行业专题研究：氧化物半固态电池需要多少锆？ | 天风金属新材料刘奕町团队
（来源：市场投研资讯）
事件：国内多家固态电池公司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。2024-2026年众多车企将上市搭载半固态电池的车型，半固态电池产业化进程提速。
以LLZO材料为代表的氧化物半固态电池是当前合适的过渡路线，产业化应用确定性相对更高
全固态电池相比液态电池具有安全性高和能量密度大双重优势，但“界面问题”和材料成本高限制了产业化进程。半固态电池优势更为综合且技术工艺较为成熟，成本也相对可控，是当前阶段合适的过渡方案。固态电解质主流路线有硫化物和氧化物，长远来看，硫化物全固态电池由于其卓越性能或将成为未来主流技术路线，但预计未来几年难以实现产业化落地。国内主要电池公司的技术路线以氧化物半固态为主，其中LLZO材料性能最优。目前部分车型已经实现了氧化物半固态电池的装车应用，根据中国汽车动力电池创新联盟发布的数据，2024年上半年国内半固态电池装车量达2.2GWh。因此我们认为近几年氧化物半固态电池的产业化应用确定性相对更高，其中性能优势最优的LLZO路线更值得关注。
与液态三元锂电池相比，单GWh氧化物半固态电池氧化锆耗量为2133吨左右，提升幅度为20倍
氧化锆用于烧结快离子导体锂镧锆氧（LLZO），LLZO在氧化物半固态电池的电解质、电极添加剂、隔膜陶瓷材料部分均有应用。我们测算，1GWh氧化物半固态电池对LLZO的需求为1141吨，对应氧化锆耗量为285.25吨。电极部分和隔膜陶瓷材料对氧化锆单GWh的耗量分别为1800/48吨。因此，氧化物半固态电池中单GWh电池对氧化锆的需求为2133吨左右。而液态三元锂电池单GWh氧化锆耗量为102吨。氧化物半固态电池替代液态三元锂电池将显著打开氧化锆需求空间，提升幅度保守估计为20倍。
氧化物半固态电池在消费电子、动力领域的应用有望将全球锆英砂消费量由155万吨提升至220万吨
固态电池在消费电子领域可用于笔记本电脑、智能手机等产品，在动力电池领域可应用于新能源汽车、无人机、工业机器人的制造。据我们测算，消费电子和动力电池在23-27年对锆英砂耗量预计为0.3/3.5/13.5/29.6/46.3万吨。在其他主要应用领域稳定增长的假设下，全球锆英砂消费量有望迎加速增长，预计由23年的155万吨提升至27年的220万吨，有望支持相关锆产品价格中枢上行。
风险提示：硫化物全固态电池商业落地提速；电极添加剂替代风险；测算偏差风险；研究报告使用的公开资料存在更新不及时的风险
1.看好氧化物半固态电池产业化进程，氧化锆需求有望显著提升
1.1.氧化物半固态电池是现阶段合适的过渡方案
固态电池在理论上相比于液态电池具有能量密度大和安全性高的双重优势，具有重要的应用潜力。固态电池与传统液态锂电池的主要区别在于使用固态电解质，根据电解液的含量不同，大致可分为半固态、准固态和全固态三种类型。全固态电池能解放正负极材料的选择，从而大幅提升能量密度及续航能力，同时可以规避液态锂电池存在的短路及锂枝晶穿刺等安全性问题。
氧化物固态电解质具有成本低、热稳性和空气稳定性高等优势。根据固态电解质的种类，固态电池可分为聚合物、硫化物、氧化物三大技术路线。聚合物易加工、技术最为成熟，但性能上限低且热稳性差严重制约大规模应用。硫化物电导率最高、快充性能优异，但存在成本高、空气稳定性差、生产工艺难度大等系列问题。氧化物电解质成本较低、热稳性和空气稳定性高，其中LLZO性能优势最优且对锂金属稳定。共性问题是电导率逊于硫化物且界面问题较严重。
“界面问题”限制全固态电池产业进程，半固态路线工艺成熟，是现阶段合适的过渡方案。“界面问题”是指由于固态电解质的使用，使得电解质与电极接触不如电解液与电极之间接触充分，使得全固态电池整体循环寿命远不及液态电池。这一技术瓶颈以及材料成本过高等问题很大程度制约其产业进程。半固态电池作为液态和全固态的过渡方案，在使用固态电解质的同时延用成熟的液态锂电池工艺，安全性提高的同时电导率也能得到保证，成本也大幅低于全固态电池。
氧化物半固态电池成为国内主流技术路线，已在诸多新能源车型中实现装车应用。目前固态电解质的主流技术路线为硫化物和氧化物。硫化物是全固态电池的主流路线，研发企业以日韩为主，但硫化物的特性使其在半固态电池的应用空间有限。我国及欧美企业更多选择氧化物电解质路线，国内固态电池公司主要走氧化物材料为基础的固液混合技术路线，部分公司生产的氧化物半固态电池已实现装车应用，产业化进程提速。
