01 摘要
1.化學電池基礎原理為基於電荷轉移的氧化還原反應，反應本身受材料和製造工藝影響；
2.材料決定電池的理論性能上限，其發展原理遵循“量變”到“質變”邏輯。現有鋰離子電池材料體系框架確立已有40餘年，期間主要材料在既定框架下進行漸進式迭代，並衍生出各類型細分組合。固態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變革；
3.電池性能受製造工藝影響，是材料約束下產業資本權衡投入產出后的結果。同時，製造工藝除單點層面的進步外，也依賴產業鏈各細分環節的協同努力；
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的核心驅動。鋰離子電池產業化最為成熟，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新，其中高鎳產業化進展較快，富鋰錳基、磷酸錳鐵鋰等次之；工藝方面，製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，體現為動力系統結構的集約化設計，以提高能量單元佔比；
7.近2年鋰礦價格高位波動，疊加部分中游環節產能受限，共同驅使鋰電產業鏈進行合縱連橫。長協，鎖單，聯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範圍內得到戰略層面的重視，加劇了上遊資源博弈，提高了我國企業海外獲取資源的難度。中長期內，積極的下游需求將持續推動上游礦企的產能釋放，但經過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，博弈將更加動態化；
8.新型化學電池如鈉離子電池、液流電池的優勢和挑戰並存。鈉離子電池因鈉礦材料價格低廉，寬溫區及安全性較好，具備部分替鋰潛力；液流電池本徵安全，循環性能優，在儲能領域與鋰電錯位競爭。但由於二者技術層面仍在持續突破，成本、壽命等方面缺少規模化驗證，真正商用化起量還需時日；
9.儲能行業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，工商業峰谷套利等場景具備競爭優勢，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繫，更可能與其他技術路線搭配使用。
02 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，藉助於某些變化（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範圍
電池分類：一般可以根據能量轉化方式、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，指可充放電反覆多次循環使用的電池，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。對於電極的基本要求是具有高比容量、不易與電解液反應、材料便於獲得和製造。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）：正負極間用於傳遞電荷的載體，有液態、半固態和固態類型，無論何種電解質，都要求具有高電導率、成分穩定、使用方便。
（3）隔膜（Separator）：位於正負極之間，用於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机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，且自身具備化學穩定性。
（4）外殼：即電池的容器，具有高机械強度、耐高低溫環境、能經受電解質腐蝕等特點。
鋰離子電池結構示意圖（LiCoO2正極和石墨負極）
來源：J.B. Goodenough,K.-S.Park,Journal of the American Chemical Society, 135（2013）1167-1176.
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生，而對於電池來說，氧化還原反應分別在兩個電極上發生，存在一定空間距離，這兩個反應也被稱為電池的半反應。對於處於放電過程中的電池，陽極（負極）發生氧化反應，陰極（正極）發生還原反應，並根據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电子和離子，而在電池正極得到电子和離子。
鋰離子電池工作原理 來源：Scale Partners收集整理
2.電池誕生與演進
電池誕生的驅動本源：人類經濟社會的發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電機組產生（除太陽能發電的光伏電池技術和燃料電池發外），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，隨着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、机械能存儲。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、重複使用的需求升級換代。
03 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製造工藝影響。
（1）材料：原材料的演進基於電化學原理，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的材料。例如，在鋰元素應用之前，歷史上經歷了從銀鋅電池、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、電解液持續優化並互相適配。
（2）生產製造工藝：製造工藝的創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，進行諸如工藝優化，電池內部結構優化等改進。當基礎材料發生顛覆性變革時，針對舊材料的特定製造工藝大概率會被完全取代，產生基於新材料的製造工藝，並與通用性工藝一同構成新一代產品製造架構。
- 工藝創新：在既有的材料體系下，進行生產工藝的漸進式優化，如三元正極材料由低鎳轉向高鎳過程中，正極材料的煅燒製備、表面塗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，疊片工藝相比於卷繞工藝提升了電芯的性能。
- 結構創新：由於電池最終以系統的形式在終端應用，因此在電芯既定的情況下，結合實際的應用場景進行系統層面的結構創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新，通過減少電池非發電組件的佔比，提升電池整體的能量密度。
04 鋰電池
1.鋰電崛起的核心推動因素
1.1需求側：雙碳目標
基於環保及產業結構性升級需求，全球主導型經濟體已就雙碳目標達成了戰略共識，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，主要體現在動力性、可靠性及經濟性三方面；另外由於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異，已成為動力電池的長期主流選擇。
- 隨着鋰電產業鏈逐步成熟，疊加規模效應，鋰電需求在加速外溢，一方面替代鉛酸等傳統電池體系的存量市場，另一方面更是開闢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”體系是多年研發后的階段性產物，中短期內材料層面的創新大多數將在這一體系內進行。
