动力电池产业深度报告：从芯出发，回归技术本源、聚焦发展主线

2022-7-16 07:29| 发布者: 挖安琥| 查看: 237| 评论: 0

放大缩小

简介：（报告出品方/作者：五矿证券，葛军、孙景文）一、化学电源的演进：实现电存储的绝佳方式应用场景的持续铺开，推动电池产业的快速发展。无论是如火如荼的新能源车行业，还是方兴未艾的储能产业，能量存储设备是最关 ...

（报告出品方/作者：五矿证券，葛军、孙景文）

一、化学电源的演进：实现电存储的绝佳方式

应用场景的持续铺开，推动电池产业的快速发展。无论是如火如荼的新能源车行业，还是方兴未艾的储能产业，能量存储设备是最关键的一环。以电化学氧化还原反应为理论基础的化学电源能够避开卡诺循环的限制，拥有可高达 80%以上的能量转换效率，是最适配大储能产业的工具产品。当下对于电池综合性能提升的诉求正不断加强，但也遭遇材料理化性能限制、工艺与成本优化等难点。我们认为，从产品的本质入手，理解底层运行逻辑，将能够更迅速地在变革当中做出反应，辨别产品是否具备核心竞争力。

走进化学电源：多样体系的全面渗透

化学电源经历百年积淀，在仍可继续挖掘的科学理论指导下形成完善的体系。这个体系包括组成电池的各部分材料和配套的生产制造工艺。体系十分庞杂，但通过梳理，我们认为基础的枝干（各部分的影响因素和诉求）是一致的。通过把握枝干，在完善的体系之中寻找技术继续发散的方向，是了解产业的正确路径。我们认为，未来仍将是多元电池技术持续共存的局面，但有主流与非主流之分，同时单个体系中也会有多样产品来满足下游不同需求。

探秘电池本源：性能往往不可兼得，需有所取舍

我们认为，化学电源体系下多元性能的最优难以达到，往往某种性能的提升需要牺牲另一种性能，即电池“技能树”无法全部被点亮。因此，基于丰富的下游应用场景，决定不同电池体系仍将在长时期内共存。但必须认识到，共存并非意味着平均的市场份额，静态上会有主流与细分的差别，动态上会有数类体系对其他体系的需求挤压：

性能变化受多种因子共同作用，影响方向可能不同。包括正负极材料类型、配比，以及设计与制造工艺等，都会影响电池的能量密度、倍率性能等，这就意味着若影响方向不同，将使得性能无法兼得。如锂离子电池中，电极材料与电解液在固液相界面形成的 SEI 膜能够保证 Li+嵌入脱出的同时对电子绝缘，但作为钝化膜也将使 Li+的扩散受到限制，同时 SEI 膜的更新将造成 Li+和电解质的持续损耗，进而使电池容量下降；

某些电池体系从本质上看无法较好满足某些性能需求。例如从最本征的载流子传导与输运行为出发，锂电体系的“快充性”并非最优，主要系基于脱嵌机理，Li+的扩散系数普遍比水系二次电池中的异相氧化还原反应的速率常数低数个数量级。此外，有机电解液的离子电导率通常比水系电解液低 2 个数量级。因此，基于丰富的下游应用场景，不同场景的性能要求不同，决定不同电池体系将在长时期内共存；

大容量领域的技术之争决定格局走向。大容量的市场意味着更大的份额，因此若某类体系较好适应大容量市场的需求，产品的导入将使体系份额明显提升。车用动力领域对能量密度的严格要求，使得较高比能的电池体系能够脱颖而出，对其他体系形成替代。

我们通过由表及里的方式探究影响电池性能的本质，在接下来的篇幅里，重点讨论影响性能的本质要素。性能是与直观需求联系的概念，也是直击下游需求的痛点所在。我们选取较受关注的几个性能指标开展探讨，包括能量密度、高倍率性能、循环性能和安全性能等。

高倍率性能：影响输出功率以及充电速度，本质是扩散能力

倍率指电池在规定时间内放出或达到额定容量所需的电流大小。倍率性能则为不同倍率充放电电流下表现出的容量大小、保持率和恢复能力。尤其在高倍率充放条件下，对电池的性能影响增大，包括寿命、安全性等，因此产业更关注高倍率性能。在高倍率放电下，一般会有更大的输出功率，但前期化学电源主要应用于便携式电子设备，对功率要求不高，研究开发重点主要聚焦在提高设备工作时间、便携性能以及安全性能等。

当化学电源应用于车辆时，对于高倍率性能要求更加严格，主要系输出功率影响着汽车的最高时速、加速性能及爬坡性能，此外车用动力场景要求较好的快充能力。一般来说，当以高倍率放电时，电池极化作用增强，电压下降导致比能量降低，因此常常是功率与能量不可兼得的情况。以铅酸、镍氢、锂离子电池的一般情况来讲，铅酸电池的能量功率特性较差，而锂离子电池的变化范围宽，镍氢电池具备较好的倍率性能但比能量较低。值得注意的是，长时间的高倍率充放对于封闭的电池体系并不友好，因此我们认为短期内“换电模式”是一种痛点解决方式，而长期视角下还应关注开放式电池如燃料电池体系的开发。

高倍率下的充放性能，实质是大电流条件下的反应速度保持能力，与电解质的电导率，以及离子在电极、电解质和相关界面处的迁移能力相关。落实到具体参数，主要是正负极材料的结构、尺寸、比表面积、导电性、孔隙率和电解质的传导能力、稳定性等方面，可以通过材料改性来改善倍率性能。

循环性能：衡量使用寿命的指标，全生命周期多因素影响

在一定的放电制度下，电池容量降至规定值之前，电池所经受的循环次数，称使用周期。影响电池循环寿命的主要因素有：在充放电过程中，反应条件如温度、电流密度、放电深度的变化，将导致：电极活性表面积减小，使工作电流密度上升，极化增大；电极上活性物质脱落或转移；电极材料发生腐蚀；电池内部短路；隔膜损坏和活性物质晶型改变，活性降低。

从电池产品的生产流程来考虑，多个方面会影响电池循环性能：（1）电池本身的设计，如原材料的选择、正负极活性物质的配比、电解液的选择及用量等，都会影响电池充放电过程的表现；（2）与电池制造过程的工艺相关，例如锂离子电池制造工艺的好坏影响电池的内阻大小；（3）电池的使用方法，例如大电流充放电条件、充放电截止电压超限等都会造成结构的损伤；（4）电池的使用环境，尤其是环境温度，对电池的循环寿命影响较大。

安全性能：商用首要考量的“红线”，持续改善增强可靠性

当下商用的各类电池均具有较好的安全性能，但不同类型电池的安全性能依然有所差异。铅酸电池主要的安全隐患来自其构成材料，主要系硫酸溶液电解液稳定性较低，若发生漏液或爆炸事故，造成的危害较大。此外，与锂离子电池相比，铅酸电池的安全保障也较少。对于镍氢电池，其采用的物质材料与配备的安全阀等保障系统也提升了该类型电池的安全性。不同类型的锂离子电池因电池材料的差异等原因，安全性各异，铁锂体系结构稳定安全性较好。

材料性能与工艺质量改善是提升安全性能的关键。要求电池的安全性好，即电池材料应具有较好的化学稳定性和热稳定性，同时在电池制造方面，要求材料的匹配性要好，装配性能佳，还需配备系统的电池保护措施，从整体上保障电池的安全工作。影响电池安全性能的关键因素包括内部因素与外部因素，内部因素指构成电池的各部分材料的性能，外部因素指电池使用过程中因操作不当带来的过充过放等现象。可以通过调控影响机制改善体系的安全性能。

动力领域的体系演进：追求更高比能为主线，锂电体系脱颖而出

锂电池因高比能长循环等优势，在社会日常场景中持续渗透。全球碳中和目标下，新能源汽车产业已率先发力，带动锂电体系迈入新增长。拉长周期看，我们认为，具有最优综合性能、且能够不断升级的锂电池，未来仍将继续在动力领域扮演主导角色，并逐渐向固定式储能等场景渗透。但需注意，锂电内部体系多种多样，以锂为核的技术迭代仍在进行，研发依然是企业的重心。因此，持续关注动力电池的技术变化，更有利于找寻胜者，增加投资的确定性。

二、锂电材料开发：渐进迭代为主旋律，革命性突破需量变到质变

强政策驱动下新能源汽车市场快速增长，产品力驱动逐渐强化，推动行业保持向上态势。车用动力领域的关键诉求涉及续航、安全及循环等性能，锂离子电池体系因其应用潜力及适配性而不断升级，比能已由 1991 年的 80Wh/kg 提升至当下的 300Wh/kg，其发展的根本建立在不断优化材料体系并寻找新材料组合的基础上。以往的开发路径以高比能低成本为主线，因此历经钴酸锂至三元高镍的需求份额变动。站在全球电动化提速、向市场化驱动的新节点，我们认为，锂电材料体系将继续沿高比能主线演进，需求外溢效应不断凸显。

