文|李佳林 丁秀金 趙江宇

一、摘要

（本文研究范圍限定為化學電池，且主要以鋰離子電池為主）

1.化學電池基礎原理為基于電荷轉移的氧化還原反應，反應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“質變”邏輯。現(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行漸進式迭代，并衍生出各類型細分組合。固態(tài)電池支持材料的顛覆式改進（負極改為金屬鋰），可極大提升能量密度，是可推測的下一次重大產業(yè)變革；

3.電池性能受制造工藝影響，是材料約束下產業(yè)資本權衡投入產出后的結果。同時，制造工藝除單點層面的進步外，也依賴產業(yè)鏈各細分環(huán)節(jié)的協(xié)同努力；

4.不同終端應用場景對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，反饋在技術路線上即難存在“贏家通吃”的局面；

5.能源消費電氣化、電力生產清潔化是電池產業(yè)的核心驅動。鋰離子電池產業(yè)化最為成熟，是目前化學電池中的應用主流，中短期內鈉離子電池，液流電池在細分場景可實現(xiàn)初步商用化；

6.鋰離子電池主要應用場景為動力領域，提升能量密度其核心目標。材料方面，LFP，NCM兩大體系均存在漸進式創(chuàng)新，其中高鎳產業(yè)化進展較快，富鋰錳基、磷酸錳鐵鋰等次之；工藝方面，制造技術迭代是受材料體系約束的一個邊際改善的過程，在材料進展緩慢時具備較高的投入價值；電池與下游應用也在進行深度耦合設計，體現(xiàn)為動力系統(tǒng)結構的集約化設計，以提高能量單元占比；

7.近2年鋰礦價格高位波動，疊加部分中游環(huán)節(jié)產能受限，共同驅使鋰電產業(yè)鏈進行合縱連橫。長協(xié)，鎖單，聯(lián)動定價等模式提高了鋰電中下游廠商的供應鏈管理難度。同時鋰礦開始在全球范圍內得到戰(zhàn)略層面的重視，加劇了上游資源博弈，提高了我國企業(yè)海外獲取資源的難度。中長期內，積極的下游需求將持續(xù)推動上游礦企的產能釋放，但經(jīng)過2019-2020產能過剩打擊、面對更加確定的下游需求以及鋰期貨的誕生后，上游將更審慎進行產能擴張，預期鋰礦供需維持緊平衡趨勢，博弈將更加動態(tài)化；

8.新型化學電池如鈉離子電池、液流電池的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)并存。鈉離子電池因鈉礦材料價格低廉，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)，在儲能領域與鋰電錯位競爭。但由于二者技術層面仍在持續(xù)突破，成本、壽命等方面缺少規(guī)?；炞C，真正商用化起量還需時日；

9.儲能行業(yè)確定性與景氣度雙高，但終端需求差異化明顯，各類技術路線需要物盡其才而非削足適履。未來儲能市場從政策驅動轉向為市場驅動后，對化學電池而言，其在短時調峰，工商業(yè)峰谷套利等場景具備競爭優(yōu)勢，但在其他細分場景將面臨新興技術的強力競爭（調頻：飛輪；中長時調峰：壓縮空氣，抽蓄，氫能），當前一家獨大的局面難以長期維系，更可能與其他技術路線搭配使用。

二、電池原理、誕生及演進

1.化學電源原理及構造

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

注：通過化學反應直接將化學能轉換為電能的裝置稱為化學電源，是本報告重點討論的范圍

電池分類：一般可以根據(jù)能量轉化方式、電解液種類、工作性質和貯存方式、正負極材料等對電池進行分類。按照電池的工作性質和貯存方式，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用較多，指可充放電反復多次循環(huán)使用的電池，如鉛酸蓄電池、鋰電池等。

電池結構：一般由5個部分組成，包括由正負極、電解質、隔膜和外殼。

（1）電極：分為正（Cathode）極和負（Anode）極，由活性物質、導電骨架和添加劑等組成。其中，活性物質參與電極反應，決定電池基本特性。對于電極的基本要求是具有高比容量、不易與電解液反應、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（Electrolyte）：正負極間用于傳遞電荷的載體，有液態(tài)、半固態(tài)和固態(tài)類型，無論何種電解質，都要求具有高電導率、成分穩(wěn)定、使用方便。

（3）隔膜（Separator）：位于正負極之間，用于傳遞電荷及防止正負極活性物質直接接觸（將導致短路）的薄膜。隔膜需要具備一定的機械強度及抗彎曲能力，同時對電解質離子運動的阻力越小越好，且自身具備化學穩(wěn)定性。

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

工作原理：電池本身是一個電化學體系，簡單來說就是有電荷轉移的氧化還原反應。一般氧化還原反應基本是同時在同一位置發(fā)生，而對于電池來說，氧化還原反應分別在兩個電極上發(fā)生，存在一定空間距離，這兩個反應也被稱為電池的半反應。對于處于放電過程中的電池，陽極（負極）發(fā)生氧化反應，陰極（正極）發(fā)生還原反應，并根據(jù)下面的的半反應方程式可以知道，在放電過程中電池的負極失去電子和離子，而在電池正極得到電子和離子。

2.電池誕生與演進

電池誕生的驅動本源：人類經(jīng)濟社會的發(fā)展提升對能量的需求，電能作為轉化各類能量的中間載體被推廣普及，使用電池存儲和利用電能成為必然。

• 電能主要由一次能源驅動電磁感應發(fā)電機組產生（除太陽能發(fā)電的光伏電池技術和燃料電池發(fā)外），使用時再通過各類電器設備轉為其他形式的能量加以利用。因此電能作為轉化各類能量的中間載體，隨著人類活動對能量的需求提升而被推廣普及。
• 電能主要有三大類存儲模式，除化學能存儲（電池）外還包括電磁能存儲、機械能存儲。電池因高效，便攜、低成本等特點，應用最廣泛。

電池演進過程：整體演進過程遵循認識電→利用電→伴隨便攜、重復使用的需求升級換代。

三、電池進化的推動力

需求端：生產力進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景，合力推動電池性能、使用便捷度性的不斷升級。

供給端：電池作為一個工藝產品，其性能主要受基本原材料與制造工藝影響。

（1）材料：原材料的演進基于電化學原理，主要為漸進式革新模式，是由“量變”到“質變”的過程。

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

（2）生產制造工藝：制造工藝的創(chuàng)新是在原材料基礎上進行的框架式革新，即在特定的基礎材料限定下，進行諸如工藝優(yōu)化，電池內部結構優(yōu)化等改進。當基礎材料發(fā)生顛覆性變革時，針對舊材料的特定制造工藝大概率會被完全取代，產生基于新材料的制造工藝，并與通用性工藝一同構成新一代產品制造架構。

• 工藝創(chuàng)新：在既有的材料體系下，進行生產工藝的漸進式優(yōu)化，如三元正極材料由低鎳轉向高鎳過程中，正極材料的煅燒制備、表面涂覆等工藝也隨之進步；又例如，在電芯封裝過程中，同樣的材料，疊片工藝相比于卷繞工藝提升了電芯的性能。
• 結構創(chuàng)新：由于電池最終以系統(tǒng)的形式在終端應用，因此在電芯既定的情況下，結合實際的應用場景進行系統(tǒng)層面的結構創(chuàng)新也可提升電池性能，如各電池廠商在動力電池場景內進行的無模組結構創(chuàng)新，通過減少電池非發(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因素