1.2.1基於科學發現的顛覆式創新
鋰的發現：鋰是金屬元素中電位最低的元素（-3.040V），能提供較高的電壓。基於這一核心優勢，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：鋰以硬岩鋰、滷水鋰和海水鋰狀態存在。其中滷水鋰本身已是遊離態或者是遊離的化合態，提取時可省掉開採、破碎、粗級選礦流程，因此是目前主要的鋰源。
- 鋰的優勢：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电子（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，易於和水以及氧氣反應，帶來安全問題，導致鋰的保存、使用及加工需要較高的環境條件。
鋰電池體系的確定：現有的鋰電池體系在確立之前，其實經歷了較長時間的科研及產業驗證過程，中途還不乏出現一些“彎路”。
- 電解液體系：由於鋰化學性質活潑，因此學界最早在電解液的選取上達成了共識，即需要採用非水電解質體系。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，並沿用至今。
- 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等公司相繼開發了各類型不同正極材料的鋰金屬電池並最終實現了商業化，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於可充電電池路線為標誌，大多數企業停止了對鋰金屬電池的開發。
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）也為後續及未來鋰電池的發展做出了貢獻。如1972年，Whittingham在發明鋰離子原電池的基礎上，開發了鋰金屬二次電池，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壽命的關鍵性影響等。
備註：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，這些鋰離子會獲得电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。不過最新有研究显示，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生。
鋰枝晶生成機理 來源：Scale Partners
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於鋰金屬），進而使得電池能量密度下降。因此需要對應開發高壓正極與配套電導率和耐熱性較好的電解液，由於相關研發工作挑戰較大，鋰金屬二次電池研究停滯不前，最終業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的卓越貢獻，目前受制於鋰離子電池原理的限制，現有體系的鋰離子電池能量密度已經從每年7%的增長速率下降到2%，並正在逐漸逼近其理論極限。與之相反，隨着社會進步，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現新的材料體系，實現新一輪的破壞式創新。
1.2.2既定框架下的漸進式創新
在確定體系框架下（嵌鋰正極、有機電解液及石墨負極），鋰離子電池產業進行漸進式創新過程。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新曆程。
- 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。顛覆也體現在產業層面，全固態電池最終將改變電解質、隔膜行業，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化，因此有機液態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，匹配現有動力電池市場需求的同時提高在其他行業（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，但由於材料物化規律的限制，性能之間存在內在的提效衝突，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*平台電壓V/總重量kg=A*V*h/kg=Wh/kg，可見一定範圍內，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。基於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，限於單質的理化性能（常溫下活性小、易揮發、毒性），往往採用對應化合物代替，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，如一隻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。倍率性能體現為不同倍率充放電時，電池所表現的容量大小、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。
電池能量功率拉貢圖（灰色為目前主要應用的鋰電池）
來源：”All-solid-state lithium–sulfur batteries with three-dimensional mesoporous electrode structures”, M. Nagao, K. Suzuki, Y. Imade, M. Tateishi, R. Watanabe, T. Yokoi, M. Hirayama, T. Tatsumi , R. Kanno,J. Power Sources,330, 120-126（2016）
- 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，當前採取“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。
- 高倍率性能落實到具體參數上，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。
長循環壽命：電池放電至規定殘餘容量時所經受的循環次數，即為電池使用周期（壽命）。影響循環次數的主要因素主要有1）製造過程，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、系統管理共同影響。材料是安全性的基礎，物化缺陷明顯的材料後期很難更改（鉛酸電池，鋰金屬電池）；工藝層面，安全性受規模化生產時材料/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）；系統層面體現為配套管理系統的精細化程度，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，在不同產業階段降本主線不同。
- 產業初期，降本核心驅動為整體產業規模化降本，具體包括完善供應鏈，降低製造成本，降低原材料成本等，使得電池在部分領域率先開始商業化應用，並進行技術與生產經驗的積累。
- 產業發展期，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）。