车用动力领域，高比能主线下，按照开发难度与体系变动呈正相关的逻辑，能够梳理出相对清晰的演进路径。正极方面，短期高镍正极相对明确，中期无钴富锂高压材料更满足高比能需求，长期无锂正极将是革命性突破的重点；负极方面，碳基材料因优势的导电及承载作用将贯穿于硅基、金属锂等高比容负极的渐进开发之中。

但必须注意，动力电池一味的追求长续航既遭遇技术难点，又难满足其他性能要求。高镍体系适用城际长续航，而铁锂体系更满足市内短途，同时还有快充等细分市场。因此，多类需求场景下，在功率、安全等性能上的改善允许一定比能的牺牲，从而可能使得整体的材料体系演进相对多元，呈现综合性能螺旋升级的情形；

锂电技术升级产生的替代效应正在发生，推动体系向其他场景持续渗透。锂电池从小容量的医药航空领域导入，再逐渐替代铅酸、镍氢体系等成为车用动力领域的主流，伴随的是电池各组分的演进，尤其是关键的正负极活性材料的变化。材料改性、组合后的体系升级不仅体现在比能的提升，更在于成本竞争力的增强。这是锂电技术具有的丰富衍生材料给予的性能潜力空间。

据我们测算，具备高安全长循环优势的方形铁锂电芯不含税售价已降至 0.53 元/Wh 左右，基站备用电源全生命周期成本已低于铅酸电池；此外，铁锂等高性价比锂电体系正在向电动工具、两轮电动等低带电量领域渗透。我们认为，体系性能指标仍将持续改善，应保持多样场景导入的积极预期；同时正向反馈将是体系革新的重要动力，因此不容忽视固态等前沿技术的进展，产业进程可能超预期推进。

材料体系迭代升级，电池成本持续下降

动力电池能量密度与成本管控问题对应新能源汽车两大焦虑，我们认为未来关键焦虑有望逐步消除。1）首先动力电池的能量密度直接关系到电池包的体积、续航里程等。动力电池能量密度的提升能够减小电池包的整体体积，也能带来更长的续航里程。

电芯的活性材料是发挥功能的基础，其成本占比高，围绕材料降本增效是主要的研究方向。解构电池包，其由多电芯组成模组后，多个模组排列而成。电芯包括电极、隔膜、电解液与集流体等，而电极则由活性材料、导电剂、粘结剂等构成，其中活性材料是电化学反应的主要参与者。

正极开发主旋律：高比能为主线，多维性能渐进革新

正极是电池发挥性能的基石之一，针对正极材料的开发十分关键。但材料的研制方向相对繁杂，有必要进行开发策略的梳理。在此章，我们从正极的理化本质着手，回答五个问题：（1）针对正极为什么要持续改性？（2）如何确定改性的方向？（3）改性后不同材料具备的核心优势是什么？（4）改性后材料仍然存在哪些不足？（5）具备技术竞争力的企业有哪些？

我们认为，以能量密度为主要性能提升点的正极材料开发路径是主线。但同样要承认这是一个动态过程，期间依然有针对其他性能的改善，相对低比能的材料亦有应用价值。总体上，正极开发遵循产业化优先，体系兼容性优先的理念，能量密度将螺旋式上升：

短期 1-2 年，高镍正极是较明确的开发及应用方向：高镍正极能够提升比容，并且“去钴化”将降低成本。高镍正极是众多具有高比能潜力材料中，商业进展最快的类型。但动力领域要求较好的综合性能，高镍正极开发仍需关注安全性等方面的改善；

中期 3-5 年，富锂锰基、高电压正极等更满足比能要求：能量密度的提升在产业进程前期是重点的关注方面，但随着续航提升、电动车其他性能提高的诉求增强，未来并不会一味的追求比能。但同样要认识到，产业推进中比能提升不可或缺，中期看，高镍正极较难满足 350-400Wh/kg 以上的要求，而富锂锰基、高电压正极等类型具备更高的理论比能上限，因此是较好的研发选择，但还将遭遇其他组分如电解液匹配的问题；

长期 8-10 年，无锂正极的应用将使体系发生较大革新：正极比容提升相比负极比容提升更为关键，从元素周期表看，右上方元素如 S、O、F、Cl 等具备提升比能的较大潜力，通过无锂正极+锂金属负极的体系革新，电池的性能将获得革命性的提高。但是无锂正极的开发意味着传统电池体系的较大变动，涉及负极、电解液等多组分和结构的改进。

锂离子电池正极组分中，镍钴锰等过渡金属往往不可或缺

正极一般为含锂的过渡金属氧化物或聚阴离子化合物，且过渡金属中 Co、Ni、Mn 等较为合适，主要系：（1）过渡金属一般具有多种价态，可保持锂离子嵌入和脱出过程中的电中性；（2）嵌锂化合物具有相对锂的较高的电极电势，可保证电池有较高的开路电压。

高镍正极是已商用，最明确的产业研发方向

正极的改性方向包括高镍化、富锂化、高电压等，其中高镍正极推进商用进展较快。高比能长续航的需求推动下，正极材料性能的提升主要通过提高比容和工作电压。材料研发主要围绕三个方面：（1）研发低电位下能实现高比容的正极材料，例如高镍正极；（2）提高正极的脱嵌锂电位，例如高电压 LCO、NCM 和富锂锰基层状氧化物正极；（3）开发工作电压高的正极，例如尖晶石镍锰酸锂材料。其中高镍化已开展商用，是相对明确的产业开发方向。

正极材料高镍化是降本增效的重要路径，主要是调整三元材料镍钴及锰（铝）等过渡金属配比，其中高镍正极通常指镍相对含量在 0.6（含）以上的材料型号。（1）增加 Ni 含量可提升正极比容。按照 Ni-Co-Mn 三种元素比例的变化，主要有三元 111、523、622、811 型以及 Ni55/65 等产品，随 Ni 含量增加，材料实际放电比容量由 160mAh/g 提高到 200mAh/g 以上；（2）因钴价相对昂贵，钴含量的下降使原材料成本优势提升。

为保证安全性，高镍三元对电池厂商的产品设计、制造工艺及设备环境提出更高要求。811 型及以上的三元材料较低镍三元在理化性质上差异大，因此带来在原材料选用（使用性能更优的氢氧化锂作为锂源材料）、生产设备（需在纯氧环境中制造）、生产环境（需要专用除湿、通风设备，严格的磁性物控制）等方面的变动。因生产环节要求的提升，高品质、高一致性的材料量产难度加大，整体合格率偏低。

传统多晶三元正极改性提升比容的过程中面临材料循环及安全性能降低的问题。三元正极提升比容主要包括提高 Ni 含量与提升充电电压两种方式：1）Ni 含量提升至 90%则比容可提高到 210-220mAh/g；2）不改变材料成分前提下，通过提高充电电压的手段提升容量，例如 NCM622 在 4.3V 时比容为 176mAh/g 左右，电压增大至 4.5V 和 4.7V 时比容分别可达 201.3 和 218.1mAh/g。但在提升比容的同时，也导致正极材料循环性能和安全性能显著的降低，体现为容量保持率及热稳定性的下降。主要原因是当下商业化的三元正极大多是由纳米级别一次颗粒团聚形成的 10 微米左右的二次球型多晶材料，其内部存在大量晶界，循环过程中因各向异性的晶格变化，易出现晶界开裂，颗粒破碎等现象，电池阻抗上升，性能快速下降。

单晶三元的开发能够较好解决多晶材料面临的结构稳定性问题。单晶材料直接由直径 2 -5 微米的独立晶体构成，内部没有晶界，具备更高的结晶度、更稳定的层状结构、各向异性特征，因此单晶材料无论是在循环性能，还是在热稳定性，以及产气量等指标上都要优于传统的二次颗粒 NCM 材料。

各大材料厂家积极开发单晶材料，但高镍单晶研制难度较大，单晶中镍高电压是较为合适的过渡型产品。相比 523、622 等传统正极，811 及以上的单晶高镍在制备工艺难度上显著提高，仅少数材料厂商宣称具备单晶高镍研制能力，包括容百科技、振华新材等。产业化推进上，我们认为，短期技术安全性待提升、安全诉求增加的背景下，单晶中镍高压相比传统三元高镍，具备一定的商用竞争力。中国主流的材料厂家，如当升科技、容百科技等推出单晶高电压三元 5 系、6 系等型号产品，主要系单晶相比二次颗粒材料，容量的发挥能力较低，因此通过提升单晶中镍材料的工作电压以提升比能，可接近 NCM811 水平。应用层面，已有多款车型搭载高电压 Ni 55 电池技术（如蔚来 100kWh 电池包）。