1.1需求側：雙碳目標

基于環(huán)保及產業(yè)結構性升級需求，全球主導型經(jīng)濟體已就雙碳目標達成了戰(zhàn)略共識，進而催生了能源消費電氣化、電力生產清潔化變革。具體體現(xiàn)為汽車新能源轉型，電力上游一次能源可再生化轉型等。

電池作為高效便攜的儲能載體，成為了上述產業(yè)轉型（尤其是移動能源場景）重要的技術支撐載體。鋰電池綜合性能優(yōu)勢凸顯，也因此成為當前應用最廣的電池產品

• 電池擁有超80%以上的能量轉換效率。
• 車載動力由燃油驅動轉為電驅動過程中，一方面要求電驅動具備與燃油驅動同等程度的可用性，主要體現(xiàn)在動力性、可靠性及經(jīng)濟性三方面；另外由于電驅動與燃油驅動原理存在本質差異，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，已成為動力電池的長期主流選擇。
• 隨著鋰電產業(yè)鏈逐步成熟，疊加規(guī)模效應，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，另一方面更是開辟了儲能等全新的應用場景。

1.2供給側：核心材料

供給側主要推動因素來自電池材料的進步。材料的研究過程遵循“量變積累-促成質變-量變積累”的模式。當前鋰電池所處的“有機電解液+嵌鋰化合物正極+碳基負極”體系是多年研發(fā)后的階段性產物，中短期內材料層面的創(chuàng)新大多數(shù)將在這一體系內進行。

1.2.1基于科學發(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，圍繞鋰作為電池材料的研究開始逐步展開；此外，鋰還具備如下特點。

• 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)，提取時可省掉開采、破碎、粗級選礦流程，因此是目前主要的鋰源。
• 鋰的優(yōu)勢：除了低電位特點，鋰還是質量最輕的金屬（相對原子質量6.9，密度0.534g/cm3），等質量條件下可提供更多的電子（更大的電勢差）；同時，鋰離子半徑小，更容易在電解液中移動。
• 用鋰難點：鋰元素性質太活潑，易于和水以及氧氣反應，帶來安全問題，導致鋰的保存、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，其實經(jīng)歷了較長時間的科研及產業(yè)驗證過程，中途還不乏出現(xiàn)一些“彎路”。

• 電解液體系：由于鋰化學性質活潑，因此學界最早在電解液的選取上達成了共識，即需要采用非水電解質體系。最終在1958年，由伯克利的哈里斯確立了有機電解液這一體系，并沿用至今。
• 正極材料確定：從上帝視角看，一開始在確立正極材料時產學界其實走了很大的“彎路”，因為相關正極材料的研究都是以鋰金屬作為負極而展開的，而在有機液體+電解質框架下，鋰金屬電池的安全性始終無法解決。

因此我們可以看到，雖然從1970開始Sanyo、Panasonic、Exxon Mobil、Moli Energy等公司相繼開發(fā)了各類型不同正極材料的鋰金屬電池并最終實現(xiàn)了商業(yè)化，但最終還是以NEC（收購了Moli Energy）宣布永久放棄將金屬鋰負極用于可充電電池路線為標志，大多數(shù)企業(yè)停止了對鋰金屬電池的開發(fā)。

但需要說明的是，即便是走了“彎路”，在過程中所積累的階段性成果（量變）也為后續(xù)及未來鋰電池的發(fā)展做出了貢獻。如1972年，Whittingham在發(fā)明鋰離子原電池的基礎上，開發(fā)了鋰金屬二次電池，對鋰離子嵌入與脫嵌反應機制給出了很好的解釋；1983年，Peled等人提出“固態(tài)電解質界面膜”（solid electrolyte interphase，簡稱SEI）模型，證實了SEI對鋰電池可逆性與循環(huán)壽命的關鍵性影響等。

備注：金屬鋰負極有嚴重的鋰枝晶問題。對鋰電池來說，放電時鋰會被氧化成離子進入電解質最終抵達正極；重新充電時，這些鋰離子會獲得電子再沉積到鋰金屬負極的表面。但是鋰在電極上的沉積速度不一樣，因此金屬鋰不會均勻的覆蓋在電極表面，而是會在沉積的過程中形成樹枝狀的晶體。枝晶生長得過長就會折斷，不再參與反應（死鋰），給電池體系帶來不可逆的容量損失；有學者認為，長大的枝晶會刺破電池正負極之間的隔膜，造成短路，埋下電池過熱自燃或爆炸的安全隱患。不過最新有研究顯示，枝晶不一定會刺破隔膜，其樹狀結構因為某些機理會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。

負極材料確定，及配套對應的正極材料：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極，但隨之而來的是電池電勢差下降（其他類型化合物電勢高于鋰金屬），進而使得電池能量密度下降。因此需要對應開發(fā)高壓正極與配套電導率和耐熱性較好的電解液，由于相關研發(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)界開始探索其他方案，即分別在負極層面、電解液層面進行改進。

鋰離子電池未來發(fā)展趨勢：2019年諾貝爾化學獎頒給了Goodenough、Whittingham和吉野彰三人，以表彰他們對鋰離子電池研發(fā)的卓越貢獻，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，隨著社會進步，人們對便攜、清潔生活的需求更加強烈，這種反差勢必會催生下一代科學發(fā)現(xiàn)新的材料體系，實現(xiàn)新一輪的破壞式創(chuàng)新。

1.2.2既定框架下的漸進式創(chuàng)新

在確定體系框架下（嵌鋰正極、有機電解液及石墨負極），鋰離子電池產業(yè)進行漸進式創(chuàng)新過程。材料層面，主要以正負極材料變革為主，電解液、隔膜以及輔件隨兩極材料的更替或圍繞能量密度，安全性等指標進行優(yōu)化。以時間跨度劃分短中長時期，鋰離子電池將開啟不同的創(chuàng)新歷程。

• 短期：正極主導依舊是NCM及LFP，但將迎來豐富的改性和組分變動。NCM趨勢是高鎳低鈷/無鈷，LFP則與錳等結合提高電壓。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為參照，當能量密度≥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；負極則依賴硅基負極及其改性或組分變動材料。
• 長期：對能量密度的追求終將驅使電池體系由液到固的轉變，固態(tài)電解質高安全特質可支持配套材料的顛覆式改進（負極由嵌鋰改為金屬鋰），極大提升能量密度。顛覆也體現(xiàn)在產業(yè)層面，全固態(tài)電池最終將改變電解質、隔膜行業(yè)，但在中短期內，成熟的正負極配合混合固液的模式更靠近產業(yè)化，因此有機液態(tài)電解質與隔膜仍有應用空間。

2.鋰電池的演進路線：性能與成本

同所有新技術一樣，鋰電池在解決可用性問題后，核心將圍繞產品性能提升與降本兩大主線開展改進升級，匹配現(xiàn)有動力電池市場需求的同時提高在其他行業(yè)（如儲能）的競爭力。