- 產業步入成熟階段，既有的材料降本雖在持續進行，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、提高製造效率以及降低製造能耗等。
- 另外同我國部分新興科技產業一樣，國產化替代也是我國鋰電產業降本路線之一。
3.鋰電池演進路徑
3.1材料層面
電芯的活性材料是發揮功能的基礎。目前在材料層面主要有兩種開發路徑，一是開展材料改性，方式主要有降低尺寸、複合結構、摻雜和功能化、形態控制、塗覆和封裝、電解質改性等；二是研發新型電芯材料，如硫正極、硅負極、固態電解質等。
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。
鋰電池材料演進路徑一覽
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。
1）正極材料的應用現狀：正極材料發展至今，主要經歷了鈷酸鋰LCO，錳酸鋰LMO/磷酸鐵鋰LFP及鎳鈷錳NCM/鎳鈷鋁NCA三個階段。LCO至今應用於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。
不同正極材料電池能量密度演進
- 關於NCM（LiNixCoyMn1-x-yO2）：鎳、鈷、錳有不同的性能特點，因此可通過調節配比調控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，與循環性負相關；鈷與倍率及循環性正相關，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定性，因此也不得不在輔件/系統層面進行熱管理提效相關的改進。
- 關於安全性：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℃即分解並釋氧加速燃燒。
正極材料性能參數對比
2）正極材料發展趨勢：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”。
高鎳化的優勢和挑戰主要有：
- 優勢：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據显示，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：1）高鎳犧牲了安全性，對電池設計、製造要求更高，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，行業集中度較高。
高鎳化帶來結構穩定性風險，催生晶型單晶化。單晶相比多晶，顆粒直徑更小（10μm→2~5μm），晶粒一次性成型且取向一致，因此結構更為緻密，具有更好的結構穩定性和耐高溫性能。短期內因技術水平限制，單晶高鎳量產規模不大，單晶中鎳高壓是比較現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）。
高鎳單晶與多晶產品電鏡形貌圖 來源：貴州振華新材料股份有限公司招股說明書
高鎳化商用需要技術與產業鏈共同支持，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”的關鍵在於“代鈷”元素的引入。特斯拉Jeff Dahn研究發現，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（實驗表現良好），通過離子摻雜技術等改性方式實現，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兩種層狀結構複合而成的材料。“富鋰”指該材料相比傳統正極材料，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。但由於富鋰錳基結構複雜，增加了材料機理研究的難度，同時倍率、安全性及循環性能差，阻礙了商業化應用。另外，富鋰錳基材料雖然具備4.5V高電壓平台，但工作時陽離子易遷移及發生重排，導致晶格塌陷，進而電壓發生一定程度的下降。
LMFP通過摻雜Mn到LFP內形成，具備4.1V高電壓平台。但由於Mn3/4價陽離子氧化還原電位在4V左右，與電壓平台接近，導致Li+嵌入和脫出時Mn3/4價陽離子發生氧化-還原反應，使得晶體結構變化，電池循環性能下降。
LNMO基於LMO發展而來，Ni與Mn含量1:1時形成的LNMO具備4.7V高電壓平台，且比容量與LCO相近，使得理論能量密度超過500Wh/kg。同時由於電壓平台高於Mn離子氧化還原電位，無LMFP結構變化問題，材料循環穩定性較好。但由於製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生反應（而非傳統的嵌入脫出機理），相關轉化反應下可充分利用材料所有的化合價，因而循環過程交換电子多，電池電壓高。根據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。以現有電池工藝和固態電解質技術，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）成為開發熱點。經統計，2009-2020年2月，全球與鋰硫電池相關的文章發表數量突破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，一方面是電池循環性等性能指標較差，研發工作還遠未結束。另一方面是產業化面臨成本控制及工藝積累的挑戰，
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、循環性能好、兼容性強、穩定性好與價格低廉等原則。
1）負極材料的應用現狀：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。碳系材料的儲鋰機製為嵌入型，即材料微觀結構具備一定的冗餘空間，鋰離子通過嵌入脫出來完成充放電循環過程。
- 碳基材料種類較多，差異主要體現在比容與首次效率：天然石墨成本低，但首效與倍率性能稍弱，主要應用於消費類電池。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，開始規模化應用於動力電池，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，目前有小規模應用：鈦酸鋰（Li4Ti5O12）為尖晶石型構造，循環穩定性高，安全性能優勢突出，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。
負極材料性能參數對比
2）負極材料發展趨勢：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，基於不同的儲鋰機制，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生合金化反應進行儲鋰，轉化型負極材料通過與鋰離子發生可逆的氧化還原反應進行儲鋰。
不同負極儲鋰機制示意
來源：Wang, Jiangyan & Tang, Hongjie & Wang, Huan & Yu, Ranbo & Wang, Dan. （2017）. Multi-shelled hollow micro-/nanostructures: Promising platforms for lithium-ion batteries. Mater. Chem. Front.. 1. 10.1039/C6QM00273K.