我们认为，近几年氧化物半固态电池的产业化应用确定性相对更高。从长远来看，硫化物全固态电池由于其卓越性能或将成为未来主流技术路线，但目前技术瓶颈较大，我们预计未来几年较难看到其产业化落地。而半固态电池能够充分利用现有成熟的液态锂电池产业链，且在国内已经实现了小批量的装车应用。根据中国汽车动力电池创新联盟发布的数据，2024年1-6月国内半固态电池装车量达2.2GWh，已初具市场规模，GGII预计2024年全年国内半固态电池装机总量将突破5GWh。现阶段，我们更看好以氧化物路线为代表的半固态电池，尤其看好其中性能优势最优的LLZO路线。
1.2. 锂镧锆氧在氧化物半固态电池中具有广泛应用，打开氧化锆应用空间
锂镧锆氧(LLZO)是一种晶体结构为石榴石型的快离子导体，在氧化物固态电池的电解质、电极、隔膜中均有应用。其具有高离子电导性、高电化学稳定性、对正极材料和锂金属负极良好的化学稳定性等优良性质，被广泛应用于氧化物电解质中。同时，为了保证电极与固态电解质之间的良好接触，LLZO还被作为电池正负极的涂覆材料使用。而在氧化物半固态电池中，由于内部有一定比例的电解液，陶瓷隔膜仍存在，材料也为LLZO。
LLZO主要由氢氧化锂、氧化镧、氧化锆混合烧结而成，烧结前质量占比分别为35%/45%/25%。由此，LLZO在固态电池中的广泛应用将打开氧化锆的需求空间。
2.氧化物半固态电池对锆需求拉动几何？
2.1.单耗：氧化物半固态电池耗锆量2133吨/GWh
氧化物半固态电池的电解质对氧化锆的单耗为285.25吨/GWh。在氧化物固态电解质的快离子导体材料中，LLZO离子电导率最高，性能优势最优且最为常见。配合使用的粘结剂一般为聚四氟乙烯等，锂盐一般是双三氟甲基磺酰亚胺锂（LiTFSI）。三部分在固态电解质中的质量占比分别为80%/5%/15%。根据产业在线数据，1GWh半固态电池LiTFSI的用量为214吨。由此可测算1GWh半固态电池对于LLZO的需求为1141吨，对应烧结LLZO所需的氧化锆为285.25吨。
氧化物半固态电池的电极添加剂、隔膜对氧化锆的单耗分别为1800吨/GWh与48吨/GWh。据东能钠新，固态电池正极材料氧化锆添加比例将达20%，保守测算氧化物固态电池电极部分1GWh对氧化锆需求为1800吨。隔膜部分，锂镧锆氧需要在隔膜上涂覆，1GWh半固态电池需消耗240吨锂镧锆氧，按25%的比例折算氧化锆为48吨。此外，液态三元锂电池正极部分会将氧化锆作为添加剂来改善电池的倍率性能、热稳定性等，添加比例为0.4%。根据同花顺金融研究中心的信息，三元锂电池1GWh的三元锂电需要氧化锆添加剂36-72吨。我们取中位数进行测算，由此三元锂电池电极部分对氧化锆需求约为54吨。
将三部分的原料需求加总，1GWh氧化物半固态电池对氧化锆的需求约为2133吨，1GWh液态三元锂电池对氧化锆的总需求为102吨。因此，氧化物半固态电池的应用将会显著提升对氧化锆的需求，提升幅度在20倍左右。主要原因为半固态电池中电解质和正极添加剂对氧化锆的消耗量大幅增加。
2.2.总需求：全球锆消耗量有望大幅增长
固态电池的潜在应用领域包含众多行业，在动力电池领域可应用于新能源汽车、无人机、工业机器人等下游制造业，在消费电子领域则可应用于智能手机、笔记本、平板电脑等产品。2023年，全球固态电池出货量约为1GWh，渗透率仅约0.1%，但随着半固态电池产业化进程提速，渗透率有望迎来较快增长。我们推测，2030年，固态电池在动力电池和消费电池渗透率有望分别达到8%/10%。
（1）消费电子领域
据EVTank披露的数据，2023年全球消费锂电出货量约为113.2GWh。中国市场来看，根据中商产业研究院的数据，2023年消费锂电池出货量为49GWh，其中笔记本电脑对锂电池需求量为15.1GWh，占比达31%。假设全球消费锂电池同样有31%用于笔记本电脑，则全球笔记本出货量约为35.1GWh。而2023年全球笔记本出货量为1.67亿台，由此可测算出笔记本电脑的电池能耗约为21GWh/亿台。据以上数据我们做出如下假设并进行测算。
1）根据IT之家，全球笔记本出货量23/24E/25E分别为1.67/1.74/1.83亿台，假设2026和2027年出货量增速为4.9%。
2）全球消费锂电池出货量中有31%用于笔记本电脑。
3）23-27年半固态电池在消费电池领域的渗透率分别为0.1%/1%/2%/4%/6%。