LG 化学作为全球优质电池企业，2020 年装机量位居全球第二，其关键的优势之一在于自产正极，并且在正极材料开发层面具有：1）前驱体设计及生产的技术储备；2）掌握核心的正极材料煅烧制备工艺；3）正极改性方面的技术包括先进的掺杂及表面涂覆工艺等。基于较强的正极材料开发能力，LG 化学持续推出优质三元正极，包括 NCM111、424、 523、622 及 712 正极产品，趋势是高镍化。

在动力领域，LG 化学当下主要的产品是 NCM622 电芯，但围绕高镍商用正进行全球化的布局：1）中国区域，特斯拉 Model 3 部分车型曾采用圆柱 NCM811 电池，未来 Model Y 或将应用 NCMA 电池；2）欧洲区域，新一代 NCM712 电池由波兰工厂生产，已向大众、雷诺等供应，大众 ID.4 和雷诺新一代 Zoe 将采用该款电池；3）美国区域，2021 年起计划开始生产 NCMA 电池，搭载在通用汽车生产的皮卡上。全球化的高镍电池技术拓展初显成效。

正极“无钴化”是高镍的终极演进目标，“代钴”元素的引入是关键

高镍的下一步是“无钴”。钴元素在正极材料中起到减少 Li/Ni 混排、抑制充放电过程中的相变以提高结构稳定性的作用。尽管钴在三元电池中承担关键作用，但并非不可或缺。

Co 对于高镍材料（Ni 含量＞90%）的容量保持率几乎没有贡献；

用 Al 或 Mg 替代钴仍可抑制锂镍混排，提高稳定性；

掺杂 Al 或 Mg 均可抑制材料的 H2-H3 相变，改善循环性能；

5%的 Al、Mg 或 Mn 的阳离子替代可降低正极与电解液间的反应活性。

改性已有的高比能潜力嵌锂化合物是“无钴”的另一路径

基于已有的正极材料进行改性，是无钴的另一种可行理念。以 Ni、Co、Mn 为主要元素形成多种的衍生材料，包括镍锰酸锂（LNMO）、富锂锰基等。层状镍锰酸锂材料比容量高且易合成，但锂镍混排等问题增加产业化难度。镍锰酸锂材料开发已久，主要包括层状镍锰酸锂（LiNi0.5Mn0.5O2）和尖晶石型镍锰酸锂（LiNi0.5Mn1.5O2）。其中层状 LNMO 比容量高，理论比容约 280mAh/g。Ohzuku 等 2003 年发表的研究显示，LNMO 电池在 2.5-4.5V 之间约有 200mAh/g 的比容量。此外，材料制备方法较多且易控制，包括离子交换、水热合成、氢氧化物共沉淀法等，材料成本较低。但层状 LNMO 存在大量的锂镍混排以及较多的杂质，因此难以获得高的电池活性，从而使其商业化进程受阻。

富锂化不仅能够去钴，且能够释放更高比容量。对于传统正极材料，理论比容量最高一般为 280mAh/g，并且因完全脱锂造成结构破坏，通常只能可逆脱出约 0.65 个锂。富锂正极材料 xLi2MnO3·(1-x)LiMO2（M=Ni、Co、Mn 等）由 Li2MnO3和 LiMO2 两种层状结构按不同比例复合而成，因含更多的锂而具有高的理论比容量（320-350mAh/g）。

富锂锰基结构复杂增加机理研究的难度，倍率及循环性能差，阻碍材料的商业化。因为富锂正极材料组成的复杂性，对于其结构和脱嵌锂机制的认识存在分歧，同时也增大了机理研究的难度。材料的首放效率、倍率性能、高温性能、全电池性能、长期循环性能和充放电循环过程放电电压平台衰减方面仍存在问题，性能较差，因此也阻碍了材料自 1991 年被开发以来的产业化进程。

通过改性能够提高材料性能，但商用之路仍有电池其他部分匹配的挑战。为保持材料的结构稳定，容量、电压稳定，以及尽量减少电压和容量衰减过程中伴随的微孔、裂纹和位错等结构缺陷，可以通过表面改性、元素掺杂、预循环处理等方式来改善性能。但对于层状富锂锰基正极材料在未来全电池中的商业应用，缺乏合适的负极材料是另一个挑战。考虑到传统的碳酸脂类电解液在高工作电压下不稳定，还需要开发全新的电解液来提升材料的循环稳定性。

开发高电压正极是提高比容之外的另一种策略，其中尖晶石型 LNMO 综合性能较好。1999 年，Ohzuku 等测试了不同的过渡金属掺杂的 LiMxMn2-xO（4 M=Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn）。研究结果表明当 x=0.5 时，这类尖晶石材料均具有更高的工作电压，大部分在 5V 左右。其中掺杂 Fe 或 Ni 后，材料性能相对优异，如尖晶石 LNMO 的理论放电比容量为 146.7mA h/g，比能量可达 650Wh/kg。

传统电解液不匹配高电压正极，且歧化反应阻碍锂离子传输。（1）尖晶石 LNMO 具有高达 4.7V 的工作电压，超过当下商业化的传统有机电解液 4.5V 的电压极限。高电压下电解液发生分解，导致活性物质消耗和电池阻抗增加，使材料电化学性能恶化。（2）材料中含少量 M n3+，会发生歧化反应，生成的 Mn2+会被 HF 还原成金属锰沉积到负极锂片表面，形成钝化层，同时也造成活性物质的溶解，影响电池的循环性能。

通过掺杂或包覆等方式能够提升性能，但为达到商用，还需进一步改善。（1）通过一些金属离子对 Ni、Mn 元素部分取代，达到稳定晶体结构，调控材料的 Ni/Mn 无序程度，进而改善性能的目的。Chen 等研究 Al 掺杂对材料的影响，发现掺杂后晶体结构改变，循环和倍率性能提高， Li1.05Ni0.5Mn1.45Al0.05O4 在 55 ℃ 下其 100 次循环容量保持率达 98% ， LiNi0.475Mn1.475Al0.05O4在 10C 放电时仍保持 114mAh/g 比容量。（2）通过表面包覆，保护材料免受 HF 的侵蚀，提升循环性能。主要的实验包覆材料有 ZnO、Al2O3、SiO2等。但在商用化进程中，5V 级尖晶石 LNMO 尚处于研发和小批量生产阶段，针对高温循环稳定性、倍率性能、与电解液的匹配等方面依然需要继续研究。

革命式的正极开发方向是无锂化，涉及多组分变动

正极的最高阶：无锂正极，重点聚焦周期表右上方元素。高比能诉求下，理论上讲，材料若具备小的电化当量、高的电极电位，将更有作为正极的潜质。依据元素周期表可知，F、Cl、 O、S 等元素具备以上条件，理论上适合作为高能电池的正极活性物质。但 F2、Cl2 是有毒气体，因此一般采用氟化物或氯化物。O2无毒且无腐蚀性，可制成气体扩散电极或制成氧化物后用作正极。S 单质常温下活性小，高温时易挥发，一般采用硫化物。化合物替代单质，理论比能将下降，但仍高于传统含锂正极。

筛选高比能无锂正极，与过渡金属结合的部分卤化物、硫化物和氧化物具备优秀的能量密度。根据热力学计算，可以筛选出具备应用前景的高比能无锂正极，如 S、MnO2、FeS2、CuF2 和 FeF3等，表现出优异的能量密度（＞1600Wh/kg 以及＞6700Wh/L）。以现有电池工艺，使用固态电解质情形下，电池能量密度可达 1000-1600Wh/kg 和 1500-2200Wh/L。具备高比能的另一原因在于，此类材料一般通过可逆化学转换反应机理与金属锂发生反应，而非传统的锂离子嵌入脱出机理，转化反应下可充分利用材料所有的化合价，因而循环过程交换电子多，电池电压高。

无锂正极开发已有 50 年历史，但电池其他组分匹配问题及本身理化性质缺陷使其暂不具备商用条件。二十世纪七十年代早期，无锂正极匹配金属锂负极的二次电池开发受到关注，但对锂负极的认识和有效改善策略的缺乏，造成该类电池循环差、安全性低，逐渐转向含锂正极研究。而从材料本身实际的电化学性能来看，依然存在共性的问题：

