文|李佳林 丁秀金 趙江宇

一、摘要

（本文研究范圍限定為化學(xué)電池，且主要以鋰離子電池為主）

1.化學(xué)電池基礎(chǔ)原理為基于電荷轉(zhuǎn)移的氧化還原反應(yīng)，反應(yīng)本身受材料和制造工藝影響；

2.材料決定電池的理論性能上限，其發(fā)展原理遵循“量變”到“質(zhì)變”邏輯?，F(xiàn)有鋰離子電池材料體系框架確立已有40余年，期間主要材料在既定框架下進(jìn)行漸進(jìn)式迭代，并衍生出各類(lèi)型細(xì)分組合。固態(tài)電池支持材料的顛覆式改進(jìn)（負(fù)極改為金屬鋰），可極大提升能量密度，是可推測(cè)的下一次重大產(chǎn)業(yè)變革；

3.電池性能受制造工藝影響，是材料約束下產(chǎn)業(yè)資本權(quán)衡投入產(chǎn)出后的結(jié)果。同時(shí)，制造工藝除單點(diǎn)層面的進(jìn)步外，也依賴(lài)產(chǎn)業(yè)鏈各細(xì)分環(huán)節(jié)的協(xié)同努力；

4.不同終端應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)電池性能需求存在差異，由此衍生出能量型、功率型、循環(huán)型等單一性能凸出的型號(hào)，反饋在技術(shù)路線(xiàn)上即難存在“贏家通吃”的局面；

5.能源消費(fèi)電氣化、電力生產(chǎn)清潔化是電池產(chǎn)業(yè)的核心驅(qū)動(dòng)。鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化最為成熟，是目前化學(xué)電池中的應(yīng)用主流，中短期內(nèi)鈉離子電池，液流電池在細(xì)分場(chǎng)景可實(shí)現(xiàn)初步商用化；

6.鋰離子電池主要應(yīng)用場(chǎng)景為動(dòng)力領(lǐng)域，提升能量密度其核心目標(biāo)。材料方面，LFP，NCM兩大體系均存在漸進(jìn)式創(chuàng)新，其中高鎳產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展較快，富鋰錳基、磷酸錳鐵鋰等次之；工藝方面，制造技術(shù)迭代是受材料體系約束的一個(gè)邊際改善的過(guò)程，在材料進(jìn)展緩慢時(shí)具備較高的投入價(jià)值；電池與下游應(yīng)用也在進(jìn)行深度耦合設(shè)計(jì)，體現(xiàn)為動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的集約化設(shè)計(jì)，以提高能量單元占比；

7.近2年鋰礦價(jià)格高位波動(dòng)，疊加部分中游環(huán)節(jié)產(chǎn)能受限，共同驅(qū)使鋰電產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行合縱連橫。長(zhǎng)協(xié)，鎖單，聯(lián)動(dòng)定價(jià)等模式提高了鋰電中下游廠商的供應(yīng)鏈管理難度。同時(shí)鋰礦開(kāi)始在全球范圍內(nèi)得到戰(zhàn)略層面的重視，加劇了上游資源博弈，提高了我國(guó)企業(yè)海外獲取資源的難度。中長(zhǎng)期內(nèi)，積極的下游需求將持續(xù)推動(dòng)上游礦企的產(chǎn)能釋放，但經(jīng)過(guò)2019-2020產(chǎn)能過(guò)剩打擊、面對(duì)更加確定的下游需求以及鋰期貨的誕生后，上游將更審慎進(jìn)行產(chǎn)能擴(kuò)張，預(yù)期鋰礦供需維持緊平衡趨勢(shì)，博弈將更加動(dòng)態(tài)化；

8.新型化學(xué)電池如鈉離子電池、液流電池的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)并存。鈉離子電池因鈉礦材料價(jià)格低廉，寬溫區(qū)及安全性較好，具備部分替鋰潛力；液流電池本征安全，循環(huán)性能優(yōu)，在儲(chǔ)能領(lǐng)域與鋰電錯(cuò)位競(jìng)爭(zhēng)。但由于二者技術(shù)層面仍在持續(xù)突破，成本、壽命等方面缺少規(guī)模化驗(yàn)證，真正商用化起量還需時(shí)日；

9.儲(chǔ)能行業(yè)確定性與景氣度雙高，但終端需求差異化明顯，各類(lèi)技術(shù)路線(xiàn)需要物盡其才而非削足適履。未來(lái)儲(chǔ)能市場(chǎng)從政策驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向?yàn)槭袌?chǎng)驅(qū)動(dòng)后，對(duì)化學(xué)電池而言，其在短時(shí)調(diào)峰，工商業(yè)峰谷套利等場(chǎng)景具備競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，但在其他細(xì)分場(chǎng)景將面臨新興技術(shù)的強(qiáng)力競(jìng)爭(zhēng)（調(diào)頻：飛輪；中長(zhǎng)時(shí)調(diào)峰：壓縮空氣，抽蓄，氫能），當(dāng)前一家獨(dú)大的局面難以長(zhǎng)期維系，更可能與其他技術(shù)路線(xiàn)搭配使用。

二、電池原理、誕生及演進(jìn)

1.化學(xué)電源原理及構(gòu)造

電池定義：電池是具備存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換能量功能的裝置，借助于某些變化（化學(xué)或物理變化）將某種能量（化學(xué)能或光能等）直接轉(zhuǎn)換為電能。

注：通過(guò)化學(xué)反應(yīng)直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置稱(chēng)為化學(xué)電源，是本報(bào)告重點(diǎn)討論的范圍

電池分類(lèi)：一般可以根據(jù)能量轉(zhuǎn)化方式、電解液種類(lèi)、工作性質(zhì)和貯存方式、正負(fù)極材料等對(duì)電池進(jìn)行分類(lèi)。按照電池的工作性質(zhì)和貯存方式，可分為一次電池、二次電池、燃料電池、液流電池（一種可充電燃料電池）、貯備電池等。其中二次電池概念應(yīng)用較多，指可充放電反復(fù)多次循環(huán)使用的電池，如鉛酸蓄電池、鋰電池等。

電池結(jié)構(gòu)：一般由5個(gè)部分組成，包括由正負(fù)極、電解質(zhì)、隔膜和外殼。

（1）電極：分為正（Cathode）極和負(fù)（Anode）極，由活性物質(zhì)、導(dǎo)電骨架和添加劑等組成。其中，活性物質(zhì)參與電極反應(yīng)，決定電池基本特性。對(duì)于電極的基本要求是具有高比容量、不易與電解液反應(yīng)、材料便于獲得和制造。注：比容量指電池容量（一定放電條件下電池可放出的電量）與電池重量或體積的比。

（2）電解質(zhì)（Electrolyte）：正負(fù)極間用于傳遞電荷的載體，有液態(tài)、半固態(tài)和固態(tài)類(lèi)型，無(wú)論何種電解質(zhì)，都要求具有高電導(dǎo)率、成分穩(wěn)定、使用方便。

（3）隔膜（Separator）：位于正負(fù)極之間，用于傳遞電荷及防止正負(fù)極活性物質(zhì)直接接觸（將導(dǎo)致短路）的薄膜。隔膜需要具備一定的機(jī)械強(qiáng)度及抗彎曲能力，同時(shí)對(duì)電解質(zhì)離子運(yùn)動(dòng)的阻力越小越好，且自身具備化學(xué)穩(wěn)定性。

（4）外殼：即電池的容器，具有高機(jī)械強(qiáng)度、耐高低溫環(huán)境、能經(jīng)受電解質(zhì)腐蝕等特點(diǎn)。

工作原理：電池本身是一個(gè)電化學(xué)體系，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是有電荷轉(zhuǎn)移的氧化還原反應(yīng)。一般氧化還原反應(yīng)基本是同時(shí)在同一位置發(fā)生，而對(duì)于電池來(lái)說(shuō)，氧化還原反應(yīng)分別在兩個(gè)電極上發(fā)生，存在一定空間距離，這兩個(gè)反應(yīng)也被稱(chēng)為電池的半反應(yīng)。對(duì)于處于放電過(guò)程中的電池，陽(yáng)極（負(fù)極）發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極（正極）發(fā)生還原反應(yīng)，并根據(jù)下面的的半反應(yīng)方程式可以知道，在放電過(guò)程中電池的負(fù)極失去電子和離子，而在電池正極得到電子和離子。

2.電池誕生與演進(jìn)

電池誕生的驅(qū)動(dòng)本源：人類(lèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展提升對(duì)能量的需求，電能作為轉(zhuǎn)化各類(lèi)能量的中間載體被推廣普及，使用電池存儲(chǔ)和利用電能成為必然。

• 電能主要由一次能源驅(qū)動(dòng)電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生（除太陽(yáng)能發(fā)電的光伏電池技術(shù)和燃料電池發(fā)外），使用時(shí)再通過(guò)各類(lèi)電器設(shè)備轉(zhuǎn)為其他形式的能量加以利用。因此電能作為轉(zhuǎn)化各類(lèi)能量的中間載體，隨著人類(lèi)活動(dòng)對(duì)能量的需求提升而被推廣普及。
• 電能主要有三大類(lèi)存儲(chǔ)模式，除化學(xué)能存儲(chǔ)（電池）外還包括電磁能存儲(chǔ)、機(jī)械能存儲(chǔ)。電池因高效，便攜、低成本等特點(diǎn)，應(yīng)用最廣泛。

電池演進(jìn)過(guò)程：整體演進(jìn)過(guò)程遵循認(rèn)識(shí)電→利用電→伴隨便攜、重復(fù)使用的需求升級(jí)換代。

三、電池進(jìn)化的推動(dòng)力

需求端：生產(chǎn)力進(jìn)步提升了能量總量需求，電氣化滲透率加深豐富了能量使用場(chǎng)景，合力推動(dòng)電池性能、使用便捷度性的不斷升級(jí)。

供給端：電池作為一個(gè)工藝產(chǎn)品，其性能主要受基本原材料與制造工藝影響。

（1）材料：原材料的演進(jìn)基于電化學(xué)原理，主要為漸進(jìn)式革新模式，是由“量變”到“質(zhì)變”的過(guò)程。

• 質(zhì)變：破壞式創(chuàng)新，在電池的演進(jìn)過(guò)程中，科學(xué)家以元素周期表為基礎(chǔ)，挑選理論性能較好的元素開(kāi)展了大量的材料組合實(shí)驗(yàn)，以選取綜合性能最優(yōu)的材料。例如，在鋰元素應(yīng)用之前，歷史上經(jīng)歷了從銀鋅電池、銅鋅電池、鉛酸電池、鋅錳電池、鎳類(lèi)電池（鎳鎘電池、鎳鐵電池和鎳氫電池）等過(guò)程，最終形成目前的鋰離子電池體系。
• 量變：漸進(jìn)式創(chuàng)新，在確定的基礎(chǔ)技術(shù)框架內(nèi)進(jìn)行各組件的性能迭代升級(jí)，例如鋰電體系下，正負(fù)極材料以及隔膜、電解液持續(xù)優(yōu)化并互相適配。

（2）生產(chǎn)制造工藝：制造工藝的創(chuàng)新是在原材料基礎(chǔ)上進(jìn)行的框架式革新，即在特定的基礎(chǔ)材料限定下，進(jìn)行諸如工藝優(yōu)化，電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化等改進(jìn)。當(dāng)基礎(chǔ)材料發(fā)生顛覆性變革時(shí)，針對(duì)舊材料的特定制造工藝大概率會(huì)被完全取代，產(chǎn)生基于新材料的制造工藝，并與通用性工藝一同構(gòu)成新一代產(chǎn)品制造架構(gòu)。

