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熙山原创作者：胡星宇 能源是推动社会发展的血液，人类社会的发展史同时也是一部能源应用史，迄今为止人类社会已经经历了三次大的能源革命：分别是以煤炭为基础的蒸汽机、石油天然气为基础的内燃机和可再生能源为基础的电动装置。  历史上每一次能源革命都会带来社会生产力的极大解放，反之会促进能源需求的大幅提升。可再生能源的多样性和电能的易控易转换性决定了电能是各类可再生能源的最佳转换载体，而电池作为电能的主要存储介质重要性不言而喻，高效和经济的电池技术孕育了巨大的产业投资机会。本文旨在归纳总结目前最新的电池技术演进路线与方向，作为中长期电池产业投资的参考。 当下电池技术均基于电化学研究框架，即通过化学能与电能的相互转化实现能源转换，电化学研究主要包括电解质与电极的研究，目前电池技术的革新也是始终围绕二者展开。2021年7月29日宁德时代发布了第一代钠离子电池，同时也公布了其对未来电池发展技术的路径预测：  基于宁德时代的电池技术路径图，结合其他电池技术进展，当前产业化预期较为明朗的主要有以下技术方向：  01 LFP与NCM LFP和NCM方案是目前主流的动力电池方案，前者成本低、安全性高,但能量密度不佳，后者能量密度优异,但却是以安全性和经济性为代价，成本、安全性与能量密度构成了不可能三角，如何扬长避短便成为了产业关注的重心，LFxP、高镍/高压三元、无钴化也就应运而生。  01 LFxP LFxP是通过掺杂其他低成本元素来提高LFP对锂电压实现能量密度提升的方案，其代表产品为国内德方纳米的LMFP方案。通过掺杂锰元素，LFP的比容量并未改变，但电压平台由3.4V提升至4.1V，从而实现理论能量密度20%的提升。  遗憾的是LMFP仍然继承了LFP材料比容量的上限，提升后的能量密度也就与NCM523持平，同时掺杂后的材料也出现了新的问题：导电性差、充放电会损失容量、降低循环性能等。但能量密度20%的提升毫无疑问延长了LFP材料的生命力，诸多产业资本对这一过渡性技术表现出了强烈兴趣。  02 高镍/高压三元与无钴化 三元材料的缺陷主要体现在经济性不佳，受制于钴的稀缺性，三元材料的价格相较LFP始终居高不下，NCM811/NCM523的价格是LFP价格的2倍以上，且未来随着钴资源的持续开采成本压力不减反增。解决途径主要包括：1、进一步提高三元材料能量密度以匹配成本的上涨，保持“性价比”;2、减少钴元素的使用，实现低钴甚至无钴。  途径一明显是治标不治本，旨在作为过渡方案延长三元材料的生命力，具体的技术方案包括：对正极包覆、掺杂改善其在高温高压下的循环稳定性、采用硅基负极材料（如硅碳负极）提升负极比容量提高三元电池整体能量密度等。前者主要由三元前驱体厂商主导，后者则由电池厂主导通过改变电池的设计方案实现。   相较于途径一，低钴/无钴方案更具备长期发展潜力，低钴方案中NCM811/NCA均是代表性产品并已得到批量应用，其中NCA产品由于充放电过程产气明显主要适用于圆柱封装且全生产过程要控制湿度在10%以下，在国内市场应用较少，国际上主要特斯拉独家使用松下NCA三元锂电池。   低钴是量变，无钴则是质变。钴在NCM三元体系中主要是为了有效减少阳离子混排，降低阻抗值，从而提高电池电导率与改善充放电循环性能，因此无钴需要克服的技术难点远远高于低钴。 特斯拉是无钴电池先行者，早在2016年特斯拉就开始与相关团队合作推进无钴产业化，2020年特斯拉电池日上公告未来会将无钴电池在其高端车型上应用。