第二次循环后容量快速衰减，倍率表现差，并且电压滞后显著，与低电子电导率、低锂离子扩散系数和缓慢的相变动力学有关；

转化反应型材料具有严重的过电位，主要受欧姆极化、电化学反应极化和浓差极化影响。对于转换反应，本质上是与不对称反应路径和主体原子缓慢扩散有关；

Li+或 Li+ -溶剂在正负极之间的穿梭通常会引起材料体积膨胀或收缩。例如 100%DO D 下理论上 S 至 Li2S 体积增加 78.69%。全电池中，所有活性物质在 100%DOD 下产生体积收缩，其中 Li-FeS2的体积收缩率最小，为 17.93%。

针对材料存在的问题，通过纳米化、掺杂及表面修饰等持续优化，有望使其更快推进产业化。

硫化物是无锂正极开发热点，无人机应用测试顺利推进

在无锂正极产业化之路上，以硫为基的正极开发是重要热点。硫的理论比容量达到 1672mAh/g，以硫为正极金属锂为负极理论比能可达 2600Wh/kg。并且硫储量丰富（地壳中丰度为 0.048%），价格低廉，仅为 LCO 的 1/60，性价比高。因此以硫为基的正极成为研究热点。锂硫电池基于转化反应，理论工作平均电压为 2.1V，放电时 Li+从负极通过隔膜自发地扩散到正极，与硫材料发生化学反应。反应中通过 S-S 键的断裂和生成实现化学能与电能的转换，期间会生成多种硫化锂中间产物。统计 2009-2020 年 2 月 2 日与锂硫电池相关的文章发表数量，达到 5000 件以上，主要由中国、美国和韩国贡献。文章发表逐年增加，体现领域热度的提升。

实际应用中锂硫电池循环性能差、容量衰减快，主因硫正极存在较多缺陷。（1）室温下，单质硫和最终还原产物（Li2S2 和 Li2S）为电子/离子绝缘体，导致硫的利用率较低；（2）产生 “穿梭效应”，多硫化物溶于电解液中，在正负极间来回穿梭，扩散至负极形成自放电，降低库伦效率，此外溶解增大电解液黏度，离子电导率减小；（3）充放电过程硫正极体积变化大，破坏电极结构，循环稳定性降低。

以硫为基作为正极，应从多维度考虑性能改善的方式，来推进产业化，其中硫正极改善是关键。硫正极应与锂负极来配合形成高比能电池，因此需从硫电极、电解质及金属锂保护多方面协作开发出更具优势的锂硫电池体系。而在改善策略中，对于硫正极的改善至关重要：

提升正极导电性，维持稳定的离子/电子导电网络。例如硫碳复合材料，纳米碳材料形成高效的正极导电骨架结构，改善硫和硫化锂低电导率的问题；

适当提高硫载量、硫利用率，降低电解液用量。如开发具有导电能力的粘结剂可降低导电碳含量。但过度增大硫载量等也影响电解液在电极表面和内部的润湿性，导致内部极化增大；

增强与正极匹配的其他组分的安全性。电解质中采用高闪点的溶剂或阻燃添加剂，或开发聚合物、固态电解质；负极提升均匀性和稳定性，改善锂枝晶及“死锂”等不良现象。

对于锂硫电池体系的实验室研究结论往往不适用产业化，主要系材料及关键指标存在差异。 1）科研领域常采用扣式电池研究锂硫电池，体系简单易控制，倍率可达 10C，循环寿命可超 1000 次；但产业化下的软包体系更为复杂，倍率更低，循环寿命难以突破 300 次，主要系产业化过程中需要平衡材料用量，如电解质中添加 LiNO3将提升循环性能，但过量则带来安全问题；2）针对 S 的溶解穿梭以及导电性差等问题，实验室可以采用匹配先进碳材料、电极表面设计涂层等方式来改善，但产业化将面临成本与工艺可实现性等问题。

锂硫电池产业化渐有成效，有望在无人机等细分领域实现应用突破。英国 Oxis Energy 是锂硫电池开发的先驱，新款锂硫电池能量密度已达 471Wh/kg。公司长期为欧美和日本客户提供 400Wh/kg 的锂硫电池，产品可满足无人机等领域的轻量化诉求。在产业化推进上，公司于 2019 年 6 月宣布计划建立首个用于批量生产锂硫电池电解质和阴极活性材料的工厂，并于 2020 年 5 月宣布将在巴西建设首个锂硫电池制造厂，目标是 2023 年投产。公司的电池技术已经在飞机电池系统中得到成功运用并进行地面测试。除 Oxis Energy 之外，2020 年 9 月搭载 LG 化学锂硫电池的无人机完成超高空首秀。LG 化学表示，将于 2025 年后量产能量密度为现有锂离子电池两倍以上的锂硫电池。相关产品有望在无人机等领域持续导入。

循环性差等关键问题较难解决，限制锂硫电池的应用，持续攻关锂硫体系的 Sion Power 已转向其他体系的研发。据 Oxis Energy 披露的产品信息，锂硫软包样品有高功率及高能量两种类型，但循环寿命仅 60-100 次，因此难以实现大范围的产业应用。另一家较早开发锂硫电池的美国电池企业 Sion Power 正从锂硫体系过渡到自研的 Licerion 金属锂体系（正极为嵌锂氧化物、负极为金属锂）。Sion Power 能够生产高比能锂硫电池，并早在 2014 年便应用于无人机上。但公司认为锂硫体系在循环性等方面的缺陷限制应用，并于 2015 年开始转向 Licerion 技术的研发。基于 Licerion 技术的电芯循环次数可达 1000 次，并具有高比能。因此持续开发锂硫体系的同时，也应当注意中短期其他体系的替代性，无锂正极在电池上的商用进程仍然相对遥远，特别是针对动力领域，体系还需继续优化。

负极突破主基调：研制更高比容低成本的材料

负极的格局相比正极的格局更加清晰，传统的石墨负极仍然是主流的应用产品。但是更高比容负极的开发对于未来先进电池体系的推进仍然是有必要的，硅基负极、金属锂负极是研发的热点。总体来说，负极的开发方向是低成本、高比容。

我们认为，碳材料无论是当下还是未来，仍然是重要的负极基体，在实现更高比容负极的过渡阶段，碳材料的加入不仅能够起到提升导电性的作用，也是重要的承载物质。在中期的产业应用上，硅基负极则具备较大的推广可能性，特斯拉的硅碳负极已经实现商用，但并非完全的硅负极，为将硅的性能更完全的释放，仍然需要通过材料改性等手段持续开发；长期来看，金属锂负极因高比容低电位而具有应用潜力，但是在动力领域所面临的困难需要较长时间来解决，如锂枝晶带来的安全风险等，因此金属锂负极可能中短期在无人机等细分领域进行推广商用，在渐进式的演进前提下，在车用动力领域预计还需 5-10 年的产业化过程。

负极当下格局：碳基是商用主流，钛酸锂因高安全应用于细分领域

负极是储锂的主体，其中碳材料是负极商业化应用中的首选与主流。锂二次电池负极材料在充放电过程中实现锂离子的脱嵌，选用时遵循比容高、电势低、循环性能好、兼容性强、稳定性好与价格低廉等原则。理论上，金属锂因低电势和高比容是理想的负极，但活性锂与锂枝晶等带来的安全问题阻碍其发展。碳材料因价格低廉、为层状晶体带来较高比容量（LiC6 理论比容为 372mAh/g）、循环性及安全性好，取代金属锂作负极，推动锂二次电池商业化。

碳基材料种类繁多，当下负极材料中人造石墨和天然石墨是主流产品。若按照结构划分锂离子电池碳材料，包括石墨、非石墨与掺杂型碳，石墨类又可分为天然石墨、人工石墨、中间相碳微球等。天然石墨成本低、技术成熟度高，但首效较低、倍率性能较差，主要用于消费类电池。人造石墨则一般采用致密的石油焦或针状焦作前驱体制成，避免天然石墨的表面缺陷，首次效率与倍率性能提升，因此在动力领域份额不断扩大。据 GGII，2020 年中国锂电池负极材料出货量 36.5 万吨，同比稳健增长，其中人造石墨占比 84%，份额逐年提升。

石墨类产品应用中存在缺陷，通过改性来提高产品性能。如天然石墨存在表面缺陷多、各向异性容易析锂等问题：（1）针对其表面缺陷多、电解液耐受性差的问题，采用表面活性剂、包覆等方式进行改性，提高部分性能；（2）针对其强烈各向异性的问题，工业生产中常采用机械处理的手段对颗粒形貌进行球形化整形，处理后粒径 D50 范围 15~20μm，首效和循环性能明显改善。人造石墨因各向异性导致倍率性能、低温性能差，充电易析锂的问题，其改性不同于天然石墨，一般通过颗粒结构重组降低石墨晶粒取向度。