• 工藝創(chuàng)新：在既有的材料體系下，進(jìn)行生產(chǎn)工藝的漸進(jìn)式優(yōu)化，如三元正極材料由低鎳轉(zhuǎn)向高鎳過(guò)程中，正極材料的煅燒制備、表面涂覆等工藝也隨之進(jìn)步；又例如，在電芯封裝過(guò)程中，同樣的材料，疊片工藝相比于卷繞工藝提升了電芯的性能。
• 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新：由于電池最終以系統(tǒng)的形式在終端應(yīng)用，因此在電芯既定的情況下，結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行系統(tǒng)層面的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新也可提升電池性能，如各電池廠商在動(dòng)力電池場(chǎng)景內(nèi)進(jìn)行的無(wú)模組結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，通過(guò)減少電池非發(fā)電組件的占比，提升電池整體的能量密度。

四、鋰電池

1.鋰電崛起的核心推動(dòng)因素

1.1需求側(cè)：雙碳目標(biāo)

基于環(huán)保及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)性升級(jí)需求，全球主導(dǎo)型經(jīng)濟(jì)體已就雙碳目標(biāo)達(dá)成了戰(zhàn)略共識(shí)，進(jìn)而催生了能源消費(fèi)電氣化、電力生產(chǎn)清潔化變革。具體體現(xiàn)為汽車(chē)新能源轉(zhuǎn)型，電力上游一次能源可再生化轉(zhuǎn)型等。

電池作為高效便攜的儲(chǔ)能載體，成為了上述產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型（尤其是移動(dòng)能源場(chǎng)景）重要的技術(shù)支撐載體。鋰電池綜合性能優(yōu)勢(shì)凸顯，也因此成為當(dāng)前應(yīng)用最廣的電池產(chǎn)品

• 電池?fù)碛谐?0%以上的能量轉(zhuǎn)換效率。
• 車(chē)載動(dòng)力由燃油驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)為電驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，一方面要求電驅(qū)動(dòng)具備與燃油驅(qū)動(dòng)同等程度的可用性，主要體現(xiàn)在動(dòng)力性、可靠性及經(jīng)濟(jì)性三方面；另外由于電驅(qū)動(dòng)與燃油驅(qū)動(dòng)原理存在本質(zhì)差異，因此也新增了安全性要求。鋰電池因可用性與安全性的綜合性能優(yōu)異，已成為動(dòng)力電池的長(zhǎng)期主流選擇。
• 隨著鋰電產(chǎn)業(yè)鏈逐步成熟，疊加規(guī)模效應(yīng)，鋰電需求在加速外溢，一方面替代鉛酸等傳統(tǒng)電池體系的存量市場(chǎng)，另一方面更是開(kāi)辟了儲(chǔ)能等全新的應(yīng)用場(chǎng)景。

1.2供給側(cè)：核心材料

供給側(cè)主要推動(dòng)因素來(lái)自電池材料的進(jìn)步。材料的研究過(guò)程遵循“量變積累-促成質(zhì)變-量變積累”的模式。當(dāng)前鋰電池所處的“有機(jī)電解液+嵌鋰化合物正極+碳基負(fù)極”體系是多年研發(fā)后的階段性產(chǎn)物，中短期內(nèi)材料層面的創(chuàng)新大多數(shù)將在這一體系內(nèi)進(jìn)行。

1.2.1基于科學(xué)發(fā)現(xiàn)的顛覆式創(chuàng)新

鋰的發(fā)現(xiàn)：鋰是金屬元素中電位最低的元素（-3.040V），能提供較高的電壓?；谶@一核心優(yōu)勢(shì)，圍繞鋰作為電池材料的研究開(kāi)始逐步展開(kāi)；此外，鋰還具備如下特點(diǎn)。

• 鋰源情況：鋰以硬巖鋰、鹵水鋰和海水鋰狀態(tài)存在。其中鹵水鋰本身已是游離態(tài)或者是游離的化合態(tài)，提取時(shí)可省掉開(kāi)采、破碎、粗級(jí)選礦流程，因此是目前主要的鋰源。
• 鋰的優(yōu)勢(shì)：除了低電位特點(diǎn)，鋰還是質(zhì)量最輕的金屬（相對(duì)原子質(zhì)量6.9，密度0.534g/cm3），等質(zhì)量條件下可提供更多的電子（更大的電勢(shì)差）；同時(shí)，鋰離子半徑小，更容易在電解液中移動(dòng)。
• 用鋰難點(diǎn)：鋰元素性質(zhì)太活潑，易于和水以及氧氣反應(yīng)，帶來(lái)安全問(wèn)題，導(dǎo)致鋰的保存、使用及加工需要較高的環(huán)境條件。

鋰電池體系的確定：現(xiàn)有的鋰電池體系在確立之前，其實(shí)經(jīng)歷了較長(zhǎng)時(shí)間的科研及產(chǎn)業(yè)驗(yàn)證過(guò)程，中途還不乏出現(xiàn)一些“彎路”。

• 電解液體系：由于鋰化學(xué)性質(zhì)活潑，因此學(xué)界最早在電解液的選取上達(dá)成了共識(shí)，即需要采用非水電解質(zhì)體系。最終在1958年，由伯克利的哈里斯確立了有機(jī)電解液這一體系，并沿用至今。
• 正極材料確定：從上帝視角看，一開(kāi)始在確立正極材料時(shí)產(chǎn)學(xué)界其實(shí)走了很大的“彎路”，因?yàn)橄嚓P(guān)正極材料的研究都是以鋰金屬作為負(fù)極而展開(kāi)的，而在有機(jī)液體+電解質(zhì)框架下，鋰金屬電池的安全性始終無(wú)法解決。

因此我們可以看到，雖然從1970開(kāi)始Sanyo、Panasonic、Exxon Mobil、Moli Energy等公司相繼開(kāi)發(fā)了各類(lèi)型不同正極材料的鋰金屬電池并最終實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，但最終還是以NEC（收購(gòu)了Moli Energy）宣布永久放棄將金屬鋰負(fù)極用于可充電電池路線(xiàn)為標(biāo)志，大多數(shù)企業(yè)停止了對(duì)鋰金屬電池的開(kāi)發(fā)。

但需要說(shuō)明的是，即便是走了“彎路”，在過(guò)程中所積累的階段性成果（量變）也為后續(xù)及未來(lái)鋰電池的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。如1972年，Whittingham在發(fā)明鋰離子原電池的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了鋰金屬二次電池，對(duì)鋰離子嵌入與脫嵌反應(yīng)機(jī)制給出了很好的解釋?zhuān)?983年，Peled等人提出“固態(tài)電解質(zhì)界面膜”（solid electrolyte interphase，簡(jiǎn)稱(chēng)SEI）模型，證實(shí)了SEI對(duì)鋰電池可逆性與循環(huán)壽命的關(guān)鍵性影響等。

備注：金屬鋰負(fù)極有嚴(yán)重的鋰枝晶問(wèn)題。對(duì)鋰電池來(lái)說(shuō)，放電時(shí)鋰會(huì)被氧化成離子進(jìn)入電解質(zhì)最終抵達(dá)正極；重新充電時(shí)，這些鋰離子會(huì)獲得電子再沉積到鋰金屬負(fù)極的表面。但是鋰在電極上的沉積速度不一樣，因此金屬鋰不會(huì)均勻的覆蓋在電極表面，而是會(huì)在沉積的過(guò)程中形成樹(shù)枝狀的晶體。枝晶生長(zhǎng)得過(guò)長(zhǎng)就會(huì)折斷，不再參與反應(yīng)（死鋰），給電池體系帶來(lái)不可逆的容量損失；有學(xué)者認(rèn)為，長(zhǎng)大的枝晶會(huì)刺破電池正負(fù)極之間的隔膜，造成短路，埋下電池過(guò)熱自燃或爆炸的安全隱患。不過(guò)最新有研究顯示，枝晶不一定會(huì)刺破隔膜，其樹(shù)狀結(jié)構(gòu)因?yàn)槟承C(jī)理會(huì)使得電池臨界溫度大為降低（即在不刺破隔膜的情況下），從而使熱失控更容易發(fā)生。

負(fù)極材料確定，及配套對(duì)應(yīng)的正極材料：為了提高電池安全性，直觀邏輯是用其他化合物替代鋰金屬作為負(fù)極，但隨之而來(lái)的是電池電勢(shì)差下降（其他類(lèi)型化合物電勢(shì)高于鋰金屬），進(jìn)而使得電池能量密度下降。因此需要對(duì)應(yīng)開(kāi)發(fā)高壓正極與配套電導(dǎo)率和耐熱性較好的電解液，由于相關(guān)研發(fā)工作挑戰(zhàn)較大，鋰金屬二次電池研究停滯不前，最終業(yè)界開(kāi)始探索其他方案，即分別在負(fù)極層面、電解液層面進(jìn)行改進(jìn)。

鋰離子電池未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)：2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了Goodenough、Whittingham和吉野彰三人，以表彰他們對(duì)鋰離子電池研發(fā)的卓越貢獻(xiàn)，目前受制于鋰離子電池原理的限制，現(xiàn)有體系的鋰離子電池能量密度已經(jīng)從每年7%的增長(zhǎng)速率下降到2%，并正在逐漸逼近其理論極限。與之相反，隨著社會(huì)進(jìn)步，人們對(duì)便攜、清潔生活的需求更加強(qiáng)烈，這種反差勢(shì)必會(huì)催生下一代科學(xué)發(fā)現(xiàn)新的材料體系，實(shí)現(xiàn)新一輪的破壞式創(chuàng)新。

1.2.2既定框架下的漸進(jìn)式創(chuàng)新

在確定體系框架下（嵌鋰正極、有機(jī)電解液及石墨負(fù)極），鋰離子電池產(chǎn)業(yè)進(jìn)行漸進(jìn)式創(chuàng)新過(guò)程。材料層面，主要以正負(fù)極材料變革為主，電解液、隔膜以及輔件隨兩極材料的更替或圍繞能量密度，安全性等指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。以時(shí)間跨度劃分短中長(zhǎng)時(shí)期，鋰離子電池將開(kāi)啟不同的創(chuàng)新歷程。

• 短期：正極主導(dǎo)依舊是NCM及LFP，但將迎來(lái)豐富的改性和組分變動(dòng)。NCM趨勢(shì)是高鎳低鈷/無(wú)鈷，LFP則與錳等結(jié)合提高電壓。此外，二者混裝可綜合提高系統(tǒng)性能。
• 中期：以核心能量密度指標(biāo)為參照，當(dāng)能量密度≥350-400Wh/kg，液態(tài)體系下正極富鋰錳基、高電壓正極等是可行的方向；負(fù)極則依賴(lài)硅基負(fù)極及其改性或組分變動(dòng)材料。
• 長(zhǎng)期：對(duì)能量密度的追求終將驅(qū)使電池體系由液到固的轉(zhuǎn)變，固態(tài)電解質(zhì)高安全特質(zhì)可支持配套材料的顛覆式改進(jìn)（負(fù)極由嵌鋰改為金屬鋰），極大提升能量密度。顛覆也體現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)層面，全固態(tài)電池最終將改變電解質(zhì)、隔膜行業(yè)，但在中短期內(nèi)，成熟的正負(fù)極配合混合固液的模式更靠近產(chǎn)業(yè)化，因此有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)與隔膜仍有應(yīng)用空間。

2.鋰電池的演進(jìn)路線(xiàn)：性能與成本

同所有新技術(shù)一樣，鋰電池在解決可用性問(wèn)題后，核心將圍繞產(chǎn)品性能提升與降本兩大主線(xiàn)開(kāi)展改進(jìn)升級(jí)，匹配現(xiàn)有動(dòng)力電池市場(chǎng)需求的同時(shí)提高在其他行業(yè)（如儲(chǔ)能）的競(jìng)爭(zhēng)力。