- 碳系材料儲鋰機製為嵌入型，比容上限~372mAh/g，現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，循環時難以解決鋰枝晶問題。負極行業替碳需求驅動較強。
- 硅基儲鋰機製為合金型，比容上限提升可達11倍。由於新生成的合金化合物體積增大，在循環時會造成負極材料的膨脹與收縮（320%形變，對應碳基僅12%），進而影響循環穩定性甚至負極失效。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。總體上便阻礙了硅基材料的應用。
為解決上述問題，產業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：複合化（主要是碳硅複合）、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範、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：耦合電極體系優化。
目前電解質為有機液態，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、半固態到固態的轉變，大幅提升電池安全性。
1）電解液應用現狀
溶質：成分為鋰鹽，核心參數主要有離子遷移率、離子對解離能力、溶解性、熱穩定性等。當下LiPF6（簡稱“六氟”）是主流溶質產品，成膜性能較優、電化學窗口寬且污染小，但也具有低溫下易結晶、熱穩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，雙氟溫區大於六氟，且循環壽命、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。其中環狀碳酸脂類溶劑介電常數很高，粘度較大，線性指標相反。由於單一材料各有優劣，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。根據用途可分為為成膜添加劑、電解液穩定劑、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）電解質發展趨勢：全固態鋰電池技術趨勢下，電解質將逐漸完成液態、半固態、固態的轉變。固態電解質具備高電化學穩定窗口（5V以上）、高机械強度、阻燃性高、不揮發、易封裝等優點，可大幅提高電池能量密度及安全性。但應用挑戰在於固態形式下，電解質導電率低，界面阻抗高，產學界往往採用漸近式路線開發。
固態電解質分類：當前研發方向主要有聚合物型（polymer）、無機型（inorganic）、和有機-無機複合型（composite）三種。其中1）聚合物型：由聚合物基質和鋰鹽組成，相比於無機型柔順性、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，生產環境要求高；3）有機-無機複合型：在聚合物型內添加無機粒子（提高導電性能）。
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固態電解質類型及性能參數
來源：Zhu, Xiaoqi & Wang, Kai & Xu, Yanan & Zhang, Gefei & Li, Shengqiang & Li, Chen & Zhang, Xiong & Sun, Xianzhong & Ge, Xingbo & Ma, Yanwei. （2021）. Strategies to Boost Ionic Conductivity and Interface Compatibility of Inorganic – Organic Solid Composite Electrolytes. Energy Storage Materials. 36. 10.1016/j.ensm.2021.01.002.