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。各個性能的演進與下游需求高度耦合，但由于材料物化規(guī)律的限制，性能之間存在內在的提效沖突，因此便衍生出針對性提高某一性能的電池產品，如能量型/功率型等。

高能量密度：是電池演進的核心主線。電池的能量密公式可簡括為=比容量A·h/kg*正極活性材料質量kg*平臺電壓V/總重量kg=A*V*h/kg=Wh/kg，可見一定范圍內，電動勢及活性物質比容量與能量密度線性相關，即電池的理論能量密度上限已由材料的理化特性決定。

• 一般來說，元素周期表中靠左的元素電極電位偏負，而靠右元素電極電位偏正。基于此可構造多個理論層面高電勢差（比能）的電池體系。但實際上，限于單質的理化性能（常溫下活性小、易揮發(fā)、毒性），往往采用對應化合物代替，實際能量密度有所下降。
• 鋰離子電池的比能在30年內由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指電池在給定時間h內放出/達到額定容量A·h所需的電流A大小，如一只10A·h的電池，2C放電對應放電電流為2×10=20A，對應放電時率0.5h。倍率性能體現(xiàn)為不同倍率充放電時，電池所表現(xiàn)的容量大小、保持率和恢復能力。高倍率條件下電能充放更加迅速，但也會導致電池極化作用增強，使得電壓下降，最終導致比能量降低（因此功率與能量不可兼得）。同時也對電池壽命、安全性帶來挑戰(zhàn)。

• 倍率性能是車載領域的重要指標，其通過影響電池輸出功率來影響最高時速、加速、爬坡及快充等性能。
• 為解決長時間高倍率充放對電池的負面影響，當前采取“換電模式”作為一種折中解決方式，而長期視角下還應關注開放式電池如燃料電池體系的開發(fā)。
• 高倍率性能落實到具體參數(shù)上，主要在正負極材料的結構尺寸、比表面積、導電性、孔隙率和電解質的傳導能力、穩(wěn)定性等方面，因此可以通過材料改性來改善倍率性能。

長循環(huán)壽命：電池放電至規(guī)定殘余容量時所經(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、活性物質脫落轉移），進而影響壽命。

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，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時材料/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)的精細化程度，以及與具體應用場景的適配程度。

2.2成本

電池成本主要由上游原材料、輔件，固定資產投入及人工運營費用等構成，在不同產業(yè)階段降本主線不同。

• 產業(yè)初期，降本核心驅動為整體產業(yè)規(guī)?；当?，具體包括完善供應鏈，降低制造成本，降低原材料成本等，使得電池在部分領域率先開始商業(yè)化應用，并進行技術與生產經(jīng)驗的積累。
• 產業(yè)發(fā)展期，在確定的體系框架下，材料迭代推動電池進一步降本，電池性價比逐步凸顯。此時活性材料成本占電池總成本的百分比較高，材料降本開始成為主要的降本驅動力，即在提高能量密度的同時，降低活性材料成本（量、價兩個層面）。
• 產業(yè)步入成熟階段，既有的材料降本雖在持續(xù)進行，但其邊際效用逐年遞減，降本主線在工藝層面展開，主要包括提高產品良率、提高產品一致性、提高制造效率以及降低制造能耗等。
• 另外同我國部分新興科技產業(yè)一樣，國產化替代也是我國鋰電產業(yè)降本路線之一。

3.鋰電池演進路徑

3.1材料層面

電芯的活性材料是發(fā)揮功能的基礎。目前在材料層面主要有兩種開發(fā)路徑，一是開展材料改性，方式主要有降低尺寸、復合結構、摻雜和功能化、形態(tài)控制、涂覆和封裝、電解質改性等；二是研發(fā)新型電芯材料，如硫正極、硅負極、固態(tài)電解質等。

電芯活性材料外的其他材料、輔件也有一定程度的材料開發(fā)。

3.1.1正極：提升能量密度

正極一般為含鋰的過渡金屬氧化物（Co、Ni、Mn）或聚陰離子化合物，是電池發(fā)揮性能的基石之一。正極微觀構造主要可分為層狀、尖晶石和聚陰離子型三類。其開發(fā)目標主要為提升能量密度，過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三個階段。LCO至今應用于3C領域，但因壽命短、安全差及鈷價較高等原因，未在動力電池領域應用；相比之下，LMO與LFP提升了壽命與安全性，滿足了動力電池的使用要求；NCM/NCA進一步提高了能量密度，但犧牲了部分安全性與壽命性能。

• 關于NCM（LiNixCoyMn1-x-yO2）：鎳、鈷、錳有不同的性能特點，因此可通過調節(jié)配比調控NCM性能。各元素性能可簡單概括為：鎳與能量密度性能正相關，與循環(huán)性負相關；鈷與倍率及循環(huán)性正相關，與成本負相關；錳與安全性正相關，與能量密度負相關。當以能量密度為核心應用目標時，NCM走向高鎳化趨勢（N配比80%或更高），降本同時犧牲了熱穩(wěn)定性，因此也不得不在輔件/系統(tǒng)層面進行熱管理提效相關的改進。
• 關于安全性：LFP高安全性的本質為其晶體結構中P-O鍵非常的穩(wěn)固，分解溫度約600℃，且無氧氣產生，因此不像LCO易結構崩塌或被氧化，或是NCM200~300℃即分解并釋氧加速燃燒。

2）正極材料發(fā)展趨勢：主線趨勢還是提高能量密度。主要路徑有提高比容和工作電壓兩條線，對應到材料為NCM高鎳化，富鋰化，高壓正極。從短、中、長期視角來看應用趨勢如下：

a.短期（1-2年），高鎳正極產業(yè)化進展最快，仍需關注安全性等方面的改善。“高鎳”鎳含量在0.6及以上，高鎳化過程是不斷調整Ni與Mn/Al配比的過程，最終目標是“無鈷化”。

高鎳化的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)主要有：

• 優(yōu)勢：1）提升正極比容：隨Ni含量增加，材料實際放電比容量可由NCM111的~150mAh/g提高到NCM811的~200mAh/g以上；2）降本：按容百招股書披露數(shù)據(jù)顯示，金屬鈷價20~30美元/磅（30~46萬元/噸）假設下，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，對電池設計、制造要求更高，導致早期產品良率較低；2）理化性質較低鎳差異較大，材料選用，設備及環(huán)境方面的配置變動抬升了材料、工藝及資本層面的進入門檻，行業(yè)集中度較高。

高鎳化帶來結構穩(wěn)定性風險，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，因此結構更為致密，具有更好的結構穩(wěn)定性和耐高溫性能。短期內因技術水平限制，單晶高鎳量產規(guī)模不大，單晶中鎳高壓是比較現(xiàn)實的商用過渡型產品，目前已有具體應用案例（蔚來100kWh Ni55電池）。

高鎳化商用需要技術與產業(yè)鏈共同支持，因此出貨廠商主要為一線電池廠商。CATL、LG化學、松下（NCA）、SKI等是主要的高鎳電池供應商。2021年預測CATL高鎳裝機占其三元/總體比例~29.6%/16.3%。