2.1性能

電池的主要性能維度有能量密度、功率密度、循環(huán)壽命、安全等，其中安全性是電池性能的底線(xiàn)。各個(gè)性能的演進(jìn)與下游需求高度耦合，但由于材料物化規(guī)律的限制，性能之間存在內(nèi)在的提效沖突，因此便衍生出針對(duì)性提高某一性能的電池產(chǎn)品，如能量型/功率型等。

高能量密度：是電池演進(jìn)的核心主線(xiàn)。電池的能量密公式可簡(jiǎn)括為=比容量A·h/kg*正極活性材料質(zhì)量kg*平臺(tái)電壓V/總重量kg=A*V*h/kg=Wh/kg，可見(jiàn)一定范圍內(nèi)，電動(dòng)勢(shì)及活性物質(zhì)比容量與能量密度線(xiàn)性相關(guān)，即電池的理論能量密度上限已由材料的理化特性決定。

• 一般來(lái)說(shuō)，元素周期表中靠左的元素電極電位偏負(fù)，而靠右元素電極電位偏正?；诖丝蓸?gòu)造多個(gè)理論層面高電勢(shì)差（比能）的電池體系。但實(shí)際上，限于單質(zhì)的理化性能（常溫下活性小、易揮發(fā)、毒性），往往采用對(duì)應(yīng)化合物代替，實(shí)際能量密度有所下降。
• 鋰離子電池的比能在30年內(nèi)由80Wh/kg提升至300Wh/kg，逐漸靠近傳統(tǒng)鋰電材料理論極限，提效幅度邊際下降。

高倍率性能：倍率C指電池在給定時(shí)間h內(nèi)放出/達(dá)到額定容量A·h所需的電流A大小，如一只10A·h的電池，2C放電對(duì)應(yīng)放電電流為2×10=20A，對(duì)應(yīng)放電時(shí)率0.5h。倍率性能體現(xiàn)為不同倍率充放電時(shí)，電池所表現(xiàn)的容量大小、保持率和恢復(fù)能力。高倍率條件下電能充放更加迅速，但也會(huì)導(dǎo)致電池極化作用增強(qiáng)，使得電壓下降，最終導(dǎo)致比能量降低（因此功率與能量不可兼得）。同時(shí)也對(duì)電池壽命、安全性帶來(lái)挑戰(zhàn)。

• 倍率性能是車(chē)載領(lǐng)域的重要指標(biāo)，其通過(guò)影響電池輸出功率來(lái)影響最高時(shí)速、加速、爬坡及快充等性能。
• 為解決長(zhǎng)時(shí)間高倍率充放對(duì)電池的負(fù)面影響，當(dāng)前采取“換電模式”作為一種折中解決方式，而長(zhǎng)期視角下還應(yīng)關(guān)注開(kāi)放式電池如燃料電池體系的開(kāi)發(fā)。
• 高倍率性能落實(shí)到具體參數(shù)上，主要在正負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)尺寸、比表面積、導(dǎo)電性、孔隙率和電解質(zhì)的傳導(dǎo)能力、穩(wěn)定性等方面，因此可以通過(guò)材料改性來(lái)改善倍率性能。

長(zhǎng)循環(huán)壽命：電池放電至規(guī)定殘余容量時(shí)所經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)，即為電池使用周期（壽命）。影響循環(huán)次數(shù)的主要因素主要有1）制造過(guò)程，包括材料選取、工藝；2）使用方式方法：包括充放電溫度、電流密度、放電深度等。各種因素對(duì)電極以及隔膜在微觀層面造成影響（極化、腐蝕、短路、活性物質(zhì)脫落轉(zhuǎn)移），進(jìn)而影響壽命。

高安全性能：電池安全性受材料、工藝、系統(tǒng)管理共同影響。材料是安全性的基礎(chǔ)，物化缺陷明顯的材料后期很難更改（鉛酸電池，鋰金屬電池）；工藝層面，安全性受規(guī)?；a(chǎn)時(shí)材料/配件加工的良率及一致性水平影響明顯（加工中的極板毛刺，包覆鼓脹）；系統(tǒng)層面體現(xiàn)為配套管理系統(tǒng)的精細(xì)化程度，以及與具體應(yīng)用場(chǎng)景的適配程度。

2.2成本

電池成本主要由上游原材料、輔件，固定資產(chǎn)投入及人工運(yùn)營(yíng)費(fèi)用等構(gòu)成，在不同產(chǎn)業(yè)階段降本主線(xiàn)不同。

• 產(chǎn)業(yè)初期，降本核心驅(qū)動(dòng)為整體產(chǎn)業(yè)規(guī)模化降本，具體包括完善供應(yīng)鏈，降低制造成本，降低原材料成本等，使得電池在部分領(lǐng)域率先開(kāi)始商業(yè)化應(yīng)用，并進(jìn)行技術(shù)與生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的積累。
• 產(chǎn)業(yè)發(fā)展期，在確定的體系框架下，材料迭代推動(dòng)電池進(jìn)一步降本，電池性?xún)r(jià)比逐步凸顯。此時(shí)活性材料成本占電池總成本的百分比較高，材料降本開(kāi)始成為主要的降本驅(qū)動(dòng)力，即在提高能量密度的同時(shí)，降低活性材料成本（量、價(jià)兩個(gè)層面）。
• 產(chǎn)業(yè)步入成熟階段，既有的材料降本雖在持續(xù)進(jìn)行，但其邊際效用逐年遞減，降本主線(xiàn)在工藝層面展開(kāi)，主要包括提高產(chǎn)品良率、提高產(chǎn)品一致性、提高制造效率以及降低制造能耗等。
• 另外同我國(guó)部分新興科技產(chǎn)業(yè)一樣，國(guó)產(chǎn)化替代也是我國(guó)鋰電產(chǎn)業(yè)降本路線(xiàn)之一。

3.鋰電池演進(jìn)路徑

3.1材料層面

電芯的活性材料是發(fā)揮功能的基礎(chǔ)。目前在材料層面主要有兩種開(kāi)發(fā)路徑，一是開(kāi)展材料改性，方式主要有降低尺寸、復(fù)合結(jié)構(gòu)、摻雜和功能化、形態(tài)控制、涂覆和封裝、電解質(zhì)改性等；二是研發(fā)新型電芯材料，如硫正極、硅負(fù)極、固態(tài)電解質(zhì)等。

電芯活性材料外的其他材料、輔件也有一定程度的材料開(kāi)發(fā)。

3.1.1正極：提升能量密度

正極一般為含鋰的過(guò)渡金屬氧化物（Co、Ni、Mn）或聚陰離子化合物，是電池發(fā)揮性能的基石之一。正極微觀構(gòu)造主要可分為層狀、尖晶石和聚陰離子型三類(lèi)。其開(kāi)發(fā)目標(biāo)主要為提升能量密度，過(guò)程中疊加其他性能的逐步改善，正極能量密度呈螺旋式上升的狀態(tài)。

1）正極材料的應(yīng)用現(xiàn)狀：正極材料發(fā)展至今，主要經(jīng)歷了鈷酸鋰LCO，錳酸鋰LMO/磷酸鐵鋰LFP及鎳鈷錳NCM/鎳鈷鋁NCA三個(gè)階段。LCO至今應(yīng)用于3C領(lǐng)域，但因壽命短、安全差及鈷價(jià)較高等原因，未在動(dòng)力電池領(lǐng)域應(yīng)用；相比之下，LMO與LFP提升了壽命與安全性，滿(mǎn)足了動(dòng)力電池的使用要求；NCM/NCA進(jìn)一步提高了能量密度，但犧牲了部分安全性與壽命性能。

• 關(guān)于NCM（LiNixCoyMn1-x-yO2）：鎳、鈷、錳有不同的性能特點(diǎn)，因此可通過(guò)調(diào)節(jié)配比調(diào)控NCM性能。各元素性能可簡(jiǎn)單概括為：鎳與能量密度性能正相關(guān)，與循環(huán)性負(fù)相關(guān)；鈷與倍率及循環(huán)性正相關(guān)，與成本負(fù)相關(guān)；錳與安全性正相關(guān)，與能量密度負(fù)相關(guān)。當(dāng)以能量密度為核心應(yīng)用目標(biāo)時(shí)，NCM走向高鎳化趨勢(shì)（N配比80%或更高），降本同時(shí)犧牲了熱穩(wěn)定性，因此也不得不在輔件/系統(tǒng)層面進(jìn)行熱管理提效相關(guān)的改進(jìn)。
• 關(guān)于安全性：LFP高安全性的本質(zhì)為其晶體結(jié)構(gòu)中P-O鍵非常的穩(wěn)固，分解溫度約600℃，且無(wú)氧氣產(chǎn)生，因此不像LCO易結(jié)構(gòu)崩塌或被氧化，或是NCM200~300℃即分解并釋氧加速燃燒。

2）正極材料發(fā)展趨勢(shì)：主線(xiàn)趨勢(shì)還是提高能量密度。主要路徑有提高比容和工作電壓兩條線(xiàn)，對(duì)應(yīng)到材料為NCM高鎳化，富鋰化，高壓正極。從短、中、長(zhǎng)期視角來(lái)看應(yīng)用趨勢(shì)如下：

a.短期（1-2年），高鎳正極產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展最快，仍需關(guān)注安全性等方面的改善?！案哝嚒辨嚭吭?.6及以上，高鎳化過(guò)程是不斷調(diào)整Ni與Mn/Al配比的過(guò)程，最終目標(biāo)是“無(wú)鈷化”。

高鎳化的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)主要有：

• 優(yōu)勢(shì)：1）提升正極比容：隨Ni含量增加，材料實(shí)際放電比容量可由NCM111的~150mAh/g提高到NCM811的~200mAh/g以上；2）降本：按容百招股書(shū)披露數(shù)據(jù)顯示，金屬鈷價(jià)20~30美元/磅（30~46萬(wàn)元/噸）假設(shè)下，NCM811較NCM523的單位容量成本降低8%-12%。
• 挑戰(zhàn)：1）高鎳犧牲了安全性，對(duì)電池設(shè)計(jì)、制造要求更高，導(dǎo)致早期產(chǎn)品良率較低；2）理化性質(zhì)較低鎳差異較大，材料選用，設(shè)備及環(huán)境方面的配置變動(dòng)抬升了材料、工藝及資本層面的進(jìn)入門(mén)檻，行業(yè)集中度較高。

高鎳化帶來(lái)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)，催生晶型單晶化。單晶相比多晶，顆粒直徑更?。?0μm→2~5μm），晶粒一次性成型且取向一致，因此結(jié)構(gòu)更為致密，具有更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐高溫性能。短期內(nèi)因技術(shù)水平限制，單晶高鎳量產(chǎn)規(guī)模不大，單晶中鎳高壓是比較現(xiàn)實(shí)的商用過(guò)渡型產(chǎn)品，目前已有具體應(yīng)用案例（蔚來(lái)100kWh Ni55電池）。

高鎳化商用需要技術(shù)與產(chǎn)業(yè)鏈共同支持，因此出貨廠商主要為一線(xiàn)電池廠商。CATL、LG化學(xué)、松下（NCA）、SKI等是主要的高鎳電池供應(yīng)商。2021年預(yù)測(cè)CATL高鎳裝機(jī)占其三元/總體比例~29.6%/16.3%。