3.1.4隔膜：更輕薄、穩定
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、循環性能、充放電電流密度等指標。膜材料產業十分成熟。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耐高溫材料。長期存在被固態電解質替代可能性。
1）隔膜應用現狀：目前商業化膜材料以聚烯烴為主，包括聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚丙烯和聚乙烯複合材料等。隔膜行業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、強度等指標優異，主要應用於中高端電動汽車、中高端消費电子等領域。
- 濕法隔膜：濕法隔膜生產工藝更複雜（技術門檻高）、成本更高。需要先通過混合-萃取製備儲基膜（熱穩定性與吸液性較差），再進行塗覆處理，包括有無機-有機複合改性、有機-有機複合改性兩類路徑。由於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塗覆，核心knowhow體現在漿料配方及混合配比中。
2）隔膜發展趨勢：在保障安全性的基礎上，隔膜一方面將進一步趨於輕薄化，以提升能量密度。另一方面將開發熱穩定性材料，以滿足高功率動力電池對安全性的要求。長期來看，液態鋰電將長時間存在，半固態電池仍需隔膜應用。未來5~10年內固態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。電池生產製造流程環節眾多，各環節工藝優化需要遵循底層材料原理，同時與環節上下游進行耦合、適配。
電芯製造是電池工藝的核心，核心挑戰為高效高一致性的產出。電芯生產環節主要可細分為前中后三段流程。
1）前段工序：極片製造過程。對生產環境要求高，需要控溫、控濕、無塵。其中最關鍵環節為塗布工序，即將攪拌后的正負極材料均勻地塗在金屬箔片上並烘乾成正、負極片。塗布工序核心設備為塗布機，其塗布速度、塗布重量與厚度的一致性、塗層與基層的粘接性直接影響電芯性能。
核心塗布技術：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，但限於極片脫粉與專用設備匹配問題，干法技術未規模化推廣。
- 濕法技術：通過粘合溶劑對電極粉末進行粘結、塗覆、烘乾，需要配備價格昂貴的電極塗布機，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）。由於乾電極具有更高的壓實密度，同時更易於負極補鋰，因此可以較大提高電池能量密度（已實現300Wh/kg，目標500Wh/kg）以及提高循環壽命（~2倍）。同時，由於省去了溶劑材料及塗布、烘乾等工序，理論降本10~20%。另外，乾電極對高鎳正極、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）中後段工序：極片裝配與電芯封裝過程。中後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，各有優缺點及工藝優化空間。
- 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，符合產業初期規模化擴張需求。但卷繞過程中，電芯存在多處彎折區域和集流體焊接區域，一方面使得內部空間利用率低，並且會有卷繞張力的不均勻和形變等現象。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、循環及安全性有提高，符合電池漸進式演進的需要，因為行業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）方形電池採用鋼或鋁合金外殼，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），同時採用疊片工藝，相對提高了安全性和能量密度，但成本也更高；3）圓柱電池採用鋼或鋁合金外殼，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：提高能量單元佔比
結構創新是在材料體系約束下的漸進式革新。傳統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，電池結構創新主要在電芯與系統兩個層面開展。其中，電芯層面的結構創新是基礎，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價值，進而支持了系統層面的集約化改進。
結構創新的核心驅動為增加電池系統的實際帶電量。車載場景內車輛底盤空間有限，整個電池系統需要盡可能多地提高功率組件（電芯）佔比，未來動力電池系統將向大尺寸模組、無模組方向發展。
車載動力電池模組結構演進
1）電芯結構優化：基於電池現有的封裝方式，電芯層面在方形和圓柱路線上均有結構創新落地，具體體現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並排，縮減合併重複的輔助結構件，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，減少了電芯數量並增大了電芯支撐力，進而減少電池輔件。同時4680採用無極耳結構，使得电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）系統結構優化：系統結構的創新整體體現出大模組化、去模組化、集成化的特徵。主要思路是在系統集成過程中去掉冗餘的零件，優化功能設計，進而降低工藝複雜度，節約材料使用，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定性差，採用“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。隨着單體電芯品質提升，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、緩衝功能，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。對應三元系統能量密度≥255Wh/kg（超過4680~13%），鐵鋰系統≥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、底盤、整車等進行統一整合。
- 寧德時代：將電池重新布置的同時與三電系統集成，統一通過智能化動力域控制器優化動力分配和降低能耗，使得成本下降，重量減輕而提升續航（800-1000km），乘坐空間更大。CATL預計2025年前後推出高度集成化CTC技術，2028年前後有望升級為智能化CTC電動底盤系統。