高鎳邁向“無鈷”的關鍵在于“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，因此廉價元素取而代之便成為可能。當前“代鈷”元素主要以鋁Al為主（實驗表現(xiàn)良好），通過離子摻雜技術等改性方式實現(xiàn)，產品以NCMA，NMA為主。

b.中期（3-5年），富鋰錳基、高電壓正極等更滿足比能要求，但需克服其他組分匹配問題。中期路線主要引入了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兩種層狀結構復合而成的材料?！案讳嚒敝冈摬牧舷啾葌鹘y(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。但由于富鋰錳基結構復雜，增加了材料機理研究的難度，同時倍率、安全性及循環(huán)性能差，阻礙了商業(yè)化應用。另外，富鋰錳基材料雖然具備4.5V高電壓平臺，但工作時陽離子易遷移及發(fā)生重排，導致晶格塌陷，進而電壓發(fā)生一定程度的下降。

LMFP通過摻雜Mn到LFP內形成，具備4.1V高電壓平臺。但由于Mn3/4價陽離子氧化還原電位在4V左右，與電壓平臺接近，導致Li+嵌入和脫出時Mn3/4價陽離子發(fā)生氧化-還原反應，使得晶體結構變化，電池循環(huán)性能下降。

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

c.長期（8-10年），正極無鋰化，將對傳統(tǒng)電池體系帶來革新。在上文“性能主線”部分我們提到能量密度上限由物質理化特性決定，理論層面正極的最高階是無鋰正極，即元素周期表右上方元素（電化當量小、電極電位高），如F、Cl、O、S等。該類元素作為正極具備高比能，還因其能通過可逆化學轉換反應機理與金屬鋰負極發(fā)生反應（而非傳統(tǒng)的嵌入脫出機理），相關轉化反應下可充分利用材料所有的化合價，因而循環(huán)過程交換電子多，電池電壓高。根據(jù)熱力學計算篩選出低成本、低毒、比能＞1200Wh/kg的部分無鋰正極有過渡金屬氟化物、硫化物和氧化物。以現(xiàn)有電池工藝和固態(tài)電解質技術，電池能量密度預計可達1000-1600Wh/kg和1500-2200Wh/L。

在無鋰正極產業(yè)化之路上，硫基正極因高比能低成本（指單質硫成本）成為開發(fā)熱點。經(jīng)統(tǒng)計，2009-2020年2月，全球與鋰硫電池相關的文章發(fā)表數(shù)量突破5000件以上，主要由中國、美國和韓國貢獻。但鋰硫電池的研究結果更多停留在實驗室層面，一方面是電池循環(huán)性等性能指標較差，研發(fā)工作還遠未結束。另一方面是產業(yè)化面臨成本控制及工藝積累的挑戰(zhàn)，

3.1.2負極：提高比容量

負極是儲鋰主體，選用時遵循比容高、電勢低、循環(huán)性能好、兼容性強、穩(wěn)定性好與價格低廉等原則。

1）負極材料的應用現(xiàn)狀：目前應用最廣的負極材料為碳系負極，包括天然石墨、人造石墨與無序碳等。碳系材料的儲鋰機制為嵌入型，即材料微觀結構具備一定的冗余空間，鋰離子通過嵌入脫出來完成充放電循環(huán)過程。

• 碳基材料種類較多，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，主要應用于消費類電池。人造石墨通過前驅體、改性等工序改善了天然石墨的表面缺陷，開始規(guī)模化應用于動力電池，出貨量占所有負極材料比例已超80%。
• 鈦酸鋰儲鋰機制同碳基材料，目前有小規(guī)模應用：鈦酸鋰（Li4Ti5O12）為尖晶石型構造，循環(huán)穩(wěn)定性高，安全性能優(yōu)勢突出，但也有克容量低、倍率性能差等劣勢，且成本較高，在公共交通領域有一定應用。

2）負極材料發(fā)展趨勢：我們預計在短期內，碳材料仍然是重要的負極載體。未來中短期以至長期，基于不同的儲鋰機制，碳硅負極，硅負極，金屬鋰負極將開始嘗試應用，其可用性一方面依賴自身的技術進步，同時也需要其他體系如正極，電解質的同步迭代來配合支撐。

• 負極材料儲鋰機制分為3種類型，包括嵌入型、合金化型和轉化型。嵌入型負極材料通過將鋰離子嵌入其層間隙進行儲鋰，合金化型負極材料通過與鋰離子發(fā)生合金化反應進行儲鋰，轉化型負極材料通過與鋰離子發(fā)生可逆的氧化還原反應進行儲鋰。
• 碳系材料儲鋰機制為嵌入型，比容上限~372mAh/g，現(xiàn)有市場高端產品已達360-365mAh/g，接近理論上限。此外，碳系材料嵌鋰電位0.05V，循環(huán)時難以解決鋰枝晶問題。負極行業(yè)替碳需求驅動較強。
• 硅基儲鋰機制為合金型，比容上限提升可達11倍。由于新生成的合金化合物體積增大，在循環(huán)時會造成負極材料的膨脹與收縮（320%形變，對應碳基僅12%），進而影響循環(huán)穩(wěn)定性甚至負極失效。另外硅基與其他材料也存在耦合問題，導致其導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用。

為解決上述問題，產業(yè)層面對硅基負極進行了改性處理，針對性解決1）膨脹問題：硅氧化、納米化；2）首效問題：預鋰化、補鋰添加劑；3）膨脹、導電與活性的綜合問題：復合化（主要是碳硅復合）、多孔化、合金化。

• 長期來看，金屬鋰負極因高比容低電位而具有應用潛力，但還需要較長時間解決其固有缺陷，如鋰枝晶帶來的安全風險等。產學界預測在中短期內，金屬鋰負極還是以示范、細分領域應用為主，未來5~10年內漸進式演進后逐步進入動力電池領域。

3.1.3電解質：耦合電極體系優(yōu)化。

目前電解質為有機液態(tài)，主要由溶質、溶劑及添加劑組成。因下游需求不同形成多元的電解質產品。主流電解質產品基本定型，短期內貼合下游應用場景變化進行針對性改良；長期將完成由液態(tài)、半固態(tài)到固態(tài)的轉變，大幅提升電池安全性。

1）電解液應用現(xiàn)狀

• 溶質：成分為鋰鹽，核心參數(shù)主要有離子遷移率、離子對解離能力、溶解性、熱穩(wěn)定性等。當下LiPF6（簡稱“六氟”）是主流溶質產品，成膜性能較優(yōu)、電化學窗口寬且污染小，但也具有低溫下易結晶、熱穩(wěn)定性差且對水敏感等缺陷。當前正在開展LIFSI（簡稱“雙氟”）的應用嘗試，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：主要為酯類有機物，主流溶劑有環(huán)狀碳酸脂（TFPC、PC、EC）、線性碳酸脂（DMC、DEC），新型溶劑有羧酸酯、亞硫酸酯等。其中環(huán)狀碳酸脂類溶劑介電常數(shù)很高，粘度較大，線性指標相反。由于單一材料各有優(yōu)劣，應用時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、導電添加劑、防過充添加劑和其他添加劑等。成膜添加劑應用普遍，其主要功能為在首次充放電時可率先在負極形成SEI層，從而改善電池性能。