具备某方面突出性能优势的负极材料如钛酸锂，可满足特定需求，适合在部分细分领域应用。嵌锂碳材料因本身理化性质具有以下缺陷：（1）形成 SEI 膜，循环过程中造成 Li+损耗与碳材料结构的破坏；（2）析出锂枝晶，增加安全隐患。在公共交通领域电动化进程中对安全性的诉求落实到负极材料，需要负极电位稍正于碳、更加安全可靠。尖晶石型钛酸锂（Li4Ti5O12）因具备突出的安全性能优势，在公共交通领域有一定应用：

“零应变材料”，结构稳定。在循环过程中，锂离子逐渐嵌入，最终形成深蓝色的岩盐相 Li7Ti5O12，晶胞参数由 0.836nm 变为 0.837nm，体积变化小于 0.2%，“零应变”下材料结构稳定，循环性好；
嵌锂电位高，不易引起锂枝晶。钛酸锂嵌锂电位为 1.55V，高于锂离子的还原电位，因此不易产生锂枝晶，提升安全性；

不生成 SEI 膜，再次提高安全性。因高于电解液的分解电压而不会生成 SEI 膜，没有 SEI 膜被破坏脱落的隐患；

循环过程中锂离子扩散系数也高于碳负极体系，因此是具备高循环优安全的负极材料。

钛酸锂劣势明显，克容量低、倍率性能差、成本高等问题限制更大范围的使用。（1）材料理论克容量 175mAh/g，电压平台较低，因此比能量较低；（2）导电性能差，导致其在大电流放电条件下极化严重，容量衰减快，倍率性能差；（3）吸湿性强，导致高温产气严重，高温循环性能差；（4）材料制备工艺复杂，成本高，电芯成本是相同能量 LFP 电池的 3 倍以上。

钛酸锂改性方法多样，但往往无法保持综合性能，有待更深入开发。（1）改善材料形貌尺寸，如颗粒纳米化、球化、多孔化等，缩短锂离子进出路径，提高比容量，但易造成与电解液的反应而形成 SEI 膜；（2）金属掺杂后的改性材料导电性提高，但循环稳定性可能会降低；（3）表面改性如碳包覆技术，可以提高电子电导率，但包覆后锂离子会在脱嵌过程中受到一定阻碍。综合看，寻找合适的离子、适当的掺杂比例、改性技术的结合是未来工作的重点。

现有负极比容已接近上限，高比容潜力负极中硅基优势显著

高比能诉求下，现有商用负极难以满足需求，需要以更高比容的材料替代。（1）市场上的高端石墨比容可达 360-365mAh/g，已接近理论上限，而钛酸锂等本身理论比容较小，因此均难以满足更高比能的需求。（2）商业化负极尤其是碳负极材料，因嵌锂电位低，在循环过程中可能会形成锂枝晶而引起电池短路。需针对问题开发更高比容的新型负极材料。

在众多可选的新型负极材料中，硅基材料是较具开发潜力的类型。高比容非碳负极包括锡基、硅基、氧化物、过渡金属氮化物以及金属锂负极等。比较理化性质，硅基具备应用优势：（1）按照理论比容排序，硅基负极可达 4200mAh/g，而其他负极大部分在 900mAh/g 左右；（2） Si 的嵌锂电位高于碳，析锂风险小；（3）Si 与普遍应用的电解液反应活性低，嵌锂过程中不会引起溶剂分子与 Li+共嵌入的问题；（4）Si 是地壳中第二丰富元素，价格低廉。

硅基负极的规模应用需解决体积效应等关键问题：（1）巨大的体积变化带来材料的粉化与电极的破坏。硅与锂的合金化反应使硅发生 1-3 倍的体积膨胀，材料产生裂纹直至粉化，带来容量的快速衰减，较大的应力下影响结构稳定性，安全风险提高；（2）体积的变化使 SE I 膜出现破裂与生成的交替，消耗活性物质与电解液，导致电池的内阻增加和容量的迅速衰减；（3）硅的导电性差，在高倍率下不利于电池容量的有效释放。

针对硅基负极的改性研究集中在解决体积效应、维持 SEI 膜稳定和提高首效三个方面。优化的方向包括：（1）硅源的改性研究。即通过制备纳米硅、多孔硅或合金硅的方式改善电化学性能，但同时也会面临工艺的复杂性等问题；（2）制备复合材料。如制备结构稳定的硅碳负极，提高导电性，增强机械强度。在开发过程中，碳源选择和结构设计是造成性能差异的关键；（3）制备氧化亚硅（SiOx）材料。作为石墨与硅的折中方案（比容 1500mAh/g 左右），材料体积膨胀大大减小，循环性能提升，但首效较低也限制在全电池中的应用。

硅基负极产业化持续铺开，“硅基时代”临近

硅基负极研发集中度高，中国、日本、美国和韩国为主要申请国。统计 2000-2019 年 6 月与锂离子电池硅基负极相关的专利数量，共计 28131 件，其中中国、日本、美国、韩国分列前 4 位。但日本、韩国和美国注重海外专利布局，中国申请人主要在国内进行专利布局。

日本申请人具有一定优势，中国申请数量大，但仍需进一步发展。统计前 100 名国际申请人的国别，日本共有 35 家，且不同排名阶段的数量都占据绝对优势，主要有松下、索尼、日立等。韩国则主要由三星和 LG 化学申请。中美分别有 23 家和 18 家申请人进入前 100 名。在中国国内专利申请排名前 20 的申请人中，国外申请人依然占据较大比重，尤其是日本。中国的企业中，比亚迪、贝特瑞、ATL 和万向集团进入前 20 名。

硅基负极产业化持续铺开，推动电池产品性能提升。特斯拉已将硅碳负极应用于 Model 3，在人造石墨中加入 10%的硅，负极容量提升至 550mAh/g，单体能量密度达 300Wh/kg；日本 GS 汤浅公司的硅基负极已成功应用在三菱汽车上。中国方面，宁德时代、国轩高科、万向集团、比亚迪等正在加紧硅负极体系的研发和试生产。负极企业贝特瑞已实现硅碳负极量产并为松下配套部分材料，杉杉股份、江西紫宸等具备小量试产能力。CATL 的高镍三元+硅碳负极电芯比能达到 304Wh/kg，力神的 NCA+硅碳负极电芯也已达到 303Wh/kg。

产业化进程中，材料成本和生产工艺是两大制约因素。尽管硅基负极材料的性能在持续提高，但在优化材料性能之外，还要考虑到制约产业化的其他因素：（1）材料成本：各家工艺差别较大，产品尚未达到标准化，导致价格较高。此外制备过程中常用到纳米硅粉，其生产对设备要求高、能耗大，因此增加成本；（2）生产工艺：制备工艺较为复杂，有待成熟，并且所匹配的主辅材对负极性能发挥影响大，相应的工艺也需要进行优化改善。

广汽应用新型硅负极材料，推动续航再上台阶。2020 年 7 月 28 日，广汽集团宣布采用新型硅负极材料的方形硬壳电芯比能达到 275Wh/kg，将使电动车续航突破 1000km。2021 年 4 月 9 日的广汽科技日再次强调长续航技术将于 2021 年量产，采用海绵硅负极片电池技术使电芯比能超过 280Wh/kg（未来提升至 315Wh/kg），同时解决硅材料膨胀问题。这将是全球首次将新型硅负极材料应用到大型动力电池电芯产品，使硅材料的动力领域实用化更进一步。

负极预锂化是硅基负极产业化的关键改性技术

硅基负极的应用导致首次库伦效率（ICE）下降，带来不可逆的容量损失。硅基负极的体积应变大，使 SEI 膜更加不稳定，持续生长的 SEI 膜不断消耗锂，造成电池的内阻增加和容量的迅速衰减。ICE 是重要的性能指标，ICE 下降带来的是不可逆锂损耗，当下的石墨材料一般会有 5%~10%的首次锂损耗，而硅的不可逆容量损失可达 15%~35%。因此，采用硅基负极在提升容量的同时，循环寿命却下降，实际一般是石墨的 1/5 左右。

预锂化技术通过补偿首次锂损耗，能够延缓容量衰减，提升硅基负极性能。尽管通过材料复合等方式可以减轻体积应变，提高 ICE，但硅比例增加的趋势下，ICE 下降问题逐渐突出。针对问题，有效的解决方法是预锂化技术，主要是在负极正式充放电循环前预先加入少量锂源平衡反应中过量消耗的锂，补充副反应和 SEI 膜形成过程中锂的消耗，以提高 ICE，延长循环寿命，改善电池综合性能。