4.鋰電池商業化進展
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於新能源汽車，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於手機、平板電腦、筆記本電腦等电子產品，主要為鈷酸鋰（LCO）電池；3）儲能鋰電池主要用於電網儲能、基站備用電源、家庭光儲系統等領域．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，我們認為鋰電池限於物化特性限制，更適宜4h內短時間儲能，即主要用於發電及電網側調頻與短時調峰，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跟蹤各技術路線發展情況判斷。
全球儲能市場累計裝機規模 （2000-2020） 來源：CNESA
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）。
全球鋰資源量及儲量情況
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（且謹慎樂觀）。當前南美鋰資源幾乎都為鹽湖提鋰模式，當地企業，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度，不對外提供開採證，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於緊平衡狀態，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，具備開發經濟性且高品位的鋰礦資源較為稀缺，未來開採難度更大的“邊緣”鋰資源存在開採技術、成本及潛在環保問題制約。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），對企業資金、管理及抗風險能力要求較高。此外，對於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%來自於電池回收），2020~2030 CAGR20%。
- 2025-2030年，隨着新產能的投放，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劃過剩趨勢明顯。在當前“缺芯少鋰”的高景氣行情下，各國基於供應鏈安全、國家競爭與提振經濟需要出台了行業刺激法案與支持政策，企業主體基於提高市佔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）在全球範圍內的躍進式擴產。考慮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。
- 全球範圍內電池長期產能規劃暴露出較大的產能過剩風險。
4.3競爭格局：產業鏈及細分行業格局
產業鏈利潤分配情況：2017年到2022年Q1期間，根據產業鏈各公司凈利潤佔比變動可發現，鋰電池產業鏈受上游原材料供給影響明顯，且生產環節眾多，緊缺環節佔據更多超額利潤分配。
行業集中度：我們統計了近3年鋰電產業鏈各主要環節的行業集中度，包括三元前驅體、NCM正極、LFP正極、負極、隔膜、電解液、電池等，發現除LFP正極，三元前驅體及負極材料外，其餘主要環節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內，產能、成本控制等更具優勢的企業具備更強的競爭力。
電池廠商核心競爭要素：基於產業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拓展及客戶運營能力。
1）產業鏈：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動定價模式後進一步加強。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，獲得成本優勢和超額利潤。
2）下游應用：核心競爭要素隨產業的發展不斷變化。在早期EV滲透率較低的時期，電池產業也相對早期，競爭主要在良品率與產品一致性層面。補貼結束后，行業滲透率觸達拐點，二三線電池廠獲得車企戰略支持逐步起量，行業競爭激烈。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衝擊，各電池廠商在產業鏈上下游面臨較大挑戰，使得整個電池產業鏈步入生態層面競爭。
- 產業鏈：電池廠商綁定上游材料廠商已成為行業標配，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。
- 生態模式：頭部企業的生態模式創新圍繞豐富電池使用場景（儲能，電力电子），以及完善電池產業鏈閉環（換電，CTC，回收）兩方面展開，開始從製造商向能源服務商轉型。
- 客戶：我國鋰電行業成熟度較高，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、商業模式以及產業鏈存在差異，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量眾多的競對，除向上布局的車廠外，從能源電力，AI，產業互聯網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）。
05 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，相比於鋰離子電池，其化學體系圍繞鈉離子的脫嵌/嵌入及遷移來進行布局，差異主要體現在正負極材料層面，其餘電解液、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、溫區方面表現優秀，但循環性能還有待提高。
- 過渡金屬氧化物（能量密度優勢）：兩種微觀結構類型，層狀結構嵌鈉位點多但較易發生結構形變（Jahn-Teller效應），對應性能高能量密度但循環性能弱。隧道結構嵌鈉位點少但更穩定。
- 聚陰離子化合物（循環壽命優勢）：微觀為強共價鍵形成的三維網絡結構，具有開闊的鈉離子擴散通道和較高的工作電壓，且穩定性較高（循環性好），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塗料而得名。其類似物（Prussian blue analogs, PBAs）通式為AxM [M’（CN）6]1-y·⎕y·zH2O（A為鹼金屬離子；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，倍率性能和循環壽命較好。但由於結構存在間隙水，侵佔了儲鈉點位與鈉離子脫嵌通道，且實際製備時存在結構缺陷，導致PBAs應用時能量密度較低且循環性能下降。