高鎳邁向“無(wú)鈷”的關(guān)鍵在于“代鈷”元素的引入。特斯拉Jeff Dahn研究發(fā)現(xiàn)，高鎳化后鈷的作用較小，因此廉價(jià)元素取而代之便成為可能。當(dāng)前“代鈷”元素主要以鋁Al為主（實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)良好），通過(guò)離子摻雜技術(shù)等改性方式實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)品以NCMA，NMA為主。

b.中期（3-5年），富鋰錳基、高電壓正極等更滿(mǎn)足比能要求，但需克服其他組分匹配問(wèn)題。中期路線(xiàn)主要引入了Mn及其氧化物，包括富鋰錳基、鎳錳酸鋰（LNMO）、磷酸錳鐵鋰LMFP等。

富鋰錳基材料可以看作是由Li2MnO3（LMO）與NCM兩種層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合而成的材料。“富鋰”指該材料相比傳統(tǒng)正極材料，能可逆地脫嵌出更多的鋰，因而具有高的理論比容量（280→320~350mAh/g），且成本與LFP接近。但由于富鋰錳基結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加了材料機(jī)理研究的難度，同時(shí)倍率、安全性及循環(huán)性能差，阻礙了商業(yè)化應(yīng)用。另外，富鋰錳基材料雖然具備4.5V高電壓平臺(tái)，但工作時(shí)陽(yáng)離子易遷移及發(fā)生重排，導(dǎo)致晶格塌陷，進(jìn)而電壓發(fā)生一定程度的下降。

LMFP通過(guò)摻雜Mn到LFP內(nèi)形成，具備4.1V高電壓平臺(tái)。但由于Mn3/4價(jià)陽(yáng)離子氧化還原電位在4V左右，與電壓平臺(tái)接近，導(dǎo)致Li+嵌入和脫出時(shí)Mn3/4價(jià)陽(yáng)離子發(fā)生氧化-還原反應(yīng)，使得晶體結(jié)構(gòu)變化，電池循環(huán)性能下降。

LNMO基于LMO發(fā)展而來(lái)，Ni與Mn含量1:1時(shí)形成的LNMO具備4.7V高電壓平臺(tái)，且比容量與LCO相近，使得理論能量密度超過(guò)500Wh/kg。同時(shí)由于電壓平臺(tái)高于Mn離子氧化還原電位，無(wú)LMFP結(jié)構(gòu)變化問(wèn)題，材料循環(huán)穩(wěn)定性較好。但由于制備過(guò)程中內(nèi)部存在大量鋰鎳混排以及較多雜質(zhì)，實(shí)際難以獲得高的電池活性，增加了產(chǎn)業(yè)化難度。目前商用LNMO產(chǎn)品有蜂巢能源的NMx系列。

c.長(zhǎng)期（8-10年），正極無(wú)鋰化，將對(duì)傳統(tǒng)電池體系帶來(lái)革新。在上文“性能主線(xiàn)”部分我們提到能量密度上限由物質(zhì)理化特性決定，理論層面正極的最高階是無(wú)鋰正極，即元素周期表右上方元素（電化當(dāng)量小、電極電位高），如F、Cl、O、S等。該類(lèi)元素作為正極具備高比能，還因其能通過(guò)可逆化學(xué)轉(zhuǎn)換反應(yīng)機(jī)理與金屬鋰負(fù)極發(fā)生反應(yīng)（而非傳統(tǒng)的嵌入脫出機(jī)理），相關(guān)轉(zhuǎn)化反應(yīng)下可充分利用材料所有的化合價(jià)，因而循環(huán)過(guò)程交換電子多，電池電壓高。根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算篩選出低成本、低毒、比能＞1200Wh/kg的部分無(wú)鋰正極有過(guò)渡金屬氟化物、硫化物和氧化物。以現(xiàn)有電池工藝和固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)，電池能量密度預(yù)計(jì)可達(dá)1000-1600Wh/kg和1500-2200Wh/L。

在無(wú)鋰正極產(chǎn)業(yè)化之路上，硫基正極因高比能低成本（指單質(zhì)硫成本）成為開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2009-2020年2月，全球與鋰硫電池相關(guān)的文章發(fā)表數(shù)量突破5000件以上，主要由中國(guó)、美國(guó)和韓國(guó)貢獻(xiàn)。但鋰硫電池的研究結(jié)果更多停留在實(shí)驗(yàn)室層面，一方面是電池循環(huán)性等性能指標(biāo)較差，研發(fā)工作還遠(yuǎn)未結(jié)束。另一方面是產(chǎn)業(yè)化面臨成本控制及工藝積累的挑戰(zhàn)，

3.1.2負(fù)極：提高比容量

負(fù)極是儲(chǔ)鋰主體，選用時(shí)遵循比容高、電勢(shì)低、循環(huán)性能好、兼容性強(qiáng)、穩(wěn)定性好與價(jià)格低廉等原則。

1）負(fù)極材料的應(yīng)用現(xiàn)狀：目前應(yīng)用最廣的負(fù)極材料為碳系負(fù)極，包括天然石墨、人造石墨與無(wú)序碳等。碳系材料的儲(chǔ)鋰機(jī)制為嵌入型，即材料微觀結(jié)構(gòu)具備一定的冗余空間，鋰離子通過(guò)嵌入脫出來(lái)完成充放電循環(huán)過(guò)程。

• 碳基材料種類(lèi)較多，差異主要體現(xiàn)在比容與首次效率：天然石墨成本低，但首效與倍率性能稍弱，主要應(yīng)用于消費(fèi)類(lèi)電池。人造石墨通過(guò)前驅(qū)體、改性等工序改善了天然石墨的表面缺陷，開(kāi)始規(guī)模化應(yīng)用于動(dòng)力電池，出貨量占所有負(fù)極材料比例已超80%。
• 鈦酸鋰儲(chǔ)鋰機(jī)制同碳基材料，目前有小規(guī)模應(yīng)用：鈦酸鋰（Li4Ti5O12）為尖晶石型構(gòu)造，循環(huán)穩(wěn)定性高，安全性能優(yōu)勢(shì)突出，但也有克容量低、倍率性能差等劣勢(shì)，且成本較高，在公共交通領(lǐng)域有一定應(yīng)用。

2）負(fù)極材料發(fā)展趨勢(shì)：我們預(yù)計(jì)在短期內(nèi)，碳材料仍然是重要的負(fù)極載體。未來(lái)中短期以至長(zhǎng)期，基于不同的儲(chǔ)鋰機(jī)制，碳硅負(fù)極，硅負(fù)極，金屬鋰負(fù)極將開(kāi)始嘗試應(yīng)用，其可用性一方面依賴(lài)自身的技術(shù)進(jìn)步，同時(shí)也需要其他體系如正極，電解質(zhì)的同步迭代來(lái)配合支撐。

• 負(fù)極材料儲(chǔ)鋰機(jī)制分為3種類(lèi)型，包括嵌入型、合金化型和轉(zhuǎn)化型。嵌入型負(fù)極材料通過(guò)將鋰離子嵌入其層間隙進(jìn)行儲(chǔ)鋰，合金化型負(fù)極材料通過(guò)與鋰離子發(fā)生合金化反應(yīng)進(jìn)行儲(chǔ)鋰，轉(zhuǎn)化型負(fù)極材料通過(guò)與鋰離子發(fā)生可逆的氧化還原反應(yīng)進(jìn)行儲(chǔ)鋰。
• 碳系材料儲(chǔ)鋰機(jī)制為嵌入型，比容上限~372mAh/g，現(xiàn)有市場(chǎng)高端產(chǎn)品已達(dá)360-365mAh/g，接近理論上限。此外，碳系材料嵌鋰電位0.05V，循環(huán)時(shí)難以解決鋰枝晶問(wèn)題。負(fù)極行業(yè)替碳需求驅(qū)動(dòng)較強(qiáng)。
• 硅基儲(chǔ)鋰機(jī)制為合金型，比容上限提升可達(dá)11倍。由于新生成的合金化合物體積增大，在循環(huán)時(shí)會(huì)造成負(fù)極材料的膨脹與收縮（320%形變，對(duì)應(yīng)碳基僅12%），進(jìn)而影響循環(huán)穩(wěn)定性甚至負(fù)極失效。另外硅基與其他材料也存在耦合問(wèn)題，導(dǎo)致其導(dǎo)電性及初始活性等性能也較差?？傮w上便阻礙了硅基材料的應(yīng)用。

為解決上述問(wèn)題，產(chǎn)業(yè)層面對(duì)硅基負(fù)極進(jìn)行了改性處理，針對(duì)性解決1）膨脹問(wèn)題：硅氧化、納米化；2）首效問(wèn)題：預(yù)鋰化、補(bǔ)鋰添加劑；3）膨脹、導(dǎo)電與活性的綜合問(wèn)題：復(fù)合化（主要是碳硅復(fù)合）、多孔化、合金化。

• 長(zhǎng)期來(lái)看，金屬鋰負(fù)極因高比容低電位而具有應(yīng)用潛力，但還需要較長(zhǎng)時(shí)間解決其固有缺陷，如鋰枝晶帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)等。產(chǎn)學(xué)界預(yù)測(cè)在中短期內(nèi)，金屬鋰負(fù)極還是以示范、細(xì)分領(lǐng)域應(yīng)用為主，未來(lái)5~10年內(nèi)漸進(jìn)式演進(jìn)后逐步進(jìn)入動(dòng)力電池領(lǐng)域。

3.1.3電解質(zhì)：耦合電極體系優(yōu)化。

目前電解質(zhì)為有機(jī)液態(tài)，主要由溶質(zhì)、溶劑及添加劑組成。因下游需求不同形成多元的電解質(zhì)產(chǎn)品。主流電解質(zhì)產(chǎn)品基本定型，短期內(nèi)貼合下游應(yīng)用場(chǎng)景變化進(jìn)行針對(duì)性改良；長(zhǎng)期將完成由液態(tài)、半固態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變，大幅提升電池安全性。

1）電解液應(yīng)用現(xiàn)狀

• 溶質(zhì)：成分為鋰鹽，核心參數(shù)主要有離子遷移率、離子對(duì)解離能力、溶解性、熱穩(wěn)定性等。當(dāng)下LiPF6（簡(jiǎn)稱(chēng)“六氟”）是主流溶質(zhì)產(chǎn)品，成膜性能較優(yōu)、電化學(xué)窗口寬且污染小，但也具有低溫下易結(jié)晶、熱穩(wěn)定性差且對(duì)水敏感等缺陷。當(dāng)前正在開(kāi)展LIFSI（簡(jiǎn)稱(chēng)“雙氟”）的應(yīng)用嘗試，雙氟溫區(qū)大于六氟，且循環(huán)壽命、放電倍率及安全性更好。
• 溶劑：主要為酯類(lèi)有機(jī)物，主流溶劑有環(huán)狀碳酸脂（TFPC、PC、EC）、線(xiàn)性碳酸脂（DMC、DEC），新型溶劑有羧酸酯、亞硫酸酯等。其中環(huán)狀碳酸脂類(lèi)溶劑介電常數(shù)很高，粘度較大，線(xiàn)性指標(biāo)相反。由于單一材料各有優(yōu)劣，應(yīng)用時(shí)一般混合多種溶劑使用。
• 添加劑：局部改善電解液性能。根據(jù)用途可分為為成膜添加劑、電解液穩(wěn)定劑、阻燃添加劑、導(dǎo)電添加劑、防過(guò)充添加劑和其他添加劑等。成膜添加劑應(yīng)用普遍，其主要功能為在首次充放電時(shí)可率先在負(fù)極形成SEI層，從而改善電池性能。

2）電解質(zhì)發(fā)展趨勢(shì)：全固態(tài)鋰電池技術(shù)趨勢(shì)下，電解質(zhì)將逐漸完成液態(tài)、半固態(tài)、固態(tài)的轉(zhuǎn)變。固態(tài)電解質(zhì)具備高電化學(xué)穩(wěn)定窗口（5V以上）、高機(jī)械強(qiáng)度、阻燃性高、不揮發(fā)、易封裝等優(yōu)點(diǎn)，可大幅提高電池能量密度及安全性。但應(yīng)用挑戰(zhàn)在于固態(tài)形式下，電解質(zhì)導(dǎo)電率低，界面阻抗高，產(chǎn)學(xué)界往往采用漸近式路線(xiàn)開(kāi)發(fā)。