2）電解質發(fā)展趨勢：全固態(tài)鋰電池技術趨勢下，電解質將逐漸完成液態(tài)、半固態(tài)、固態(tài)的轉變。固態(tài)電解質具備高電化學穩(wěn)定窗口（5V以上）、高機械強度、阻燃性高、不揮發(fā)、易封裝等優(yōu)點，可大幅提高電池能量密度及安全性。但應用挑戰(zhàn)在于固態(tài)形式下，電解質導電率低，界面阻抗高，產學界往往采用漸近式路線開發(fā)。

• 固態(tài)電解質分類：當前研發(fā)方向主要有聚合物型（polymer）、無機型（inorganic）、和有機-無機復合型（composite）三種。其中1）聚合物型：由聚合物基質和鋰鹽組成，相比于無機型柔順性、成膜性更好且質量較輕，但導電率更低；2）無機型：主要有氧化物、硫化物兩類。氧化物路線導電率、電化學窗口較高，但需要額外包覆等工序防止其被Li還原；硫化物電導率相對更高，且更易加工，但硫本身易被氧化，導致其電化學窗口窄，生產環(huán)境要求高；3）有機-無機復合型：在聚合物型內添加無機粒子（提高導電性能）。

3.1.4隔膜：更輕薄、穩(wěn)定

隔膜是隔離正負極（防止短路）且保證離子正常通過的聚合物薄膜。其性能直接影響電池安全性，同時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。膜材料產業(yè)十分成熟。中短期內主要進行輕薄化迭代，同時配合電池功率的提升對應開發(fā)耐高溫材料。長期存在被固態(tài)電解質替代可能性。

1）隔膜應用現(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）、聚丙烯和聚乙烯復合材料等。隔膜行業(yè)上游材料為主流化工產品，產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，其中濕法隔膜一致性、強度等指標優(yōu)異，主要應用于中高端電動汽車、中高端消費電子等領域。

• 濕法隔膜：濕法隔膜生產工藝更復雜（技術門檻高）、成本更高。需要先通過混合-萃取制備儲基膜（熱穩(wěn)定性與吸液性較差），再進行涂覆處理，包括有無機-有機復合改性、有機-有機復合改性兩類路徑。由于多種材料不同排列組合后產品性能各異，因此實際生產時往往會將不同漿料進行混合涂覆，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：在保障安全性的基礎上，隔膜一方面將進一步趨于輕薄化，以提升能量密度。另一方面將開發(fā)熱穩(wěn)定性材料，以滿足高功率動力電池對安全性的要求。長期來看，液態(tài)鋰電將長時間存在，半固態(tài)電池仍需隔膜應用。未來5~10年內固態(tài)電池取得顛覆性進步后，在部分場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

工藝技術迭代是在既定材料體系約束下的一個邊際改善的過程。電池生產制造流程環(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，同時與環(huán)節(jié)上下游進行耦合、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出。電芯生產環(huán)節(jié)主要可細分為前中后三段流程。

1）前段工序：極片制造過程。對生產環(huán)境要求高，需要控溫、控濕、無塵。其中最關鍵環(huán)節(jié)為涂布工序，即將攪拌后的正負極材料均勻地涂在金屬箔片上并烘干成正、負極片。涂布工序核心設備為涂布機，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：分為干法、濕法兩類。干法在提效降本的同時，還能兼容下一代材料技術，應用潛力較大，但限于極片脫粉與專用設備匹配問題，干法技術未規(guī)模化推廣。

• 濕法技術：通過粘合溶劑對電極粉末進行粘結、涂覆、烘干，需要配備價格昂貴的電極涂布機，且溶劑有毒且難回收。
• 干法技術：以特斯拉Maxwell干法技術為例，主要分3個流程（粘結劑與電極粉末混合、擠出成膜、熱壓成型）。由于干電極具有更高的壓實密度，同時更易于負極補鋰，因此可以較大提高電池能量密度（已實現(xiàn)300Wh/kg，目標500Wh/kg）以及提高循環(huán)壽命（~2倍）。同時，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，干電極對高鎳正極、硅基負極等新型材料體系有較好的適配性。高鎳正極對濕度、粘結劑敏感，干法適配性較好；硅基負極預鋰化過程中體積膨脹，干法相對承受能力更強。

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

• 卷繞：顧名思義，即將極片與隔膜通過卷繞的方式整合。卷繞技術成熟，效率高，符合產業(yè)初期規(guī)?；瘮U張需求。但卷繞過程中，電芯存在多處彎折區(qū)域和集流體焊接區(qū)域，一方面使得內部空間利用率低，并且會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，在其兩側分別疊加正負極極片。雖然疊片技術相對卷繞更新，過程中新增的虛焊、極片毛刺、粉塵等問題還需要解決，但疊片技術對能量密度、循環(huán)及安全性有提高，符合電池漸進式演進的需要，因為行業(yè)內部也在積極進行嘗試。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，生產技術成熟；2）軟包電池在方形外觀上疊加了聚合物外殼（鋁塑膜），同時采用疊片工藝，相對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化程度高。

3.3結構層面：提高能量單元占比

結構創(chuàng)新是在材料體系約束下的漸進式革新。傳統(tǒng)電池結構為三級結構，即“電芯cell-模組module-電池包pack”。在既定的材料體系下，電池結構創(chuàng)新主要在電芯與系統(tǒng)兩個層面開展。其中，電芯層面的結構創(chuàng)新是基礎，主要圍繞提高安全性、一致性與空間利用率目標進行。而電芯品質的提升降低了部分輔件系統(tǒng)價值，進而支持了系統(tǒng)層面的集約化改進。

結構創(chuàng)新的核心驅動為增加電池系統(tǒng)的實際帶電量。車載場景內車輛底盤空間有限，整個電池系統(tǒng)需要盡可能多地提高功率組件（電芯）占比，未來動力電池系統(tǒng)將向大尺寸模組、無模組方向發(fā)展。

1）電芯結構優(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上均有結構創(chuàng)新落地，具體體現(xiàn)為方形路線下的長電芯方案與圓柱路線下的大圓柱方案。

• 長電芯方案：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行串聯(lián)并排，縮減合并重復的輔助結構件，進而形成扁平長薄的電池單體，該單體既是能量組件也是結構組件。
• 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構件，但4680通過做大單體電芯，減少了電芯數(shù)量并增大了電芯支撐力，進而減少電池輔件。同時4680采用無極耳結構，使得電子運動距離大幅縮短，內阻減少，帶來更高的能量密度（300Wh/kg）、輸出功率（峰值1000W/kg）與更好的快充性能（15min0-80%）。

2）系統(tǒng)結構優(yōu)化：系統(tǒng)結構的創(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)集成過程中去掉冗余的零件，優(yōu)化功能設計，進而降低工藝復雜度，節(jié)約材料使用，最終將電池與整車進行整合集成。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”三級架構可以增強電池安全性、降低生產及維修成本。隨著單體電芯品質提升，能量密度提升與降本需求驅動電池去模組化，與整車集約化。就具體技術而言，主流路線可以分為Cell to Pack（CTP），Cell to Chasis（CTC）兩大類。