鈉離子電池正極材料性能對比
1.1.2負極
由於鈉離子直徑與摩爾質量高於鋰離子，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。總體上具備儲鈉比容量高、較低儲鈉電壓、循環穩定等優勢。
- 軟碳：可以理解為通過微孔道結構處理后的石墨，高溫度狀態下導電性和倍率性能優於硬碳，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儲鈉，但在循環過程中會伴隨着較大的體積膨脹，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。
鈉離子電池負極材料性能對比
1.1.3主流產品性能表現
現有鈉離子電池產品性能表現（非量產數據）
成本方面，現階段鈉離子電池尚未產業化，價格還不具代表性（系統~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%，業界估算未來有~40%的材料降本空間、~20%的產業鏈降本空間，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幾乎在上世紀70年代同時開始。鋰離子電池由於先天的能量密度優勢，疊加負極材料率先突破，先一步在消費电子領域開始應用。隨着近年動力電池、儲能、電動車等終端應用的快速發展，鋰資源因供給緊需而價格走高，產業萌生替鋰需求（核心推動因素），鈉離子電池開始重回大眾視野。基於前瞻文獻的發表情況採用Gartner曲線分析可以發現，從2010年開始至今鈉離子電池急速經歷了由萌芽到泡沫破裂的過程，目前即將進入產業化初期（≠“能用”），但大規模應用還需首批產品的實際驗證（循環壽命，安全性，成本）及其後續產業鏈耦合。
1.3發展趨勢
材料：
1）材料體系方面，相比於鋰離子電池成熟的材料體系，鈉離子電池目前處於多種材料并行發展狀態，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，鈉離子正負極製造工藝受限於產能和生產工藝限制，也具備很大的提升空間。
產業化：鈉離子電池生產線在很大程度上能與鋰離子電池共用，且后發優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：正極製備技術相近（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，需要通過無煙煤製備硬碳；
2）電池生產：鈉離子電池製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），現有鋰電池廠商發展鈉離子電池的重置/改造成本很低；
3）根據1、2點可知，未來產業化時鋰電廠商因工藝knowhow積累，優勢將更突出。
應用場景：鈉離子電池的性價比優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，前期應用或採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）根據前文鋰電商業化部分的研究，至2025年鋰資源供給大概率維持緊平衡狀態，這將為鈉離子電池的產業化帶來推廣窗口期（市場調研显示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、高安全等優點，較好貼合儲能電站的需求，但還需要解決循環性問題（需要保障5~6000次及以上，有待實際驗證改進）。未來隨着能量密度提高，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）規模化應用后鈉離子電池產業鏈完善，成本降低，可替代鉛酸，並滲透部分鋰電場景，如在低速車、商用車等領域可佔據一定市場份額。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）現階段不排除部分車廠/電池廠出於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：根據中金公司測算，2025年全球鈉離子電池需求規模約為67.4GWh，滲透率達到3.5%。其中表前側儲能應用規模~24GWh，佔比35%；電動兩輪應用規模~17GWh，佔比25%。
2.液流電池
液流電池與鋰離子電池同屬於氧化還原電池，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，隨着電池的充放電，正負極活性元素的氧化價態（電位）對應發生變化。此部分主要以全釩液流電池為例展開介紹。
全釩液流電池工作原理
來源：Developing an energy storage system using a Vanadium Redox Flow Battery, NISHIMATSU CONSTRUCTION CO.,LTD.
2.1性能
液流電池系統由能量單元、功率單元、輸運系統、控制系統、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，主要差別在於活性物質不同。
- 電解液：決定理論能量密度等性能的核心要素。活性物質的濃度決定了電池系統的能量密度上限，溶液總量（體積）決定了電池系統的儲能容量上限，溶液熱穩定性決定了電池的工作溫區和可靠性。
- 電堆：決定系統的功率特性，直接影響系統整體性能。
2.1.1能量單元：電解液
溶質：硫酸鹽。優點有1）釩具有正2~5價多變價態，滿足氧化還原反應的同時不會造成正負極交叉污染；2）不同價態下的釩離子均能在溶劑中穩定存在；3）不同價態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的實時監測。
溶劑：硫酸水溶液。可維持電解液的低pH，抑制釩離子的水解，並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澱析出，目前有機/無機添加劑的作用原理均為與釩離子發生弱結合，形成絡合物或是配位鍵鏈接，以抑制V2O5固體的形成及長大，從而穩定電解液。
2.1.2功率單元：電堆
液流電池電堆結構拆分
來源：Jervis, Rhodri & Brown, Leon & Neville, Toby & Millichamp, Jason & Finegan, Donal & Heenan, Thomas & Brett, DJL & Shearing, PR. （2016）. Design of a miniature flow cell for in situ x-ray imaging of redox flow batteries. Journal of Physics D: Applied Physics. 49.