• 固態(tài)電解質(zhì)分類(lèi)：當(dāng)前研發(fā)方向主要有聚合物型（polymer）、無(wú)機(jī)型（inorganic）、和有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合型（composite）三種。其中1）聚合物型：由聚合物基質(zhì)和鋰鹽組成，相比于無(wú)機(jī)型柔順性、成膜性更好且質(zhì)量較輕，但導(dǎo)電率更低；2）無(wú)機(jī)型：主要有氧化物、硫化物兩類(lèi)。氧化物路線(xiàn)導(dǎo)電率、電化學(xué)窗口較高，但需要額外包覆等工序防止其被Li還原；硫化物電導(dǎo)率相對(duì)更高，且更易加工，但硫本身易被氧化，導(dǎo)致其電化學(xué)窗口窄，生產(chǎn)環(huán)境要求高；3）有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合型：在聚合物型內(nèi)添加無(wú)機(jī)粒子（提高導(dǎo)電性能）。

3.1.4隔膜：更輕薄、穩(wěn)定

隔膜是隔離正負(fù)極（防止短路）且保證離子正常通過(guò)的聚合物薄膜。其性能直接影響電池安全性，同時(shí)一定程度上影響能量密度、循環(huán)性能、充放電電流密度等指標(biāo)。膜材料產(chǎn)業(yè)十分成熟。中短期內(nèi)主要進(jìn)行輕薄化迭代，同時(shí)配合電池功率的提升對(duì)應(yīng)開(kāi)發(fā)耐高溫材料。長(zhǎng)期存在被固態(tài)電解質(zhì)替代可能性。

1）隔膜應(yīng)用現(xiàn)狀：目前商業(yè)化膜材料以聚烯烴為主，包括聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚丙烯和聚乙烯復(fù)合材料等。隔膜行業(yè)上游材料為主流化工產(chǎn)品，產(chǎn)品性能受工藝影響較大（而非材料本身）。其中，加工工藝分為干法和濕法兩類(lèi)，其中濕法隔膜一致性、強(qiáng)度等指標(biāo)優(yōu)異，主要應(yīng)用于中高端電動(dòng)汽車(chē)、中高端消費(fèi)電子等領(lǐng)域。

• 濕法隔膜：濕法隔膜生產(chǎn)工藝更復(fù)雜（技術(shù)門(mén)檻高）、成本更高。需要先通過(guò)混合-萃取制備儲(chǔ)基膜（熱穩(wěn)定性與吸液性較差），再進(jìn)行涂覆處理，包括有無(wú)機(jī)-有機(jī)復(fù)合改性、有機(jī)-有機(jī)復(fù)合改性?xún)深?lèi)路徑。由于多種材料不同排列組合后產(chǎn)品性能各異，因此實(shí)際生產(chǎn)時(shí)往往會(huì)將不同漿料進(jìn)行混合涂覆，核心knowhow體現(xiàn)在漿料配方及混合配比中。

2）隔膜發(fā)展趨勢(shì)：在保障安全性的基礎(chǔ)上，隔膜一方面將進(jìn)一步趨于輕薄化，以提升能量密度。另一方面將開(kāi)發(fā)熱穩(wěn)定性材料，以滿(mǎn)足高功率動(dòng)力電池對(duì)安全性的要求。長(zhǎng)期來(lái)看，液態(tài)鋰電將長(zhǎng)時(shí)間存在，半固態(tài)電池仍需隔膜應(yīng)用。未來(lái)5~10年內(nèi)固態(tài)電池取得顛覆性進(jìn)步后，在部分場(chǎng)景下將不再需要隔膜。

3.2工藝層面：材料規(guī)則下的邊際改善

工藝技術(shù)迭代是在既定材料體系約束下的一個(gè)邊際改善的過(guò)程。電池生產(chǎn)制造流程環(huán)節(jié)眾多，各環(huán)節(jié)工藝優(yōu)化需要遵循底層材料原理，同時(shí)與環(huán)節(jié)上下游進(jìn)行耦合、適配。

電芯制造是電池工藝的核心，核心挑戰(zhàn)為高效高一致性的產(chǎn)出。電芯生產(chǎn)環(huán)節(jié)主要可細(xì)分為前中后三段流程。

1）前段工序：極片制造過(guò)程。對(duì)生產(chǎn)環(huán)境要求高，需要控溫、控濕、無(wú)塵。其中最關(guān)鍵環(huán)節(jié)為涂布工序，即將攪拌后的正負(fù)極材料均勻地涂在金屬箔片上并烘干成正、負(fù)極片。涂布工序核心設(shè)備為涂布機(jī)，其涂布速度、涂布重量與厚度的一致性、涂層與基層的粘接性直接影響電芯性能。

核心涂布技術(shù)：分為干法、濕法兩類(lèi)。干法在提效降本的同時(shí)，還能兼容下一代材料技術(shù)，應(yīng)用潛力較大，但限于極片脫粉與專(zhuān)用設(shè)備匹配問(wèn)題，干法技術(shù)未規(guī)模化推廣。

• 濕法技術(shù)：通過(guò)粘合溶劑對(duì)電極粉末進(jìn)行粘結(jié)、涂覆、烘干，需要配備價(jià)格昂貴的電極涂布機(jī)，且溶劑有毒且難回收。
• 干法技術(shù)：以特斯拉Maxwell干法技術(shù)為例，主要分3個(gè)流程（粘結(jié)劑與電極粉末混合、擠出成膜、熱壓成型）。由于干電極具有更高的壓實(shí)密度，同時(shí)更易于負(fù)極補(bǔ)鋰，因此可以較大提高電池能量密度（已實(shí)現(xiàn)300Wh/kg，目標(biāo)500Wh/kg）以及提高循環(huán)壽命（~2倍）。同時(shí)，由于省去了溶劑材料及涂布、烘干等工序，理論降本10~20%。另外，干電極對(duì)高鎳正極、硅基負(fù)極等新型材料體系有較好的適配性。高鎳正極對(duì)濕度、粘結(jié)劑敏感，干法適配性較好；硅基負(fù)極預(yù)鋰化過(guò)程中體積膨脹，干法相對(duì)承受能力更強(qiáng)。

2）中后段工序：極片裝配與電芯封裝過(guò)程。中后段工序的核心流程為將極片、隔膜壓實(shí)整合形成電芯主體，該流程影響電芯產(chǎn)出的一致性，主要分為卷繞與疊片兩種路徑，各有優(yōu)缺點(diǎn)及工藝優(yōu)化空間。

• 卷繞：顧名思義，即將極片與隔膜通過(guò)卷繞的方式整合。卷繞技術(shù)成熟，效率高，符合產(chǎn)業(yè)初期規(guī)模化擴(kuò)張需求。但卷繞過(guò)程中，電芯存在多處彎折區(qū)域和集流體焊接區(qū)域，一方面使得內(nèi)部空間利用率低，并且會(huì)有卷繞張力的不均勻和形變等現(xiàn)象。方形和圓柱電池適用卷繞。
• 疊片：典型為“Z”字形疊片（也有卷繞式疊片），即讓隔膜以“Z”字形穿行的同時(shí)，在其兩側(cè)分別疊加正負(fù)極極片。雖然疊片技術(shù)相對(duì)卷繞更新，過(guò)程中新增的虛焊、極片毛刺、粉塵等問(wèn)題還需要解決，但疊片技術(shù)對(duì)能量密度、循環(huán)及安全性有提高，符合電池漸進(jìn)式演進(jìn)的需要，因?yàn)樾袠I(yè)內(nèi)部也在積極進(jìn)行嘗試。方形和軟包電池適用疊片。
• 封裝：電池有方形、軟包和圓柱三種外形。其中1）方形電池采用鋼或鋁合金外殼，兼容疊片及卷繞工藝，生產(chǎn)技術(shù)成熟；2）軟包電池在方形外觀上疊加了聚合物外殼（鋁塑膜），同時(shí)采用疊片工藝，相對(duì)提高了安全性和能量密度，但成本也更高；3）圓柱電池采用鋼或鋁合金外殼，工藝層面的高度成熟使得電池一致性和自動(dòng)化程度高。

3.3結(jié)構(gòu)層面：提高能量單元占比

結(jié)構(gòu)創(chuàng)新是在材料體系約束下的漸進(jìn)式革新。傳統(tǒng)電池結(jié)構(gòu)為三級(jí)結(jié)構(gòu)，即“電芯cell-模組module-電池包pack”。在既定的材料體系下，電池結(jié)構(gòu)創(chuàng)新主要在電芯與系統(tǒng)兩個(gè)層面開(kāi)展。其中，電芯層面的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新是基礎(chǔ)，主要圍繞提高安全性、一致性與空間利用率目標(biāo)進(jìn)行。而電芯品質(zhì)的提升降低了部分輔件系統(tǒng)價(jià)值，進(jìn)而支持了系統(tǒng)層面的集約化改進(jìn)。

結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的核心驅(qū)動(dòng)為增加電池系統(tǒng)的實(shí)際帶電量。車(chē)載場(chǎng)景內(nèi)車(chē)輛底盤(pán)空間有限，整個(gè)電池系統(tǒng)需要盡可能多地提高功率組件（電芯）占比，未來(lái)動(dòng)力電池系統(tǒng)將向大尺寸模組、無(wú)模組方向發(fā)展。

1）電芯結(jié)構(gòu)優(yōu)化：基于電池現(xiàn)有的封裝方式，電芯層面在方形和圓柱路線(xiàn)上均有結(jié)構(gòu)創(chuàng)新落地，具體體現(xiàn)為方形路線(xiàn)下的長(zhǎng)電芯方案與圓柱路線(xiàn)下的大圓柱方案。

• 長(zhǎng)電芯方案：以比亞迪刀片電池，蜂巢短刀電池等為代表。核心邏輯為將方形電芯進(jìn)行串聯(lián)并排，縮減合并重復(fù)的輔助結(jié)構(gòu)件，進(jìn)而形成扁平長(zhǎng)薄的電池單體，該單體既是能量組件也是結(jié)構(gòu)組件。
• 大圓柱方案：以特斯拉發(fā)起的4680電池為代表。核心邏輯也是減少輔助結(jié)構(gòu)件，但4680通過(guò)做大單體電芯，減少了電芯數(shù)量并增大了電芯支撐力，進(jìn)而減少電池輔件。同時(shí)4680采用無(wú)極耳結(jié)構(gòu)，使得電子運(yùn)動(dòng)距離大幅縮短，內(nèi)阻減少，帶來(lái)更高的能量密度（300Wh/kg）、輸出功率（峰值1000W/kg）與更好的快充性能（15min0-80%）。

2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新整體體現(xiàn)出大模組化、去模組化、集成化的特征。主要思路是在系統(tǒng)集成過(guò)程中去掉冗余的零件，優(yōu)化功能設(shè)計(jì)，進(jìn)而降低工藝復(fù)雜度，節(jié)約材料使用，最終將電池與整車(chē)進(jìn)行整合集成。早期電芯在單體層面一致性穩(wěn)定性差，采用“電芯-模組-電池包”三級(jí)架構(gòu)可以增強(qiáng)電池安全性、降低生產(chǎn)及維修成本。隨著單體電芯品質(zhì)提升，能量密度提升與降本需求驅(qū)動(dòng)電池去模組化，與整車(chē)集約化。就具體技術(shù)而言，主流路線(xiàn)可以分為Cell to Pack（CTP），Cell to Chasis（CTC）兩大類(lèi)。