CTP技術：

• 寧德時代：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間，在保障安全及壽命情況下更好適配4C快充。對應三元系統(tǒng)能量密度≥255Wh/kg（超過4680~13%），鐵鋰系統(tǒng)≥160Wh/kg。
• 比亞迪：在刀片電池基礎上，對應不同尺寸的長電芯出具不同CTP方案，體積比能最高可增加32%。

CTC技術：即將電池與EV內三電系統(tǒng)、底盤、整車等進行統(tǒng)一整合。

• 寧德時代：將電池重新布置的同時與三電系統(tǒng)集成，統(tǒng)一通過智能化動力域控制器優(yōu)化動力分配和降低能耗，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預計2025年前后推出高度集成化CTC技術，2028年前后有望升級為智能化CTC電動底盤系統(tǒng)。

4.鋰電池商業(yè)化進展

4.1需求端：

鋰電池領域的應用主要可分為動力鋰電池、消費鋰電池、儲能鋰電池三大類。其中1）動力鋰電池主要應用于新能源汽車，常見為磷酸鐵鋰（LFP）電池和三元（NCM/NCA）電池；2）消費鋰電池主要應用于手機、平板電腦、筆記本電腦等電子產品，主要為鈷酸鋰（LCO）電池；3）儲能鋰電池主要用于電網(wǎng)儲能、基站備用電源、家庭光儲系統(tǒng)等領域．目前應用較多的有磷酸鐵鋰電池和以鈦酸鋰為負極的鋰離子電池。

至2030年，Mckinsey預測全球鋰電池需求將達4~4.5GWh，2020-2030 CAGR 30%；對應上游鋰資源需求量330萬噸LCE，下游EV+PHEV全球滲透率~45%/保有量~3.8億輛。

儲能為鋰電池新增需求，我們認為鋰電池限于物化特性限制，更適宜4h內短時間儲能，即主要用于發(fā)電及電網(wǎng)側調頻與短時調峰，用電側削峰填谷等場景。細分儲能場景內鋰電池面臨傳統(tǒng)技術（煤電組改造升級，抽水蓄能）以及新興技術（鈉離子電池，液流電池，壓縮空氣，飛輪儲能）的強力競爭，未來市場格局需要持續(xù)跟蹤各技術路線發(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量2200萬噸金屬鋰/9500萬噸LCE（按1:5.32折算）。

在考慮潛在的政治因素后，我們認為南美是我國較為可靠的鋰礦來源地區(qū)（且謹慎樂觀）。當前南美鋰資源幾乎都為鹽湖提鋰模式，當?shù)仄髽I(yè)，中國及G7國家等外資礦企均有布局。其中阿根廷政府相對開放，礦權由省政府把控，項目最多，集中度較低；智利與玻利維亞對外資持謹慎態(tài)度，不對外提供開采證，礦權由中央政府控制，集中度高。

2025年之前預計鋰資源供應處于緊平衡狀態(tài)，主要因產能限制（而非儲量）。產能的限制來自兩方面：1）客觀上，具備開發(fā)經(jīng)濟性且高品位的鋰礦資源較為稀缺，未來開采難度更大的“邊緣”鋰資源存在開采技術、成本及潛在環(huán)保問題制約。且逆全球化干擾下跨國礦企活動存在一定阻礙；2）主觀上，鋰礦擴產周期~4年（對比材料0.5~2年，電池0.5~1年），對企業(yè)資金、管理及抗風險能力要求較高。此外，對于高度壟斷的上游礦企/資源國家而言，有限度的擴產是一個更佳的選擇。

• 當前鋰礦產能98%由澳大利亞，拉美和中國貢獻，根據(jù)其他產地/潛在產地pipeline估計，至2030年供給達到270萬噸LCE（6%來自于電池回收），2020~2030 CAGR20%。
• 2025-2030年，隨著新產能的投放，前期供給相對充足，至2028年-2030年，需要進一步的新增產能投放，否則會存在60萬噸LCE的需求缺口。

4.2.2中游主材及電池供給

中游材料及電池產能供給規(guī)劃過剩趨勢明顯。在當前“缺芯少鋰”的高景氣行情下，各國基于供應鏈安全、國家競爭與提振經(jīng)濟需要出臺了行業(yè)刺激法案與支持政策，企業(yè)主體基于提高市占率驅動公告了宏大的擴產計劃，共同導致鋰電池中下游產能（尤其是電池組裝）在全球范圍內的躍進式擴產?？紤]到實際落地及開工差異，短期內產能過剩風險可控。

• 預計國內中游材料產能至2025年普遍過剩。
• 全球范圍內電池長期產能規(guī)劃暴露出較大的產能過剩風險。

4.3競爭格局：產業(yè)鏈及細分行業(yè)格局

產業(yè)鏈利潤分配情況：2017年到2022年Q1期間，根據(jù)產業(yè)鏈各公司凈利潤占比變動可發(fā)現(xiàn)，鋰電池產業(yè)鏈受上游原材料供給影響明顯，且生產環(huán)節(jié)眾多，緊缺環(huán)節(jié)占據(jù)更多超額利潤分配。

行業(yè)集中度：我們統(tǒng)計了近3年鋰電產業(yè)鏈各主要環(huán)節(jié)的行業(yè)集中度，包括三元前驅體、NCM正極、LFP正極、負極、隔膜、電解液、電池等，發(fā)現(xiàn)除LFP正極，三元前驅體及負極材料外，其余主要環(huán)節(jié)CR3和CR5集中度均呈逐年提高趨勢，一定程度上說明在技術迭代相對較慢的細分行業(yè)內，產能、成本控制等更具優(yōu)勢的企業(yè)具備更強的競爭力。

電池廠商核心競爭要素：基于產業(yè)鏈及下游應用兩個維度，我們對電池廠商的核心競爭要素進行了總結。其中，產業(yè)鏈層面核心看對鋰資源的把控能力，下游應用層面核心看多元應用場景下的生態(tài)拓展及客戶運營能力。

1）產業(yè)鏈：鋰資源是核心成本項，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為金屬聯(lián)動定價模式后進一步加強。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沖原料漲價，獲得成本優(yōu)勢和超額利潤。

2）下游應用：核心競爭要素隨產業(yè)的發(fā)展不斷變化。在早期EV滲透率較低的時期，電池產業(yè)也相對早期，競爭主要在良品率與產品一致性層面。補貼結束后，行業(yè)滲透率觸達拐點，二三線電池廠獲得車企戰(zhàn)略支持逐步起量，行業(yè)競爭激烈。2021~2022年開始，碳中和概念獲得市場高度認同，能源電力化驅動下，電池終端應用場景不斷豐富。疊加上游材料價格急速攀升的沖擊，各電池廠商在產業(yè)鏈上下游面臨較大挑戰(zhàn)，使得整個電池產業(yè)鏈步入生態(tài)層面競爭。

• 產業(yè)鏈：電池廠商綁定上游材料廠商已成為行業(yè)標配，尤其是在終端鋰源把控上，除了入股上游鋰資源廠商或長單鎖價外，還通過回收進行材料再利用。
• 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景（儲能，電力電子），以及完善電池產業(yè)鏈閉環(huán)（換電，CTC，回收）兩方面展開，開始從制造商向能源服務商轉型。
• 客戶：我國鋰電行業(yè)成熟度較高，豐富的人才、技術、產能儲備（供給）配合碳中和下能源電力化趨勢（需求）催生了新的鋰電應用場景。各類場景中客戶產品性能需求、商業(yè)模式以及產業(yè)鏈存在差異，使得電池應用端更為分散多元，結果即電池廠商在細分領域面臨數(shù)量眾多的競對，除向上布局的車廠外，從能源電力，AI，產業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等領域跨界而來的新玩家也進一步提高了終端獲客難度（能源服務商角度）。