国内进度比较靠前的是蜂巢能源，其于2021年5月全球发布NMX无钴材料，通过阳离子掺杂、单晶与纳米网络化包覆技术解决去钴后的电池稳定性和循环寿命问题，并率先在长城欧拉闪电猫、樱桃猫实现产业化配套。根据已披露的数据来看，NMX成本上与NCM811相近但其他指标占优，长期来看成本优势会愈加明显。  02 非锂材料 非锂材料电池的诞生主要源于成本倒逼与差异化应用场景，在LFP/NCM为代表的锂电池框架下部分研究者选择跳出来看问题。本文主要以钠离子电池、全钒液流电池为例论述。 01 钠离子电池 钠离子电池，顾名思义是指依靠钠离子在正负极之间移动来工作，与锂离子电池工作原理相似。优势在于成本更低（材料成本降低30%-40%）、工艺相近可沿用锂电产线、可使用铝箔代替铜箔减重10%、低温性能好等，缺陷也十分突出：能量密度缩水、产业链配套不成熟等。   目前国内钠离子电池的主要参与者是宁德时代、中科海钠等，目前产业链配套不成熟导致成本优势不明显，未来主要关注宁德时代的产业化进展，尤其是低速车、储能领域的突破。  02 全钒液流电池 相较于钠离子电池主要由成本驱动，全钒液流电池则是得益于其自身优秀的产品性能获得关注。全钒液流电池是一种以钒作为活性物质呈循环流动液态的氧化还原电池，1985年首次由澳大利亚新南威尔大学Marria Kacos提出，经过20年研发后已在全球各地作为储能电池广泛应用。目前该领域国内外主要参与者包括北京普能科技、中科院大连化物所、日本住友电工、Kashima- Kita电力公司等。  03 燃料电池 燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，其与锂电池的工作原理大相径庭：锂电池的能源转换为电能到化学能再到电能，而燃料电池则是直接将化学能转化成电能。锂电池是一个储能装置，通过可逆的电化学反应实现电能的存储和释放，它必须储能再放能，完全依赖于外部能量的供应。燃料电池无需储能，是一个电能生产装置，它通过电催化反应将燃料中的化学能转换成电能释放出来。  燃料电池相较于目前的主流电池路线发展潜力巨大，以实验室指标来看均优于已有的电池性能，被视为下一代电池技术的最佳方案。  目前综合成本过高是制约燃料电池大规模发展的主要瓶颈，受制于成本氢燃料电池产业化之路仍处于萌芽期，2021年我国燃料电池汽车产销分别完成627辆和486辆。目前国内押注燃料电池赛道的玩家众多，但行业整体仍处于投入阶段，以技术研发和储备为主。   04 固态电池 区别于以上技术路线，固态电池主要是基于电解质材料创新，与上述电池路线可以共存的电池技术。固态电池本质上是通过使用稳定固态电解质代替易燃有机电解液，从而改善电池安全性能，由于高能量密度电池稳定性通常趋弱，采用固态电解质可以兼顾安全性需求。  目前固态电池的技术发展是由液态-半固态-固态逐步迭代，液态电解质含量逐步归零，石墨负极逐渐替换为更高活性的金属锂片，届时电池能量密度将达到500wh/kg，工作温度也将扩大三倍以上。  目前国内外均已开展固态技术产业化，国内以宁德时代、国轩高科、清陶能源、卫蓝新能源等为代表均完成了对固态/半固态产品的实验室研发，根据各企业规划，卫蓝新能源和清陶能源计划在2022年左右推出量产固态电池，而其他企业多在2025年之后推出相关产品。中国科学院院士欧阳明高表示，2025年是液态电池向固态电池过渡的关键期，2030年国内全固态电池占比不会超过1%。  05 结语 随着科技的发展，电池技术的发展也是日新月异，电池作为新能源赛道的重要一环，科技创新是推动产业持续发展的不竭动力，立足当下放眼未来方能行稳致远。 |
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