CTP技術(shù)：

• 寧德時(shí)代：從2019至2022年7月已迭代3次，電池空間利用率從55%提升至72%，目前已完全取消模組，轉(zhuǎn)而用集約化的多功能夾層替代。該夾層兼具液冷、支撐、緩沖功能，提高了電池散熱效率與熱管理反映時(shí)間，在保障安全及壽命情況下更好適配4C快充。對(duì)應(yīng)三元系統(tǒng)能量密度≥255Wh/kg（超過(guò)4680~13%），鐵鋰系統(tǒng)≥160Wh/kg。
• 比亞迪：在刀片電池基礎(chǔ)上，對(duì)應(yīng)不同尺寸的長(zhǎng)電芯出具不同CTP方案，體積比能最高可增加32%。

CTC技術(shù)：即將電池與EV內(nèi)三電系統(tǒng)、底盤(pán)、整車(chē)等進(jìn)行統(tǒng)一整合。

• 寧德時(shí)代：將電池重新布置的同時(shí)與三電系統(tǒng)集成，統(tǒng)一通過(guò)智能化動(dòng)力域控制器優(yōu)化動(dòng)力分配和降低能耗，使得成本下降，重量減輕而提升續(xù)航（800-1000km），乘坐空間更大。CATL預(yù)計(jì)2025年前后推出高度集成化CTC技術(shù)，2028年前后有望升級(jí)為智能化CTC電動(dòng)底盤(pán)系統(tǒng)。

4.鋰電池商業(yè)化進(jìn)展

4.1需求端：

鋰電池領(lǐng)域的應(yīng)用主要可分為動(dòng)力鋰電池、消費(fèi)鋰電池、儲(chǔ)能鋰電池三大類(lèi)。其中1）動(dòng)力鋰電池主要應(yīng)用于新能源汽車(chē)，常見(jiàn)為磷酸鐵鋰（LFP）電池和三元（NCM/NCA）電池；2）消費(fèi)鋰電池主要應(yīng)用于手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦等電子產(chǎn)品，主要為鈷酸鋰（LCO）電池；3）儲(chǔ)能鋰電池主要用于電網(wǎng)儲(chǔ)能、基站備用電源、家庭光儲(chǔ)系統(tǒng)等領(lǐng)域．目前應(yīng)用較多的有磷酸鐵鋰電池和以鈦酸鋰為負(fù)極的鋰離子電池。

至2030年，Mckinsey預(yù)測(cè)全球鋰電池需求將達(dá)4~4.5GWh，2020-2030 CAGR 30%；對(duì)應(yīng)上游鋰資源需求量330萬(wàn)噸LCE，下游EV+PHEV全球滲透率~45%/保有量~3.8億輛。

儲(chǔ)能為鋰電池新增需求，我們認(rèn)為鋰電池限于物化特性限制，更適宜4h內(nèi)短時(shí)間儲(chǔ)能，即主要用于發(fā)電及電網(wǎng)側(cè)調(diào)頻與短時(shí)調(diào)峰，用電側(cè)削峰填谷等場(chǎng)景。細(xì)分儲(chǔ)能場(chǎng)景內(nèi)鋰電池面臨傳統(tǒng)技術(shù)（煤電組改造升級(jí)，抽水蓄能）以及新興技術(shù)（鈉離子電池，液流電池，壓縮空氣，飛輪儲(chǔ)能）的強(qiáng)力競(jìng)爭(zhēng)，未來(lái)市場(chǎng)格局需要持續(xù)跟蹤各技術(shù)路線(xiàn)發(fā)展情況判斷。

4.2供給端：

4.2.1“白色石油”成色幾何？

2021年全球鋰資源探明儲(chǔ)量2200萬(wàn)噸金屬鋰/9500萬(wàn)噸LCE（按1:5.32折算）。

在考慮潛在的政治因素后，我們認(rèn)為南美是我國(guó)較為可靠的鋰礦來(lái)源地區(qū)（且謹(jǐn)慎樂(lè)觀）。當(dāng)前南美鋰資源幾乎都為鹽湖提鋰模式，當(dāng)?shù)仄髽I(yè)，中國(guó)及G7國(guó)家等外資礦企均有布局。其中阿根廷政府相對(duì)開(kāi)放，礦權(quán)由省政府把控，項(xiàng)目最多，集中度較低；智利與玻利維亞對(duì)外資持謹(jǐn)慎態(tài)度，不對(duì)外提供開(kāi)采證，礦權(quán)由中央政府控制，集中度高。

2025年之前預(yù)計(jì)鋰資源供應(yīng)處于緊平衡狀態(tài)，主要因產(chǎn)能限制（而非儲(chǔ)量）。產(chǎn)能的限制來(lái)自?xún)煞矫妫?）客觀上，具備開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)性且高品位的鋰礦資源較為稀缺，未來(lái)開(kāi)采難度更大的“邊緣”鋰資源存在開(kāi)采技術(shù)、成本及潛在環(huán)保問(wèn)題制約。且逆全球化干擾下跨國(guó)礦企活動(dòng)存在一定阻礙；2）主觀上，鋰礦擴(kuò)產(chǎn)周期~4年（對(duì)比材料0.5~2年，電池0.5~1年），對(duì)企業(yè)資金、管理及抗風(fēng)險(xiǎn)能力要求較高。此外，對(duì)于高度壟斷的上游礦企/資源國(guó)家而言，有限度的擴(kuò)產(chǎn)是一個(gè)更佳的選擇。

• 當(dāng)前鋰礦產(chǎn)能98%由澳大利亞，拉美和中國(guó)貢獻(xiàn)，根據(jù)其他產(chǎn)地/潛在產(chǎn)地pipeline估計(jì)，至2030年供給達(dá)到270萬(wàn)噸LCE（6%來(lái)自于電池回收），2020~2030 CAGR20%。
• 2025-2030年，隨著新產(chǎn)能的投放，前期供給相對(duì)充足，至2028年-2030年，需要進(jìn)一步的新增產(chǎn)能投放，否則會(huì)存在60萬(wàn)噸LCE的需求缺口。

4.2.2中游主材及電池供給

中游材料及電池產(chǎn)能供給規(guī)劃過(guò)剩趨勢(shì)明顯。在當(dāng)前“缺芯少鋰”的高景氣行情下，各國(guó)基于供應(yīng)鏈安全、國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)與提振經(jīng)濟(jì)需要出臺(tái)了行業(yè)刺激法案與支持政策，企業(yè)主體基于提高市占率驅(qū)動(dòng)公告了宏大的擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃，共同導(dǎo)致鋰電池中下游產(chǎn)能（尤其是電池組裝）在全球范圍內(nèi)的躍進(jìn)式擴(kuò)產(chǎn)?？紤]到實(shí)際落地及開(kāi)工差異，短期內(nèi)產(chǎn)能過(guò)剩風(fēng)險(xiǎn)可控。

• 預(yù)計(jì)國(guó)內(nèi)中游材料產(chǎn)能至2025年普遍過(guò)剩。
• 全球范圍內(nèi)電池長(zhǎng)期產(chǎn)能規(guī)劃暴露出較大的產(chǎn)能過(guò)剩風(fēng)險(xiǎn)。

4.3競(jìng)爭(zhēng)格局：產(chǎn)業(yè)鏈及細(xì)分行業(yè)格局

產(chǎn)業(yè)鏈利潤(rùn)分配情況：2017年到2022年Q1期間，根據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈各公司凈利潤(rùn)占比變動(dòng)可發(fā)現(xiàn)，鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)苌嫌卧牧瞎┙o影響明顯，且生產(chǎn)環(huán)節(jié)眾多，緊缺環(huán)節(jié)占據(jù)更多超額利潤(rùn)分配。

行業(yè)集中度：我們統(tǒng)計(jì)了近3年鋰電產(chǎn)業(yè)鏈各主要環(huán)節(jié)的行業(yè)集中度，包括三元前驅(qū)體、NCM正極、LFP正極、負(fù)極、隔膜、電解液、電池等，發(fā)現(xiàn)除LFP正極，三元前驅(qū)體及負(fù)極材料外，其余主要環(huán)節(jié)CR3和CR5集中度均呈逐年提高趨勢(shì)，一定程度上說(shuō)明在技術(shù)迭代相對(duì)較慢的細(xì)分行業(yè)內(nèi)，產(chǎn)能、成本控制等更具優(yōu)勢(shì)的企業(yè)具備更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

電池廠商核心競(jìng)爭(zhēng)要素：基于產(chǎn)業(yè)鏈及下游應(yīng)用兩個(gè)維度，我們對(duì)電池廠商的核心競(jìng)爭(zhēng)要素進(jìn)行了總結(jié)。其中，產(chǎn)業(yè)鏈層面核心看對(duì)鋰資源的把控能力，下游應(yīng)用層面核心看多元應(yīng)用場(chǎng)景下的生態(tài)拓展及客戶(hù)運(yùn)營(yíng)能力。

1）產(chǎn)業(yè)鏈：鋰資源是核心成本項(xiàng)，自供能力直接影響電池成本，這一邏輯在電池廠商與下游逐步轉(zhuǎn)為金屬聯(lián)動(dòng)定價(jià)模式后進(jìn)一步加強(qiáng)。因此，布局上游鋰礦自供碳酸鋰/深度綁定上游的廠商有望對(duì)沖原料漲價(jià)，獲得成本優(yōu)勢(shì)和超額利潤(rùn)。

2）下游應(yīng)用：核心競(jìng)爭(zhēng)要素隨產(chǎn)業(yè)的發(fā)展不斷變化。在早期EV滲透率較低的時(shí)期，電池產(chǎn)業(yè)也相對(duì)早期，競(jìng)爭(zhēng)主要在良品率與產(chǎn)品一致性層面。補(bǔ)貼結(jié)束后，行業(yè)滲透率觸達(dá)拐點(diǎn)，二三線(xiàn)電池廠獲得車(chē)企戰(zhàn)略支持逐步起量，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈。2021~2022年開(kāi)始，碳中和概念獲得市場(chǎng)高度認(rèn)同，能源電力化驅(qū)動(dòng)下，電池終端應(yīng)用場(chǎng)景不斷豐富。疊加上游材料價(jià)格急速攀升的沖擊，各電池廠商在產(chǎn)業(yè)鏈上下游面臨較大挑戰(zhàn)，使得整個(gè)電池產(chǎn)業(yè)鏈步入生態(tài)層面競(jìng)爭(zhēng)。

• 產(chǎn)業(yè)鏈：電池廠商綁定上游材料廠商已成為行業(yè)標(biāo)配，尤其是在終端鋰源把控上，除了入股上游鋰資源廠商或長(zhǎng)單鎖價(jià)外，還通過(guò)回收進(jìn)行材料再利用。
• 生態(tài)模式：頭部企業(yè)的生態(tài)模式創(chuàng)新圍繞豐富電池使用場(chǎng)景（儲(chǔ)能，電力電子），以及完善電池產(chǎn)業(yè)鏈閉環(huán)（換電，CTC，回收）兩方面展開(kāi)，開(kāi)始從制造商向能源服務(wù)商轉(zhuǎn)型。
• 客戶(hù)：我國(guó)鋰電行業(yè)成熟度較高，豐富的人才、技術(shù)、產(chǎn)能儲(chǔ)備（供給）配合碳中和下能源電力化趨勢(shì)（需求）催生了新的鋰電應(yīng)用場(chǎng)景。各類(lèi)場(chǎng)景中客戶(hù)產(chǎn)品性能需求、商業(yè)模式以及產(chǎn)業(yè)鏈存在差異，使得電池應(yīng)用端更為分散多元，結(jié)果即電池廠商在細(xì)分領(lǐng)域面臨數(shù)量眾多的競(jìng)對(duì)，除向上布局的車(chē)廠外，從能源電力，AI，產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域跨界而來(lái)的新玩家也進(jìn)一步提高了終端獲客難度（能源服務(wù)商角度）。