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定，且導電性、催化性及比表面積較優。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製備難度和成本較低，但其壽命在2年左右，需要定期跟換。
雙極板：用於單個電池間的隔斷，同時起到彙集電流，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，同時具有較好的机械強度。另外在製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，提高机械強度；2）碳塑複合雙極板，机械強度和耐腐蝕性較好，但是導電性下降較大。
隔膜：位於單電池兩電極之間，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採用質子傳導膜，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）產品性能已經較為優異，可支持國產替代。
2.1.3主流產品性能表現
液流電池與各類型電池性能對比
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，溫區小（0~45℃），因此並不適合動力場景，但其本徵安全性和極高的深度循環壽命（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。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儲能站點，液流電池適合規模化大型儲能站點。
2.2演進歷史
液流電池至今已有50年發展歷史，可分為技術萌芽期（1971-1986年），研發示範期（1986-2001年），商業化初期（2001年-至今）三個階段。
1）1971-1986年發展初期：液流電池概念最早由日本科學家Ashimura和Miyake在1971年提出。3年之後NASA嘗試開發了Fe-Cr鐵鉻液流電池，由於隔膜性能差導致正負極電解液交叉污染，最終並未實際應用。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。經過逐一篩選后，釩系化合物因價態豐富，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年研發示範期：研發示範期內主要是全釩與鋅溴兩種技術路線。
- 鋅溴液流電池：由埃克森美孚在1970年初開發，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，且易揮發滲透，另外鋅析出將導致電池容量、壽命下降並帶來安全問題。
- 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，4年後建造了1kW級的試驗電堆，能量效率達72~88%並完成專利授權。在1994年開始有商業化進展（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和關西電力研發了450kW全釩液流電池儲能示範系統。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年至今商業化初期：釩液流電池商業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化應用上嘗試積極，先後在工商業供電、風電光伏儲能調頻調峰有積極嘗試。
2.3發展趨勢
產品：圍繞活性材料製備，電解液體系，電堆材料以及系統優化四方面進行改進。
活性材料製備：簡化材料製備流程，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定性，進而提高能量密度及循環壽命。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。一方面是繼續含氟路線（基於聚偏氟乙烯PVDF改良）。另一方面為非氟路線，我國在該領域的研究處於世界前列，開發的非氟多孔濾膜具備較好的穩定性、離子選擇性，但電導率更低，內阻較大。
- 系統：製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。
產業化：產業鏈可分為上中下三層，中下游產業鏈有較高的提升空間。
- 上游：原材料開採和製備，產業成熟。
- 中游：電堆零部件製造。目前碳氈已國產化。碳紙目前還在國產替代的進程中，受益於氫燃料電池產業的發展，結合我們與行業專家的交流得知，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：裝備及系統整合。產業尚處於初期發展階段，主要挑戰在工藝knowhow的積累。
應用場景：今後較長時間內的核心應用場景為規模化儲能，應用阻礙核心為產品成本。成本問題可以從技術與商業模式兩方面進行改進。
商用化液流電池系統示例（鋅溴）
來源：Robert F. Service, Advances in flow batteries promise cheap backup power, Science 362 （6414）, 508-509. ，REDFLOW LIMITED
提高能量單元佔比，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），整體系統的初始投資成本在便貼近能量單元成本進行下降。
釩液流電池單位成本與儲能時長關係
電解液殘值率可觀，具備金融槓桿切入空間：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，由於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相比鋰電，其回收鏈條更短，原廠閉環程度更高。
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《中國釩電池行業發展白皮書（2022年）》預測，2025E/2030E釩液流電池新增規模將達到2.3GW/4.5GW，2030年釩液流電池儲能新增市場規模達405億元，累計裝機量達24GW。
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