（2）新能源汽车领域
根据《2023-2024年中国汽车动力电池及氢燃料电池产业发展年度报告》，2023年全球动力电池装车量706GWh，中国动力电池装车量387GWh，占比为55%。该报告预计2024年中国动力电池全年装车需求将达527GWh，同比+36%。据此我们做出如下假设并测算新能源汽车装载半固态电池预期拉动的氧化锆需求。
1）24-27年中国动力电池装车量年增速为36%/34%/32%/30%。
2）中国动力电池装车量在世界中占比为55%。
3）23-27年半固态电池在新能源汽车中的渗透率为0.1%/1%/3%/5%/6%。
（3）无人机领域
根据中商产业研究院数据，2023年我国新增30.9万架无人机注册，预计2024年新增76.6万架。市场份额来看，中国消费级无人机目前占全球74%的市场份额，工业级无人机占全球55%以上的市场份额，我们估计整体的市场份额占比为60%。电池单耗方面，我们选取大疆创新科技具有代表性的无人机产品计算平均的电池能量，测算出无人机搭载电池的平均能量为597Wh/架。
据以上数据，我们做出如下假设并测算无人机搭载半固态电池将带动的氧化锆需求。
1）乐观估计25-27年无人机新增注册数每年的增速为148%。
2）中国无人机整体的市场规模占比为60%。
3）23-27年半固态电池渗透率与新能源汽车领域相同。
（4）工业机器人
根据国际机器人联合会数据，2023年全球工业机器人安装量为54.13万台，预计24年安装量将维持在54.1万台，25-27年将持续增长。故假设25-27年全球工业机器人安装量为60/70/80万台。我们选取机器人电池中参数为24V/60Ah的磷酸铁锂电池估计工业机器人电池单耗为1440Wh/台。据以上数据，我们测算工业机器人领域应用半固态电池对氧化锆需求的拉动。
对以上四部分的需求进行汇总，我们测算出23-27年氧化物半固态电池应用于消费电子和动力电池领域产生的氧化锆需求为0.2/2.3/8.8/19.2/30.1万吨。折合含氧化锆65%-66%的锆英砂0.3/3.5/13.5/29.6/46.3万吨。
我们预计氧化物半固态电池在消费电子和动力电池的应用或将使全球每年锆英砂总耗量由2023年的155万吨提升至2027年的220万吨，锆英砂年消费量有望迎加速提升。2019年全球锆英砂消耗量为140万吨，其中约98%应用于陶瓷、耐火材料、锆化工、铸造业等领域，故在以上领域的总耗量约为137.2万吨。我们假设此部分的需求以每年3%的增速增长，则23-27年锆英砂在传统领域的耗量为154.4/159.1/163.8/168.7/173.8万吨。由此，23-27年全球锆英砂总耗量预计约为154.7/162.6/177.3/198.3/220.1万吨。
3.投资建议
相较2023年初的19000元/吨，目前以氧氯化锆为代表的锆产品价格中枢较低，我们认为随着氧化物半固态电池产业化应用的提速，其对二氧化锆及复合氧化锆的增量需求有望提升对产业上游锆英砂、产业中游氧氯化锆等锆产品的需求，相关锆产品的价格中枢有望上行。建议关注与固态电池厂商有合作，具有成本优势且锆系产品丰富的锆产品相关股票。
4.风险提示
（1）硫化物全固态电池商业落地提速
硫化物全固态电池当前虽然存在技术瓶颈以及材料成本过高等问题，但如果相关技术实现快速突破，产业的落地提速将对氧化物半固态电池形成替代关系，相关锆产品需求可能不及预期。
（2）电极添加剂替代风险
氧化物半固态电池对氧化锆的耗量主要原因是电极部分添加剂的比例大幅提升，若添加剂出现替代性较强的新型材料，则氧化物半固态电池对锆资源的耗量可能不及预期。
（3）测算偏差风险
氧化物半固态电池单耗以及锆英砂需求的测算均基于一定的前提假设，存在实际达不到、不及预期的风险。本文涉及的相关假设具有一定的主观性，仅供参考。
（4）研究报告使用的公开资料存在更新不及时的风险
研究报告中涉及到的公司及行业信息均使用公开资料进行整理分析，相关数据可能存在更新滞后的风险。
注：文中报告文中报告节选自天风证券研究所已公开发布研究报告，具体报告内容及相关风险提示等详见完整版报告。
证券研究报告：《行业专题研究：氧化物半固态电池需要多少锆？》
对外发布时间：2024年12月15日
报告发布机构：天风证券股份有限公司（已获中国证监会许可的证券投资咨询业务资格）
本报告作者：
分析师：刘奕町 邮箱：liuyiting@tfzq.com