五、新型電池

1.鈉離子電池

鈉離子電池構(gòu)造及反應(yīng)原理同鋰離子電池類(lèi)似，相比于鋰離子電池，其化學(xué)體系圍繞鈉離子的脫嵌/嵌入及遷移來(lái)進(jìn)行布局，差異主要體現(xiàn)在正負(fù)極材料層面，其余電解液、隔膜均可以沿用鋰離子電池的體系。

1.1性能

1.1.1正極

目前鈉離子電池正極材料主要有三種技術(shù)路線(xiàn)，過(guò)渡金屬氧化物、聚陰離子化合物以及普魯士藍(lán)及其類(lèi)似物等。其中層狀過(guò)渡金屬氧化物在能量密度、倍率、溫區(qū)方面表現(xiàn)優(yōu)秀，但循環(huán)性能還有待提高。

• 過(guò)渡金屬氧化物（能量密度優(yōu)勢(shì)）：兩種微觀結(jié)構(gòu)類(lèi)型，層狀結(jié)構(gòu)嵌鈉位點(diǎn)多但較易發(fā)生結(jié)構(gòu)形變（Jahn-Teller效應(yīng)），對(duì)應(yīng)性能高能量密度但循環(huán)性能弱。隧道結(jié)構(gòu)嵌鈉位點(diǎn)少但更穩(wěn)定。
• 聚陰離子化合物（循環(huán)壽命優(yōu)勢(shì)）：微觀為強(qiáng)共價(jià)鍵形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有開(kāi)闊的鈉離子擴(kuò)散通道和較高的工作電壓，且穩(wěn)定性較高（循環(huán)性好），但比容和導(dǎo)電性相對(duì)較弱。
• 普魯士藍(lán)及其類(lèi)似物（功率優(yōu)勢(shì)）：普魯士藍(lán)（Prussian blue, PB）通式為Fe4[Fe（CN）6]3，即亞鐵氰化鐵，因外形藍(lán)色被普魯士軍隊(duì)作為軍服涂料而得名。其類(lèi)似物（Prussian blue analogs, PBAs）通式為AxM [M'（CN）6]1-y·?y·zH2O（A為堿金屬離子；M/M'為過(guò)渡金屬Fe、Co、Mn等；?為缺陷空位），其中的金屬離子和-CN-基團(tuán)之間形成較大空間，呈現(xiàn)出一種開(kāi)放框架和三維大孔道結(jié)構(gòu)，因此適合鈉離子的遷移和存儲(chǔ)，倍率性能和循環(huán)壽命較好。但由于結(jié)構(gòu)存在間隙水，侵占了儲(chǔ)鈉點(diǎn)位與鈉離子脫嵌通道，且實(shí)際制備時(shí)存在結(jié)構(gòu)缺陷，導(dǎo)致PBAs應(yīng)用時(shí)能量密度較低且循環(huán)性能下降。

1.1.2負(fù)極

由于鈉離子直徑與摩爾質(zhì)量高于鋰離子，石墨負(fù)極無(wú)法有效支持鈉離子的嵌入脫出，因此鈉離子電池也需另行研發(fā)高效負(fù)極材料。目前主流類(lèi)型包括碳基材料（軟碳/硬碳等）、過(guò)渡金屬化合物、合金類(lèi)和有機(jī)化合物。

• 硬碳：當(dāng)前首選的負(fù)極材料，碳層排列相對(duì)雜亂，空間較多，比軟碳更適合鈉離子嵌入/脫出。總體上具備儲(chǔ)鈉比容量高、較低儲(chǔ)鈉電壓、循環(huán)穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)。
• 軟碳：可以理解為通過(guò)微孔道結(jié)構(gòu)處理后的石墨，高溫度狀態(tài)下導(dǎo)電性和倍率性能優(yōu)于硬碳，但其間層間距隨溫度升高而減小，使得導(dǎo)致孔道坍縮，儲(chǔ)鈉性能明顯下降。
• 金屬化合物：主要通過(guò)轉(zhuǎn)化反應(yīng)和合金化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)鈉，但在循環(huán)過(guò)程中會(huì)伴隨著較大的體積膨脹，造成電極材料的粉碎和坍塌，存在一定安全隱患。
• 過(guò)度金屬化合物：比容量偏低。
• 有機(jī)材料：庫(kù)倫效率低。

1.1.3主流產(chǎn)品性能表現(xiàn)

成本方面，現(xiàn)階段鈉離子電池尚未產(chǎn)業(yè)化，價(jià)格還不具代表性（系統(tǒng)~1.5元/Wh）。理論上最終鈉離子電池BOM成本較鋰離子電池低~30%，目前原材料成本占鈉離子電池成本比例為40~60%，業(yè)界估算未來(lái)有~40%的材料降本空間、~20%的產(chǎn)業(yè)鏈降本空間，即未來(lái)鈉離子電池成本極大可能在0.5元/Wh以下。

1.2演進(jìn)歷史

學(xué)界對(duì)鈉離子和鋰離子電池的研發(fā)幾乎在上世紀(jì)70年代同時(shí)開(kāi)始。鋰離子電池由于先天的能量密度優(yōu)勢(shì)，疊加負(fù)極材料率先突破，先一步在消費(fèi)電子領(lǐng)域開(kāi)始應(yīng)用。隨著近年動(dòng)力電池、儲(chǔ)能、電動(dòng)車(chē)等終端應(yīng)用的快速發(fā)展，鋰資源因供給緊需而價(jià)格走高，產(chǎn)業(yè)萌生替鋰需求（核心推動(dòng)因素），鈉離子電池開(kāi)始重回大眾視野?；谇罢拔墨I(xiàn)的發(fā)表情況采用Gartner曲線(xiàn)分析可以發(fā)現(xiàn)，從2010年開(kāi)始至今鈉離子電池急速經(jīng)歷了由萌芽到泡沫破裂的過(guò)程，目前即將進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化初期（≠“能用”），但大規(guī)模應(yīng)用還需首批產(chǎn)品的實(shí)際驗(yàn)證（循環(huán)壽命，安全性，成本）及其后續(xù)產(chǎn)業(yè)鏈耦合。

1.3發(fā)展趨勢(shì)

材料：

1）材料體系方面，相比于鋰離子電池成熟的材料體系，鈉離子電池目前處于多種材料并行發(fā)展?fàn)顟B(tài)，材料本身的體系研究、材料間的匹配仍有很大提升空間；

2）材料量產(chǎn)方面，鈉離子正負(fù)極制造工藝受限于產(chǎn)能和生產(chǎn)工藝限制，也具備很大的提升空間。

產(chǎn)業(yè)化：鈉離子電池生產(chǎn)線(xiàn)在很大程度上能與鋰離子電池共用，且后發(fā)優(yōu)勢(shì)下產(chǎn)線(xiàn)建設(shè)有降本空間。另外當(dāng)鋰電產(chǎn)能過(guò)剩時(shí)，可進(jìn)行低成本的鈉離子電池產(chǎn)線(xiàn)改造。

1）四大主材：正極制備技術(shù)相近（層狀過(guò)渡金屬氧化物→NCM，聚陰離子→LFP），隔膜基本沿用鋰離子電池體系，電解液主要在溶質(zhì)層面改進(jìn)（鋰鹽→鈉鹽），負(fù)極差異相對(duì)較大，需要通過(guò)無(wú)煙煤制備硬碳；

2）電池生產(chǎn)：鈉離子電池制造過(guò)程和鋰離子電池高度相似，且部分工序如極耳焊接更為簡(jiǎn)單（正負(fù)極極耳材料均為鋁），現(xiàn)有鋰電池廠商發(fā)展鈉離子電池的重置/改造成本很低；

3）根據(jù)1、2點(diǎn)可知，未來(lái)產(chǎn)業(yè)化時(shí)鋰電廠商因工藝knowhow積累，優(yōu)勢(shì)將更突出。

應(yīng)用場(chǎng)景：鈉離子電池的性?xún)r(jià)比優(yōu)勢(shì)將替代大部分鉛酸及部分磷酸鐵鋰，核心應(yīng)用場(chǎng)景在儲(chǔ)能，低速動(dòng)力領(lǐng)域，前期應(yīng)用或采取鋰鈉搭配的混合模式。滲透速度會(huì)受鋰離子電池成本（鋰價(jià)）變動(dòng)的影響。

1）根據(jù)前文鋰電商業(yè)化部分的研究，至2025年鋰資源供給大概率維持緊平衡狀態(tài)，這將為鈉離子電池的產(chǎn)業(yè)化帶來(lái)推廣窗口期（市場(chǎng)調(diào)研顯示LCE價(jià)格20萬(wàn)元為二者的綜合成本臨界點(diǎn)）；

2）2021年開(kāi)始儲(chǔ)能市場(chǎng)進(jìn)入了實(shí)質(zhì)性的快速發(fā)展階段，鈉離子電池因其能量密度的提升，疊加低成本、快充、低溫性能、高安全等優(yōu)點(diǎn)，較好貼合儲(chǔ)能電站的需求，但還需要解決循環(huán)性問(wèn)題（需要保障5~6000次及以上，有待實(shí)際驗(yàn)證改進(jìn)）。未來(lái)隨著能量密度提高，在能量密度要求更高、價(jià)值更豐厚的戶(hù)儲(chǔ)場(chǎng)景滲透率將進(jìn)一步提升；

3）規(guī)模化應(yīng)用后鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈完善，成本降低，可替代鉛酸，并滲透部分鋰電場(chǎng)景，如在低速車(chē)、商用車(chē)等領(lǐng)域可占據(jù)一定市場(chǎng)份額。未來(lái)充電、換電方案成熟后，電池能量密度重要性相對(duì)下降，可以預(yù)期終端對(duì)鈉離子電池的接受程度將會(huì)提高；

4）現(xiàn)階段不排除部分車(chē)廠/電池廠出于與上游博弈的角度推出鈉離子動(dòng)力電池產(chǎn)品的可能性。

市場(chǎng)：根據(jù)中金公司測(cè)算，2025年全球鈉離子電池需求規(guī)模約為67.4GWh，滲透率達(dá)到3.5%。其中表前側(cè)儲(chǔ)能應(yīng)用規(guī)模~24GWh，占比35%；電動(dòng)兩輪應(yīng)用規(guī)模~17GWh，占比25%。

2.液流電池

液流電池與鋰離子電池同屬于氧化還原電池，但其活性物質(zhì)完全溶解在電解液中，且能量單元與功率單元分開(kāi)。同時(shí)，液流電池正負(fù)極由兩組氧化還原電對(duì)來(lái)構(gòu)成，隨著電池的充放電，正負(fù)極活性元素的氧化價(jià)態(tài)（電位）對(duì)應(yīng)發(fā)生變化。此部分主要以全釩液流電池為例展開(kāi)介紹。

2.1性能

液流電池系統(tǒng)由能量單元、功率單元、輸運(yùn)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、附加設(shè)施等部分組成，其中能量單元（電解液）和功率單元（電堆）是核心模塊。各類(lèi)液流電池電堆結(jié)構(gòu)相似，主要差別在于活性物質(zhì)不同。

• 電解液：決定理論能量密度等性能的核心要素。活性物質(zhì)的濃度決定了電池系統(tǒng)的能量密度上限，溶液總量（體積）決定了電池系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量上限，溶液熱穩(wěn)定性決定了電池的工作溫區(qū)和可靠性。
• 電堆：決定系統(tǒng)的功率特性，直接影響系統(tǒng)整體性能。