五、新型電池

1.鈉離子電池

鈉離子電池構造及反應原理同鋰離子電池類似，相比于鋰離子電池，其化學體系圍繞鈉離子的脫嵌/嵌入及遷移來進行布局，差異主要體現(xiàn)在正負極材料層面，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路線，過渡金屬氧化物、聚陰離子化合物以及普魯士藍及其類似物等。其中層狀過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。

• 過渡金屬氧化物（能量密度優(yōu)勢）：兩種微觀結構類型，層狀結構嵌鈉位點多但較易發(fā)生結構形變（Jahn-Teller效應），對應性能高能量密度但循環(huán)性能弱。隧道結構嵌鈉位點少但更穩(wěn)定。
• 聚陰離子化合物（循環(huán)壽命優(yōu)勢）：微觀為強共價鍵形成的三維網(wǎng)絡結構，具有開闊的鈉離子擴散通道和較高的工作電壓，且穩(wěn)定性較高（循環(huán)性好），但比容和導電性相對較弱。
• 普魯士藍及其類似物（功率優(yōu)勢）：普魯士藍（Prussian blue, PB）通式為Fe4[Fe（CN）6]3，即亞鐵氰化鐵，因外形藍色被普魯士軍隊作為軍服涂料而得名。其類似物（Prussian blue analogs, PBAs）通式為AxM [M'（CN）6]1-y·?y·zH2O（A為堿金屬離子；M/M'為過渡金屬Fe、Co、Mn等；?為缺陷空位），其中的金屬離子和-CN-基團之間形成較大空間，呈現(xiàn)出一種開放框架和三維大孔道結構，因此適合鈉離子的遷移和存儲，倍率性能和循環(huán)壽命較好。但由于結構存在間隙水，侵占了儲鈉點位與鈉離子脫嵌通道，且實際制備時存在結構缺陷，導致PBAs應用時能量密度較低且循環(huán)性能下降。

1.1.2負極

由于鈉離子直徑與摩爾質量高于鋰離子，石墨負極無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)高效負極材料。目前主流類型包括碳基材料（軟碳/硬碳等）、過渡金屬化合物、合金類和有機化合物。

• 硬碳：當前首選的負極材料，碳層排列相對雜亂，空間較多，比軟碳更適合鈉離子嵌入/脫出?？傮w上具備儲鈉比容量高、較低儲鈉電壓、循環(huán)穩(wěn)定等優(yōu)勢。
• 軟碳：可以理解為通過微孔道結構處理后的石墨，高溫度狀態(tài)下導電性和倍率性能優(yōu)于硬碳，但其間層間距隨溫度升高而減小，使得導致孔道坍縮，儲鈉性能明顯下降。
• 金屬化合物：主要通過轉化反應和合金化反應實現(xiàn)儲鈉，但在循環(huán)過程中會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。
• 過度金屬化合物：比容量偏低。
• 有機材料：庫倫效率低。

1.1.3主流產品性能表現(xiàn)

成本方面，現(xiàn)階段鈉離子電池尚未產業(yè)化，價格還不具代表性（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)界估算未來有~40%的材料降本空間、~20%的產業(yè)鏈降本空間，即未來鈉離子電池成本極大可能在0.5元/Wh以下。

1.2演進歷史

學界對鈉離子和鋰離子電池的研發(fā)幾乎在上世紀70年代同時開始。鋰離子電池由于先天的能量密度優(yōu)勢，疊加負極材料率先突破，先一步在消費電子領域開始應用。隨著近年動力電池、儲能、電動車等終端應用的快速發(fā)展，鋰資源因供給緊需而價格走高，產業(yè)萌生替鋰需求（核心推動因素），鈉離子電池開始重回大眾視野。基于前瞻文獻的發(fā)表情況采用Gartner曲線分析可以發(fā)現(xiàn)，從2010年開始至今鈉離子電池急速經(jīng)歷了由萌芽到泡沫破裂的過程，目前即將進入產業(yè)化初期（≠“能用”），但大規(guī)模應用還需首批產品的實際驗證（循環(huán)壽命，安全性，成本）及其后續(xù)產業(yè)鏈耦合。

1.3發(fā)展趨勢

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)展狀態(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）材料量產方面，鈉離子正負極制造工藝受限于產能和生產工藝限制，也具備很大的提升空間。

產業(yè)化：鈉離子電池生產線在很大程度上能與鋰離子電池共用，且后發(fā)優(yōu)勢下產線建設有降本空間。另外當鋰電產能過剩時，可進行低成本的鈉離子電池產線改造。

1）四大主材：正極制備技術相近（層狀過渡金屬氧化物→NCM，聚陰離子→LFP），隔膜基本沿用鋰離子電池體系，電解液主要在溶質層面改進（鋰鹽→鈉鹽），負極差異相對較大，需要通過無煙煤制備硬碳；

2）電池生產：鈉離子電池制造過程和鋰離子電池高度相似，且部分工序如極耳焊接更為簡單（正負極極耳材料均為鋁），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點可知，未來產業(yè)化時鋰電廠商因工藝knowhow積累，優(yōu)勢將更突出。

應用場景：鈉離子電池的性價比優(yōu)勢將替代大部分鉛酸及部分磷酸鐵鋰，核心應用場景在儲能，低速動力領域，前期應用或采取鋰鈉搭配的混合模式。滲透速度會受鋰離子電池成本（鋰價）變動的影響。

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業(yè)化帶來推廣窗口期（市場調研顯示LCE價格20萬元為二者的綜合成本臨界點）；

2）2021年開始儲能市場進入了實質性的快速發(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，較好貼合儲能電站的需求，但還需要解決循環(huán)性問題（需要保障5~6000次及以上，有待實際驗證改進）。未來隨著能量密度提高，在能量密度要求更高、價值更豐厚的戶儲場景滲透率將進一步提升；

3）規(guī)?；瘧煤筲c離子電池產業(yè)鏈完善，成本降低，可替代鉛酸，并滲透部分鋰電場景，如在低速車、商用車等領域可占據(jù)一定市場份額。未來充電、換電方案成熟后，電池能量密度重要性相對下降，可以預期終端對鈉離子電池的接受程度將會提高；

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

市場：根據(jù)中金公司測算，2025年全球鈉離子電池需求規(guī)模約為67.4GWh，滲透率達到3.5%。其中表前側儲能應用規(guī)模~24GWh，占比35%；電動兩輪應用規(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，但其活性物質完全溶解在電解液中，且能量單元與功率單元分開。同時，液流電池正負極由兩組氧化還原電對來構成，隨著電池的充放電，正負極活性元素的氧化價態(tài)（電位）對應發(fā)生變化。此部分主要以全釩液流電池為例展開介紹。