针对负极的预锂化方法多样，而其中稳定金属锂粉末（SLMP）的预锂化是唯一实现广泛工业化的技术。对于负极的预锂化技术主要分为 5 类：

SLMP 预锂化：采用美国 FMC Lithium 生产的可投入商业应用的稳定金属锂粉作为预锂化试剂，其由质量分数约 97%的金属锂粉和 3%的 Li2CO3 组成。Pan 等在硅基复合材料表面涂覆 SLMP，使 ICE 从 68.1%提高到 98.5%，200 次循环后仍有 95%的容量保持率。技术广泛用于商业生产，但价格昂贵，裸露环境下进行已造成粉尘。

电化学预锂化：通过在构建的临时电池等装置中发生电化学反应形成SEI 膜实现预锂化，包括硅基与锂材料的直接接触和间接接触两种方式。主要应用于实验室，因条件要求严苛，规模生产难度大；

添加剂预锂化：针对硅基负极主要是添加纳米硅化锂粉 LixSi。因有着比 SLMP 更小的尺寸，利于均匀分散，对电极体积变化影响小。此种方式可操控性强，但仍需进一步降低成本以及研发多样化的添加剂；

机械预锂化：通过高能球磨等物理方法对硅基负极进行预锂化。技术操作简单、成本低廉、对环境要求较低，适宜规模生产，但过程中易造成材料内部结构的破坏。

预锂化有效可靠，产业持续开展专利布局，但仍需投入以推进规模化。前人研究表明，预锂化补锂技术可以有效提高电池的 ICE。包括 CATL、国轩高科等企业已经持续布局，尤其是 CATL，在 ATL 基础上已有多年预锂化研发经验。CATL 有多项的与极片补锂装置相关的专利，主要通过工艺的改进，来提高模块的利用率以及装置的生产产能。在产业化推进过程中，未来的重点在于进一步降低预锂化成本，提高预锂化安全性，减少环境污染，改善电池性能。

负极的革命式目标是金属锂的产业应用，难点在于安全性

金属锂是最理想的负极材料，是高比能电池不可缺的部分。传统的商用锂离子电池正极无论是采用富锂还是高镍改性手段，都难以实现 250mAh/g 的比容，主要系循环过程中为单离子嵌入。高比能电池体系开发诉求推动多离子反应的正极的发展，如 S 和 O2，而无锂正极只有在与含锂负极配对时方可实用化。金属锂因具有较高的比容量（3860mAh/g）、最负的电极电势（-3.04V vs H/H+）、低的密度（0.54g/cm3），是能够大幅提升比能的理想的负极材料。如 Li/O2和 Li/S 电池体系分别具有高达 11400Wh/kg 和 2600Wh/kg 的理论比能。

金属锂负极开发早有研究，但因存在明显缺陷可引发重大安全问题而阻碍发展。20 世纪 6、 70 年代左右便已经开始关于以锂为负极的锂二次电池体系的研究，Whittingham 等开发了以 TiS2 为正极、金属锂为负极的二次电池。但在有机电解液体系中，金属锂负极循环过程中的明显缺陷严重影响电池的稳定性和安全性，甚至引起燃烧爆炸，因此商业化应用进展缓慢：

高反应活性带来的容量衰减：金属锂本身具有强还原性和热力学不稳定性，与常规电解液反应形成钝化层即 SEI 膜，但循环过程中具有无限大的体积膨胀变化，造成 SE I 膜的破裂和重新生长。这种情况一方面导致不可逆的锂损耗，另一方面造成金属锂的粉化形成“死锂”，加速容量的衰减；

不均匀的沉积脱出形成锂枝晶，引发热失控：溶解-沉积机制下，单位时间内传输到锂电极表面不同部位的锂离子量不同，导致电流密度和反应速度不同，沉积速度产生差异，不均匀的沉积形成锂枝晶。枝晶持续生长会刺穿隔膜，导致电池内部短路，引起热失控，发生电池燃烧爆炸等安全事故。

循环过程中严重的锂枝晶生长问题直接影响体系的安全性，是实用化无法忽视的问题。通过大量的机理研究，当下主要从两方面入手，提出缓解措施：第一是降低电极表面的电流密度；第二是均化锂离子到达负极表面的传质流量，尽可能减少锂离子在突出点位的沉积速度。主要的手段有：稳定 SEI 膜法、构筑人造 SEI 膜、开展锂负极结构设计等。此外，通过金属锂负极改性，抑制体积膨胀，既能够减少活性材料降解，同时也对缓解锂枝晶生长有一定帮助。

“无负极”电池：锂金属电池研发的可行创新策略

“无负极”电池：锂全部来自正极，负极仅含集流体，是锂金属电池发展的全新策略。传统的锂电池中，负极均在电池组装之初便已存在，但“无负极”电池的锂源全部来自正极，负极仅有一集流体，充放电过程中来自正极的锂在负极集流体上发生沉积-剥离。（1）因避免直接使用负极，其体积能量密度理论上可提高 85.5%，即使锂沉积时带来体积膨胀，依然能够提升57.1%；（2）该体系无需考虑负极容量/正极容量比例问题，且输出电压也能被充分发挥；（3）利用少量锂的锂金属电池在制备锂箔时困难且昂贵，但采用集流体作负极则免去麻烦。

“无负极”电池面临容量衰减快、循环寿命短的挑战，金属锂的安全问题仍然是应用关键。金属锂在集流体上的不均匀沉积形成具有巨大比表面积的沉积微结构，与电解质反应生成SE I 膜，而体积膨胀下使 SEI 膜破裂，造成锂的持续消耗，容量快速衰减。为保持容量，需尽可能提高电池库伦效率。当库伦效率达到 99.99%时才能与商业锂离子电池媲美。此外，金属锂的体积膨胀也将带来安全问题。针对无负极电池性能的提升，研究策略主要包括电解液组分的调控、集流体表面修饰、优化电池化成和循环参数等。

电解质：匹配电池体系持续优化，固态则是革新形式

锂离子电池电解质通常为有机液态电解液，被称为锂电池的“血液”。当下电解液主要由溶剂、锂盐及添加剂组成，因下游需求不同，组分上有所差异，形成多元的电解质产品。但总体上历经多年开发，主流锂离子电池电解质产品基本定型。展望未来，随下游动力及储能等场景要求的提升，针对各种导电锂盐的开发、电解液溶剂的体系或配比的优化、新的电解液添加剂的选择或合成是电解质产品能够匹配电池体系升级的关键。

动力领域的安全性至关重要，电解质从液态形式向固态形式转变，可实现“零自燃”，大幅提升锂电池安全性。蜂巢能源已发布基于凝胶电解液的动力电池产品，针刺测试中可实现“不起火、不冒烟、自愈合”。但需注意，倍率及循环寿命等性能有所减弱。蔚来则预计 2022 年 Q4 交付基于混合固液电解质的 150kWh 固态电池包，安全性增强的同时比能提升。我们认为，固态电池是动力电池进阶必须直面的远景技术，其核心之一是固态电解质的开发。我们预计未来混合固液形式有望加速产业化，推动全固态电池在 5-10 年左右导入到动力领域。

有机液态电解液是主流的锂电池电解质体系

锂离子电池的优势与不足均与所用电解质性能密切相关。电解质在电池正负极间起到输送和传导电流的作用，影响电池的多维度性能。化学电源电解质包括水溶液电解质与非水电解质。传统锂离子电池采用非水电解质，主要系水溶液电解质的电化学窗口窄，应用非水电解质使锂离子电池能够在高的工作电压下稳定工作（工作电压比采用水系电解质的电池高出一倍以上）。但非水电解质的导电性通常不足水系的十分之一，使锂离子电池高倍率性能受限，此外有机液体电解质的高度可燃性是液态锂离子电池面临的重要安全问题。

不同种类的锂离子电池电解质各有优劣，当下主流电解质为有机液体电解质。根据电解质存在状态，可将锂离子电池电解质分为液体电解质、固体电解质和固液复合电解质。不同种类的电解质既有各自显著的优点，也有相应的不足。有机液体电解质是将锂盐电解质溶解于极性非质子有机溶剂得到的电解质，具备电化学稳定性好、凝固点低、沸点高、可在较宽温度范围内使用等优势，是当下商品化锂离子电池主要采用的电解质类型。

电解液产品优化路径：针对溶剂、锂盐及添加剂开展改性

历经几十年研究实践，锂离子电池用电解液逐渐成型。商品化电解液一般包括有机溶剂、锂盐及添加剂三部分，当下通常选择 LiPF6作为锂盐，溶剂多为碳酸乙烯酯（EC）与碳酸二甲酯（DMC）或碳酸二乙酯（DEC）、加入功能添加剂（如碳酸亚乙烯酯 VC）形成有机电解液。但需注意，电解液体系十分丰富，同时随下游动力及储能等场景要求的提升，未来针对各种导电锂盐的开发、电解液有机溶剂的体系或配比的优化、新的电解液添加剂的选择或合成仍然是重点，目标是降低成本、延长使用周期以及提高电池电化学性能等。