2.1.1能量單元：電解液

溶質(zhì)：硫酸鹽。優(yōu)點(diǎn)有1）釩具有正2~5價(jià)多變價(jià)態(tài)，滿(mǎn)足氧化還原反應(yīng)的同時(shí)不會(huì)造成正負(fù)極交叉污染；2）不同價(jià)態(tài)下的釩離子均能在溶劑中穩(wěn)定存在；3）不同價(jià)態(tài)下的釩離子具有不同顏色光譜（如上圖工作原理示意），通過(guò)光譜分析手段可檢測(cè)電解液濃度情況，進(jìn)而做到對(duì)電解液荷電狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

溶劑：硫酸水溶液?？删S持電解液的低pH，抑制釩離子的水解，并增加電解液的電導(dǎo)率，降低歐姆極化。

添加劑：有機(jī)及無(wú)機(jī)絡(luò)合劑。添加劑的目的為抑制固體沉淀析出，目前有機(jī)/無(wú)機(jī)添加劑的作用原理均為與釩離子發(fā)生弱結(jié)合，形成絡(luò)合物或是配位鍵鏈接，以抑制V2O5固體的形成及長(zhǎng)大，從而穩(wěn)定電解液。

2.1.2功率單元：電堆

電極：本身不參與電化學(xué)反應(yīng)，只是作為反應(yīng)的場(chǎng)所。電極材料需要物化性質(zhì)穩(wěn)定，且導(dǎo)電性、催化性及比表面積較優(yōu)。目前電極材料以碳纖維紡織材料為主（碳?xì)?、石墨氈），滿(mǎn)足電極要求的同時(shí)制備難度和成本較低，但其壽命在2年左右，需要定期跟換。

雙極板：用于單個(gè)電池間的隔斷，同時(shí)起到匯集電流，支撐電極的作用。雙極板材料需要具備良好的阻隔性、導(dǎo)電性、化學(xué)惰性，同時(shí)具有較好的機(jī)械強(qiáng)度。另外在制造時(shí)雙極板和電極往往一同壓鑄/粘結(jié)成型，因此也是需定期更換的耗材，而金屬雙極板為耐腐蝕需要添加貴金屬，提高了應(yīng)用成本。目前主流方案有兩類(lèi)，1）石墨雙極板改性，提高機(jī)械強(qiáng)度；2）碳塑復(fù)合雙極板，機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕性較好，但是導(dǎo)電性下降較大。

隔膜：位于單電池兩電極之間，與鋰離子電池隔膜作用類(lèi)似，其性能直接影響電池的效率和壽命。液流電池隔膜理論上可選用多種類(lèi)型隔膜（陰、陽(yáng)離子交換膜，多孔分離膜）。目前全釩液流電池主要采用質(zhì)子傳導(dǎo)膜，典型代表是杜邦生產(chǎn)的Nafion系列，該材料化學(xué)穩(wěn)定性和離子導(dǎo)電性很好，國(guó)內(nèi)廠商（科潤(rùn)新材料等）產(chǎn)品性能已經(jīng)較為優(yōu)異，可支持國(guó)產(chǎn)替代。

2.1.3主流產(chǎn)品性能表現(xiàn)

對(duì)比鋰離子電池：主要性能指標(biāo)各有千秋，應(yīng)用場(chǎng)景差異明顯。釩液流電池能量密度僅為L(zhǎng)FP的1/5~1/3倍，溫區(qū)?。?~45℃），因此并不適合動(dòng)力場(chǎng)景，但其本征安全性和極高的深度循環(huán)壽命（為L(zhǎng)FP的2~4倍）支持其在儲(chǔ)能場(chǎng)景應(yīng)用。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，釩液流電池還面臨成本挑戰(zhàn)。釩價(jià)波動(dòng)較劇烈，高位時(shí)直接延緩了終端項(xiàng)目的落地進(jìn)程。雖然從全生命周期進(jìn)行對(duì)比，釩液流電池平均成本相對(duì)更低，但在當(dāng)前商業(yè)模式還未完全跑通的儲(chǔ)能市場(chǎng)，較高的初始投資成本仍然限制了其市場(chǎng)化推廣。

對(duì)比鈉離子電池：性能差異較鋰電更小，應(yīng)用場(chǎng)景互補(bǔ)。鈉離子電池更適合家儲(chǔ)、小型儲(chǔ)能站或高寒地區(qū)儲(chǔ)能站點(diǎn)，液流電池適合規(guī)模化大型儲(chǔ)能站點(diǎn)。

2.2演進(jìn)歷史

液流電池至今已有50年發(fā)展歷史，可分為技術(shù)萌芽期（1971-1986年），研發(fā)示范期（1986-2001年），商業(yè)化初期（2001年-至今）三個(gè)階段。

1）1971-1986年發(fā)展初期：液流電池概念最早由日本科學(xué)家Ashimura和Miyake在1971年提出。3年之后NASA嘗試開(kāi)發(fā)了Fe-Cr鐵鉻液流電池，由于隔膜性能差導(dǎo)致正負(fù)極電解液交叉污染，最終并未實(shí)際應(yīng)用。為解決這一問(wèn)題，學(xué)界提出改進(jìn)隔膜或改進(jìn)電解液兩種應(yīng)對(duì)思路。電解液改進(jìn)思路為將正負(fù)極活性物質(zhì)改為同種元素，相比當(dāng)時(shí)的隔膜改進(jìn)技術(shù)可行性更高。經(jīng)過(guò)逐一篩選后，釩系化合物因價(jià)態(tài)豐富，電化學(xué)窗口適宜成為了主要研究方向，在1978年釩液流電池概念問(wèn)世。

2）1986-2001年研發(fā)示范期：研發(fā)示范期內(nèi)主要是全釩與鋅溴兩種技術(shù)路線(xiàn)。

• 鋅溴液流電池：由?？松梨谠?970年初開(kāi)發(fā)，其在充電過(guò)程中，金屬鋅將以薄膜的形式電鍍?cè)陔姌O一側(cè)（因此也稱(chēng)單側(cè)沉積型液流電池），同時(shí)在膜的另一側(cè)溴與溶劑中有機(jī)胺反應(yīng)生成溴油，沉入電解槽的底部，最終綜合能量轉(zhuǎn)換效率為75%。其相比釩液流電池成本更低，但液溴具有毒性，且易揮發(fā)滲透，另外鋅析出將導(dǎo)致電池容量、壽命下降并帶來(lái)安全問(wèn)題。
• 全釩液流電池：新南威爾士大學(xué)（UNSW）在此期間取得了較多突破，該校1984年開(kāi)始研發(fā)，4年后建造了1kW級(jí)的試驗(yàn)電堆，能量效率達(dá)72~88%并完成專(zhuān)利授權(quán)。在1994年開(kāi)始有商業(yè)化進(jìn)展（高爾夫車(chē)、潛艇的備用電源）。在儲(chǔ)能領(lǐng)域，90年代日本住友電工SEI和關(guān)西電力研發(fā)了450kW全釩液流電池儲(chǔ)能示范系統(tǒng)。我國(guó)中國(guó)工程物理研究院（綿陽(yáng)九院）也在1995年建成了500W、1kW全釩液流電池樣機(jī)。

3）2001年至今商業(yè)化初期：釩液流電池商業(yè)化場(chǎng)景主要在儲(chǔ)能領(lǐng)域，較為典型的公司有VRB PowerSystem（后被北京普能收購(gòu)），SEI以及大連融科。日本在釩液流電池商業(yè)化應(yīng)用上嘗試積極，先后在工商業(yè)供電、風(fēng)電光伏儲(chǔ)能調(diào)頻調(diào)峰有積極嘗試。

2.3發(fā)展趨勢(shì)

產(chǎn)品：圍繞活性材料制備，電解液體系，電堆材料以及系統(tǒng)優(yōu)化四方面進(jìn)行改進(jìn)

活性材料制備：簡(jiǎn)化材料制備流程，降低原材料成本。

• 電解液體系：提升電解液活性物質(zhì)濃度和穩(wěn)定性，進(jìn)而提高能量密度及循環(huán)壽命。目前具有潛力的路線(xiàn)為鹽酸基電解液，主要是因?yàn)槁入x子和釩離子可有效絡(luò)合。
• 電堆材料：對(duì)膜材料改進(jìn)，業(yè)內(nèi)在積極探索對(duì)高成本全氟磺酸樹(shù)脂膜的替代路線(xiàn)。一方面是繼續(xù)含氟路線(xiàn)（基于聚偏氟乙烯PVDF改良）。另一方面為非氟路線(xiàn)，我國(guó)在該領(lǐng)域的研究處于世界前列，開(kāi)發(fā)的非氟多孔濾膜具備較好的穩(wěn)定性、離子選擇性，但電導(dǎo)率更低，內(nèi)阻較大。
• 系統(tǒng)：制造標(biāo)準(zhǔn)化的功率單元，降低成本的同時(shí)對(duì)家儲(chǔ)等場(chǎng)景進(jìn)行滲透。

產(chǎn)業(yè)化：產(chǎn)業(yè)鏈可分為上中下三層，中下游產(chǎn)業(yè)鏈有較高的提升空間。

• 上游：原材料開(kāi)采和制備，產(chǎn)業(yè)成熟。
• 中游：電堆零部件制造。目前碳?xì)忠褔?guó)產(chǎn)化。碳紙目前還在國(guó)產(chǎn)替代的進(jìn)程中，受益于氫燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，結(jié)合我們與行業(yè)專(zhuān)家的交流得知，碳紙層面的國(guó)產(chǎn)替代預(yù)計(jì)將在1-2年完成。隔膜中含氟膜已做到國(guó)產(chǎn)替代，但距離國(guó)外頂級(jí)水平還有提升空間，非氟膜也在積極布局（大連化物所）。
• 下游：裝備及系統(tǒng)整合。產(chǎn)業(yè)尚處于初期發(fā)展階段，主要挑戰(zhàn)在工藝knowhow的積累。

應(yīng)用場(chǎng)景：今后較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的核心應(yīng)用場(chǎng)景為規(guī)?；瘍?chǔ)能，應(yīng)用阻礙核心為產(chǎn)品成本。成本問(wèn)題可以從技術(shù)與商業(yè)模式兩方面進(jìn)行改進(jìn)。

提高能量單元占比，降低功率單元攤銷(xiāo)：初始成本=投資金額元/電量kWh，在功率單元（kW）固定情況下，增加能量單元（進(jìn)而提高儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)h），整體系統(tǒng)的初始投資成本在便貼近能量單元成本進(jìn)行下降。

電解液殘值率可觀，具備金融杠桿切入空間：以全釩液流電池電解液內(nèi)活性元素釩元素?fù)p耗極低，退役時(shí)殘值率~70%，因此電解液本身具備一定保值屬性（租賃基礎(chǔ)），可大幅降低用戶(hù)始投資成本。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，一方面需要金融機(jī)構(gòu)配套支持，另一方面，由于電解液本身高毒性及液體外形提高了回收門(mén)檻，推測(cè)釩液流電池電解液的回收產(chǎn)業(yè)相比鋰電，其回收鏈條更短，原廠閉環(huán)程度更高。

市場(chǎng)：釩液流電池2025年/2030年裝機(jī)2.3GW/4.5GW。中國(guó)釩電池新增裝機(jī)量2021A/2022E為0.13GW/0.6GW。根據(jù)《中國(guó)釩電池行業(yè)發(fā)展白皮書(shū)（2022年）》預(yù)測(cè)，2025E/2030E釩液流電池新增規(guī)模將達(dá)到2.3GW/4.5GW，2030年釩液流電池儲(chǔ)能新增市場(chǎng)規(guī)模達(dá)405億元，累計(jì)裝機(jī)量達(dá)24GW。

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