2.1性能

液流電池系統(tǒng)由能量單元、功率單元、輸運系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、附加設施等部分組成，其中能量單元（電解液）和功率單元（電堆）是核心模塊。各類液流電池電堆結構相似，主要差別在于活性物質不同。

• 電解液：決定理論能量密度等性能的核心要素?；钚晕镔|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：硫酸鹽。優(yōu)點有1）釩具有正2~5價多變價態(tài)，滿足氧化還原反應的同時不會造成正負極交叉污染；2）不同價態(tài)下的釩離子均能在溶劑中穩(wěn)定存在；3）不同價態(tài)下的釩離子具有不同顏色光譜（如上圖工作原理示意），通過光譜分析手段可檢測電解液濃度情況，進而做到對電解液荷電狀態(tài)的實時監(jiān)測。

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率，降低歐姆極化。

添加劑：有機及無機絡合劑。添加劑的目的為抑制固體沉淀析出，目前有機/無機添加劑的作用原理均為與釩離子發(fā)生弱結合，形成絡合物或是配位鍵鏈接，以抑制V2O5固體的形成及長大，從而穩(wěn)定電解液。

2.1.2功率單元：電堆

電極：本身不參與電化學反應，只是作為反應的場所。電極材料需要物化性質穩(wěn)定，且導電性、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（碳氈、石墨氈），滿足電極要求的同時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：用于單個電池間的隔斷，同時起到匯集電流，支撐電極的作用。雙極板材料需要具備良好的阻隔性、導電性、化學惰性，同時具有較好的機械強度。另外在制造時雙極板和電極往往一同壓鑄/粘結成型，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，提高了應用成本。目前主流方案有兩類，1）石墨雙極板改性，提高機械強度；2）碳塑復合雙極板，機械強度和耐腐蝕性較好，但是導電性下降較大。

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型隔膜（陰、陽離子交換膜，多孔分離膜）。目前全釩液流電池主要采用質子傳導膜，典型代表是杜邦生產的Nafion系列，該材料化學穩(wěn)定性和離子導電性很好，國內廠商（科潤新材料等）產品性能已經(jīng)較為優(yōu)異，可支持國產替代。

2.1.3主流產品性能表現(xiàn)

對比鋰離子電池：主要性能指標各有千秋，應用場景差異明顯。釩液流電池能量密度僅為LFP的1/5~1/3倍，溫區(qū)?。?~45℃），因此并不適合動力場景，但其本征安全性和極高的深度循環(huán)壽命（為LFP的2~4倍）支持其在儲能場景應用。實際應用時，釩液流電池還面臨成本挑戰(zhàn)。釩價波動較劇烈，高位時直接延緩了終端項目的落地進程。雖然從全生命周期進行對比，釩液流電池平均成本相對更低，但在當前商業(yè)模式還未完全跑通的儲能市場，較高的初始投資成本仍然限制了其市場化推廣。

對比鈉離子電池：性能差異較鋰電更小，應用場景互補。鈉離子電池更適合家儲、小型儲能站或高寒地區(qū)儲能站點，液流電池適合規(guī)?；笮蛢δ苷军c。

2.2演進歷史

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

1）1971-1986年發(fā)展初期：液流電池概念最早由日本科學家Ashimura和Miyake在1971年提出。3年之后NASA嘗試開發(fā)了Fe-Cr鐵鉻液流電池，由于隔膜性能差導致正負極電解液交叉污染，最終并未實際應用。為解決這一問題，學界提出改進隔膜或改進電解液兩種應對思路。電解液改進思路為將正負極活性物質改為同種元素，相比當時的隔膜改進技術可行性更高。經(jīng)過逐一篩選后，釩系化合物因價態(tài)豐富，電化學窗口適宜成為了主要研究方向，在1978年釩液流電池概念問世。

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

• 鋅溴液流電池：由?？松梨谠?970年初開發(fā)，其在充電過程中，金屬鋅將以薄膜的形式電鍍在電極一側（因此也稱單側沉積型液流電池），同時在膜的另一側溴與溶劑中有機胺反應生成溴油，沉入電解槽的底部，最終綜合能量轉換效率為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，另外鋅析出將導致電池容量、壽命下降并帶來安全問題。
• 全釩液流電池：新南威爾士大學（UNSW）在此期間取得了較多突破，該校1984年開始研發(fā)，4年后建造了1kW級的試驗電堆，能量效率達72~88%并完成專利授權。在1994年開始有商業(yè)化進展（高爾夫車、潛艇的備用電源）。在儲能領域，90年代日本住友電工SEI和關西電力研發(fā)了450kW全釩液流電池儲能示范系統(tǒng)。我國中國工程物理研究院（綿陽九院）也在1995年建成了500W、1kW全釩液流電池樣機。

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

2.3發(fā)展趨勢

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

活性材料制備：簡化材料制備流程，降低原材料成本。

• 電解液體系：提升電解液活性物質濃度和穩(wěn)定性，進而提高能量密度及循環(huán)壽命。目前具有潛力的路線為鹽酸基電解液，主要是因為氯離子和釩離子可有效絡合。
• 電堆材料：對膜材料改進，業(yè)內在積極探索對高成本全氟磺酸樹脂膜的替代路線。一方面是繼續(xù)含氟路線（基于聚偏氟乙烯PVDF改良）。另一方面為非氟路線，我國在該領域的研究處于世界前列，開發(fā)的非氟多孔濾膜具備較好的穩(wěn)定性、離子選擇性，但電導率更低，內阻較大。
• 系統(tǒng)：制造標準化的功率單元，降低成本的同時對家儲等場景進行滲透。

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

• 上游：原材料開采和制備，產業(yè)成熟。
• 中游：電堆零部件制造。目前碳氈已國產化。碳紙目前還在國產替代的進程中，受益于氫燃料電池產業(yè)的發(fā)展，結合我們與行業(yè)專家的交流得知，碳紙層面的國產替代預計將在1-2年完成。隔膜中含氟膜已做到國產替代，但距離國外頂級水平還有提升空間，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。

應用場景：今后較長時間內的核心應用場景為規(guī)?；瘍δ?，應用阻礙核心為產品成本。成本問題可以從技術與商業(yè)模式兩方面進行改進。

提高能量單元占比，降低功率單元攤銷：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（進而提高儲能時長h），整體系統(tǒng)的初始投資成本在便貼近能量單元成本進行下降。

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活性元素釩元素損耗極低，退役時殘值率~70%，因此電解液本身具備一定保值屬性（租賃基礎），可大幅降低用戶始投資成本。實際應用時，一方面需要金融機構配套支持，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檻，推測釩液流電池電解液的回收產業(yè)相比鋰電，其回收鏈條更短，原廠閉環(huán)程度更高。

市場：釩液流電池2025年/2030年裝機2.3GW/4.5GW。中國釩電池新增裝機量2021A/2022E為0.13GW/0.6GW。根據(jù)《中國釩電池行業(yè)發(fā)展白皮書（2022年）》預測，2025E/2030E釩液流電池新增規(guī)模將達到2.3GW/4.5GW，2030年釩液流電池儲能新增市場規(guī)模達405億元，累計裝機量達24GW。

本報告由勢乘資本和光錐智能聯(lián)合發(fā)布