有机溶剂体系的替代与优化组合：锂离子电池工作电压（一般约 3.6V）高于水的分解电压（25℃时约 1.2V），因此需具有高介电常数、保证锂离子导电性的非水溶剂。常用有机溶剂包括醚类、酯类和碳酸酯类。由于锂电池运行对电解质有多维性能要求，而单一溶剂较少能够满足所有要求，因此通常需要多种溶剂按一定比例混合开展应用。如线型酯 DMC、DEC 等黏度小、但介电常数低；烷基碳酸脂 PC、EC 等介电常数高、但黏度大，因此通常采用 PC+DEC、EC+DMC 等混合溶剂以获得较高的离子导电性；

电解质锂盐开发集中在几类物质：尽管锂盐种类丰富，但锂电池适用锂盐相对有限，主要系各类锂盐虽具有独特优势，但也存在难以克服的缺陷。当下 LiPF6是商用锂离子电池锂盐的首选，具有优异的成膜性能、较宽的电化学窗口和相对较小的污染等优势。目前，电解质锂盐的研发集中在配位磷酸锂化合物、配位硼酸锂化合物和 LiTFS I 及类似物质，具有代表性的产品包括 LiFAP、LiFSI、LiTFSI 和 LiBOB 等；

不同功能添加剂的应用：在电解液中加入添加剂（体积分数一般不超 5%），主要目的包括改善界面特性、提高电解液导电能力、以及进行内部过充电保护等。添加剂通常含有不饱和官能团，主要可划分为有机磷类、氮化物、氟化物、硫化物和含硼类等。目前 VC 是应用相对广泛的添加剂，有利于促进稳定 SEI 膜的形成，提升电解质性能。

跟随体系升级，开发多元电解质产品

随锂电池下游应用场景的持续拓展，锂电池技术不断发展，高电压、高比能（采用高镍正极及硅碳负极等高比能正负极材料、提高压实密度）、宽温区、高功率、长循环、高安全性是电池研究的重点方向，电解液作为关键匹配材料，同样需要开展改性等优化工作。

未来在有机液态电解质体系内，主要的创新将体现在对新型锂盐和新型添加剂的开发。过去数十年间，电解液基本构成变化小，考虑到成本及现有电池制备工艺等因素，我们认为，由碳酸酯类及 LiPF6等组成的液态电解质在未来 5 年内预计仍将是动力电池主流，新型锂盐和添加剂的开发成为高性能电解液产品的关键。对电池高比能诉求的提升，带动高比容及高电压材料的发展，针对高电压正极开发匹配的电解液是重点，同时兼顾高容量硅碳负极、避免其在循环过程中体积膨胀带来的 SEI 膜反复破裂、再生导致的电解液过量消耗等问题。

蜂巢能源开发出基于凝胶电解液的电池产品，提升安全性能。以凝胶电解液为电解质的“果冻电池”，具有高电导（可达 6×10 -3S/cm）、自愈合、阻燃等特点，能够在几乎不降低性能的同时阻止热扩散。在实验室样品满电针刺测试中，果冻电池可实现“不起火、不冒烟、自愈合”。尽管果冻电池在内阻、循环寿命等性能指标上，相比液态电解质有所牺牲，但安全性的改善仍是产品力的重要体现。我们认为，丰富的下游场景将支撑多类型电解质产品的开发。

电解质的形态演进：固态形式将大幅提升综合性能

传统的液态锂离子电池仍有安全风险，通过引入固态电解质构建固态电池，理论上不仅具备安全优势，并且也将更好挖掘高比能不稳定正负极的应用潜力：

传统锂离子电池电解质通常为有机电解液，当出现过充、短路等异常现象时，电解液容易发热，带来自燃甚至爆炸的危险。在小型便携电子设备领域，电池因所用容量小（1~2Ah 以下）、大部分为单体形式，安全问题相对容易控制。但是作为动力电池时更高的容量带来更大的体积及质量，散热性能变差，发生事故可能性增大。在全固态电池中，电解液、电解质盐、隔膜与粘结剂等均无需使用，简化电池的构建步骤。因采用固态电解质，具备（1）不会出现电解液泄露、干涸问题；（2）没有气胀问题；（3）无机电解质“零自燃”特性，体现固态电池在安全性方面的独特优势；

固态电池具有相对常规电解液更宽的电化学窗口（可达 5V 以上），能够拓展电池材料选择范围，例如高电压正极的应用。此外，固态电解质的引入，一方面能够避免液态电解质中发生的持续的副反应，另一方面利用固态电解质的力学与电学特性抑制锂枝晶的形成，从而减少金属锂负极在液态锂离子电池运行中出现的锂枝晶等安全问题。

固态电池自 1950 年以来已有相关体系的开发，并在小容量、低功率逐渐铺开。但作为固态电池的关键组分，多元的固态电解质仍面临低电导高界面阻抗等问题，因此渐进式的体系开发路径也成为推进产业化的重要方式，即混合固液逐渐向全固态发展。

固态电解质是固态电池核心部件，各类电解质性能差异较大。固态电解质是固态体系的核心部件，材料类型很大程度上决定电池的各项性能参数，如循环稳定性、安全性、功率密度及高低温性能等。固态电解质主要包括无机陶瓷类电解质和有机聚合物电解质两类，无机陶瓷类按照元素可分为氧化物、硫化物、卤化物等。

3、材料到电芯：细节精益求精，体系紧扣实际

基于成熟且复杂的电芯设计及制造工艺，我们认为考虑技术适配程度下每一工序的价值优化是未来的主要理念。渐进式的材料体系演进下改动预计较小，而革命式的材料体系导入则可能因某组分的较大变动而影响工艺流程。如固态电池体系中因无需使用液态电解质，其外壳与组装工艺将得到简化，进而降低成本。但需注意，快速颠覆传统工艺的可能性较小，渐进的优化依然是主旋律。各工序的价值优化是主要策略，重点关注两个方面：

先进材料的产业化“最后一公里”是与其他组分的匹配性。正负极材料性能的改善固然重要，但仍不能忽略其他组分对体系的影响。电解质、隔膜、导电剂等的选择基于与正负极材料的界面兼容程度及材料本身性能优劣。如传统碳酸酯类电解液在超过 4.5V 后产生分解，降低电池性能，无法匹配高电压正极，需通过提升溶剂和锂盐的抗氧化能力等方式提高电解液高压特性。因此，这也正呼应上文提及的正负极演进体系，性能潜力较大的材料如尖晶石镍锰酸锂，高电压特性同时要求开发合适的电解质，因此一定程度拉长开发周期，增加产业化难度；

电芯的制造环节优化旨在高效产出高质产品，但技术的改进要考虑系统适配性。材料的开发匹配之后，进入电芯制造环节，这是动力电池系统工艺的核心，涉及的每道工序均需严格管控，以提升产品合格率、提高产品质量。通过对每一个细节的改善，目的不仅在于提效，还在于降本，更在于材料体系更替进程中的兼容性，如特斯拉干电极技术导入锂电芯制备工艺的尝试便有相关理念体现。工艺技术的开发尤为重要的是需考虑与现有产线的匹配性，更快的导入不仅能够更好的反映为产品价值的提升，而且有利形成先发优势获得溢价。例如，在电芯封装工序中根据外壳类型有卷绕与叠片两种路径，卷绕工艺因生产控制相对简单而被广泛应用，叠片使电芯性能的提升程度较高，但受制于操作难度、设备先进性不足等，导入进展相对缓慢。

每一生产环节是“与”门的构成，乘数放大基于严格标准

对工艺的高标准要求是生产高质量电池产品的必要条件。在生产过程中涉及繁冗的工序，各个环节采用更先进的设备、更严格的参数把控，有利于提升产品良率，增加经济效益，甚至形成产品溢价。但如果放松要求，任一环节的管理出现问题，都将显著影响产品质量。因此，各个环节的联系与电路中的“与”门相当，需要同时管控，在严格的标准之下方能体现乘数放大效应，各环节积累的品控最终将形成电池的产品力。

工艺精进是非活性材料体系外，渐进集约化的性能提升抓手

电池工艺的改进是提升能量密度、降低成本的重要方式。材料更新、改性使电芯能量密度逐渐接近理论上限，而性能改善更加困难，因此针对电池的整体工艺上的改进显得愈加重要。通过改善电池制造环节来提升性能的理念更加清晰，即减少用料及辅件、提高空间利用率等，能够降低成本并增加动力电池系统能量密度。

