的重要声明评级说明投资评级标准评级说明报告中投资建议涉及的评级标准为报告发布日后6个月内的相对市场表现，也即报告发布日后的6个月内公司股价（或行业指数）相对同期相关证券市场代表性指数的涨跌幅作为基准。A股市场以沪深300指数作为基准；新三板市场以三板成指为基准；香港市场以恒生指数作为基准；美国市场以标普500指数为基准。股票评级买入相对涨幅15％以上增持相对涨幅5%—15％中性相对涨幅-5%—5％之间减持相对跌幅5%—15％卖出相对跌幅15％以上行业评级强于大市相对涨幅10%以上中性相对涨幅-10-10%之间弱于大市相对跌幅10%以上分析师声明本报告署名分析师在此声明：（i）以勤勉的职业态度、专业审慎的研究方法，使用合法合规的信息，独立、客观地出具本报告,结论不受任何第三方的授意或影响。（ii）本人不曾因，不因，也将不会因本报告中的具体推荐意见或观点而直接或间接收到任何形式的补偿。法律主体说明本报告由中信建投证券股份有限公司及/或其附属机构（以下合称“中信建投”）制作，由中信建投证券股份有限公司在中华人民共和国（仅为本报告目的，不包括香港、澳门、台湾）提供。中信建投证券股份有限公司具有中国证监会许可的投资咨询业务资格，本报告署名分析师所持中国证券业协会授予的证券投资咨询执业资格证书编号已披露在报告首页。本报告由中信建投（国际）证券有限公司在香港提供。本报告作者所持香港证监会牌照的中央编号已披露在报告首页。一般性声明本报告由中信建投制作。发送本报告不构成任何合同或承诺的基础，不因接收者收到本报告而视其为中信建投客户。本报告的信息均来源于中信建投认为可靠的公开资料，但中信建投对这些信息的准确性及完整性不作任何保证。本报告所载观点、评估和预测仅反映本报告出具日该分析师的判断，该等观点、评估和预测可能在不发出通知的情况下有所变更，亦有可能因使用不同假设和标准或者采用不同分析方法而与中信建投其他部门、人员口头或书面表达的意见不同或相反。本报告所引证券或其他金融工具的过往业绩不代表其未来表现。报告中所含任何具有预测性质的内容皆基于相应的假设条件，而任何假设条件都可能随时发生变化并影响实际投资收益。中信建投不承诺、不保证本报告所含具有预测性质的内容必然得以实现。本报告内容的全部或部分均不构成投资建议。本报告所包含的观点、建议并未考虑报告接收人在财务状况、投资目的、风险偏好等方面的具体情况，报告接收者应当独立评估本报告所含信息，基于自身投资目标、需求、市场机会、风险及其他因素自主做出决策并自行承担投资风险。中信建投建议所有投资者应就任何潜在投资向其税务、会计或法律顾问咨询。不论报告接收者是否根据本报告做出投资决策，中信建投都不对该等投资决策提供任何形式的担保，亦不以任何形式分享投资收益或者分担投资损失。中信建投不对使用本报告所产生的任何直接或间接损失承担责任。在法律法规及监管规定允许的范围内，中信建投可能持有并交易本报告中所提公司的股份或其他财产权益，也可能在过去12个月、目前或者将来为本报告中所提公司提供或者争取为其提供投资银行、做市交易、财务顾问或其他金融服务。本报告内容真实、准确、完整地反映了署名分析师的观点，分析师的薪酬无论过去、现在或未来都不会直接或间接与其所撰写报告中的具体观点相联系，分析师亦不会因撰写本报告而获取不当利益。本报告为中信建投所有。未经中信建投事先书面许可，任何机构和/或个人不得以任何形式转发、翻版、复制、发布或引用本报告全部或部分内容，亦不得从未经中信建投书面授权的任何机构、个人或其运营的媒体平台接收、翻版、复制或引用本报告全部或部分内容。版权所有，违者必究。中信建投证券研究发展部中信建投（国际）北京上海深圳香港东城区朝内大街2号凯恒中心B座12层上海浦东新区浦东南路528号南塔2106室福田区益田路6003号荣超商务中心B座22层中环交易广场2期18楼电话：（8610）8513-0588电话：（8621）6882-1600电话：（86755）8252-1369电话：（852）3465-5600联系人：李祉瑶联系人：翁起帆联系人：曹莹联系人：刘泓麟邮箱：lizhiyao@csc.com.cn邮箱：wengqifan@csc.com.cn邮箱：caoying@csc.com.cn邮箱：charleneliu@csci.hk