动力电池 Pack 由多系统构成，其中核心的动力电池包成组效率低、硬件成本占比大。汽车用动力电池 Pack 总成主要由动力电池包、结构系统、电气系统、热管理系统及电池管理系统组成。因容量功率要求，需要开展电池组装，一般为多电芯形成模组、多模组形成电池包的模式。当下传统的动力电池电芯到模组的成组效率在 80%左右，从模组到电池包的成组效率为 50%左右，因此电芯到电池包的成组效率仅有 40%。

严格管控电池制造的每一环节，持续优化，以形成优质的电池产品。1）每一环节都应严格管控：CATL 展示的从电芯、模组到电池包的制作及组装流程体现了产品复杂的制造工艺以及繁杂的工序，任一环节出现问题都将影响性能或带来安全问题；2）对制造环节应精益求精：从选材到制作，再到测试，最终完成组装，各个环节相互衔接，均有优化的空间。目的是提升生产效率与产品性能，可以通过简化环节、设备改进等方式实现。

电芯生产全环节有着高环境要求，追求精密优质高效

电芯制造是动力电池工艺的核心，目标在于生产高一致性高质量的产品。从材料到电芯的生产环节是动力电池工艺的重中之重，所需要的制造装备是动力电池工艺的核心，每道工序均需严格管控，目的在于高效生产更高质量、一致性强的电芯产品。电芯制造工艺主要分为前中后三段：

前段极片制作流程：高环境要求，涂布至关重要。包括搅拌、涂布、辊压、分切等工序，是锂离子电池制造的基础。CATL 的生产环境控温、控湿、无尘，可以媲美半导体微电子的制造环境，能够满足全流程对设备性能、精度、稳定性、自动化水平和生产效能等方面的高要求。在各环节中，涂布是关键工序，主要是将搅拌后的浆料均匀地涂在金属箔片上并烘干成正、负极片。涂布机作为前段核心设备，涂布速度、涂布重量与厚度的一致性、涂层与基层的粘接性都是影响电芯性能的重要指标；

中段电芯装配流程：保障产品性能的关键环节，可采用卷绕或叠片工艺。中段对精度、效率、一致性要求较高，根据装配方式的不同，可分为卷绕或者叠片工艺。对比来看，卷绕工艺下电芯制作更易规模化生产，而叠片工艺下电芯综合性能更佳。工序的严格管控，不仅保证产品质量，还保障安全性：如圆柱电池卷绕过程中负极极片必须完全包覆正极极片，否则循环过程中会产生析锂现象，可能导致内部短路，电池失效起火爆炸。

后段筛选封装流程：保证产品一致性，形成合格电芯。后段是电化学环节，主要包括电芯化成、分容、检测及封装等。通过对单电芯进行充电、测试等，进行数据筛选，剔除电压、内阻、容量等参数异常的电芯，易于选取合适的电芯串联或并联搭配。检测时的环境指标控制要求精准，开展严格的筛选，防止不合格电芯出厂。

小细节中的大价值：特斯拉干电极技术的启示

干电极技术的引入，既体现对现有体系持续降本增效的诉求，更有适应下一代体系的考量。特斯拉于 2019 年 2 月宣布拟斥资 2.18 亿美元收购 Maxwell，该企业的核心技术之一为干电极技术。干电极工艺是对极片制作中的涂布环节所作的创新，有别于湿法涂布，采用干法涂布制作成品电极。与湿法工艺相比，可见的变化在于节省用料、提高电极压实密度，从而降低成本、提升比能。但 Maxwell 的技术不止于此，考量更加长远，希望赋予技术更持久的生命力。干电极的生产工艺体现出对电极材料的包容性，能够更好的与高镍正极、硅基负极匹配，并且适应固态电池体系，因此可作为下一代电池体系的技术储备。

传统湿法涂布不环保且需要昂贵设备，干电极技术去除溶剂，简化涂布工艺。涂布工序即通过涂布机，将浆料均匀涂布在导流体金属箔材正反面，使得正极浆料涂覆于铝箔，负极浆料涂覆于铜箔。涂布方式的选择和参数的控制（干燥温度、厚度、面密度、尺寸等）将影响到电芯的容量、一致性及安全性。传统湿法涂布通常采用 NMP 等具有粘合剂的溶剂，混合电极粉末后涂覆在集电体上。溶剂有毒不环保且提升回收难度，并且需要配备昂贵的电极涂布机。Maxwell 的干电极工艺则采用 PTFE 粘结剂（质量占比 5%-8%）与电极粉末混合，通过挤出机形成电极薄膜，随后利用压延机热压成型，省去溶剂、简化工序（涂布、烘干等）。

干电极技术因拥有以下优势而具备替代传统湿法的潜力：

成本较湿法有 10%-20%左右的下降空间：干电极技术省去溶剂，并且不需要涂布、极片烘干工序，因此有助于优化制造工艺，理论上成本可下降 10%-20%左右。但实际产业化过程中仍需要进行成本调整；

能够提升电池性能：在能量密度方面，主要是具备两种优势而能够使性能提升，第一是干电极具备更高的压实密度，能够容纳更多活性物质；第二是更易于负极补锂，通过干电极法补锂可以减少首次循环容量损失，主要系有溶剂情况下负极金属锂与石墨无法较好融合。公司已实现 300Wh/kg 的水平，目标是提升到 500Wh/kg 以上。循环寿命方面，补锂的引入同时意味着电池寿命的增加，可将 2 倍以上寿命的提高；

是可以匹配下一代材料体系的工艺：正极方面，传统工艺下浆料为管道运输，易团聚，而高镍正极对环境湿度及粘结剂较敏感，因此影响性能及产出，干电极能够较好解决面临的问题，适配高镍；负极方面，干电极技术对于硅基负极的体系膨胀的承受能力更强，且适宜为硅基负极实现预锂化；干电极也是固态电池制造工艺的储备之一。

干电极导入锂离子电池制造工艺尚需时日。1）干电极首先应用在超级电容，而导入锂离子电池存在技术难度，主要系超级电容使用的活性炭比表面积大，粘性好，对粘结度要求不高，但锂离子电池正负极比表面积较小，并且嵌锂后体积膨胀造成粉体脱落，因此要求更高的粘结度，但目前制作的极片容易脱粉，倍率性能较差；2）干法与湿法涂覆电极的工艺流程不同，干法虽简化工艺，但需要开发差异化设备，量产技术也有待提升，因此也带来导入上的阻碍。

大体系中的充分竞争：电池封装演进下的格局之变

未来方形、圆柱及软包三种构型仍将长期共存，但创新设计将造成分化，看好方形产品的全球突围。圆柱电芯的核心优势在于标准化连续生产，能够满足特斯拉快速扩产的需求，在锂电工艺未获革命性进展的前提下，特斯拉采取适当增大圆柱电芯体积的方式提升容量，是值得借鉴的产业创新模式。我们预计特斯拉 4680 电芯的量产或将促进行业积极开发圆柱产品，中国的部分企业已经开始跟进（比克已发布 4680 电池）。但长期看，我们认为方形产品在迈向纯电驱动时代的过程中将更受青睐，主要系：

提升续航的主要思路是做大电芯，而方形相比圆柱和软包，极限创新空间大，适合纯电驱动迭代升级；

日本前期发展混动，因圆柱工艺成熟、充放电倍率优异而成为主要配套构型，但随物理尺寸增加，循环寿命和倍率等性能不可避免将下降；

高度集成对软包不友好，前期 cell to module 时期软包对外壳结构件的减量优势突出，但 CTP 甚至未来 CTC 技术的演进需要坚实结构件支撑电芯，成为软包发展的掣肘，软包在高度集成时代需要开展轻量化设计的创新。

不同封装工艺存在性能和应用潜力的差异

根据封装形式的不同，可将动力锂电分为圆柱、方形和软包三类。不同的封装结构将使电池的性能产生差异，三种类型各有优劣，也逐渐随动力领域的发展产生分化：

圆柱电池：工艺成熟，标准化程度高。圆柱电池的发展时间长，最早是由索尼公司于 1992 年发明的 18650 圆柱电池（直径：18mm，长度：65mm），诞生至今形成较强的竞争力，采用成熟的卷绕工艺，自动化程度高、产品一致性强、成本相对较低。在消费电子领域的技术验证使其在动力领域发展初期得到应用，特斯拉采用圆柱电池，并朝大型化升级（18650→21700→46800）。圆柱电池的应用也使车辆能够采用成本较低的风冷技术，主要系封包时电池之间具有较好的散热空间。圆柱电池的劣势在于，空间利用率低且径向导热差、卷绕圈数不能过多因此单体容量小，动力领域需要将上千枚单体电池进行组装，电池管理要求高；此外采用钢壳使重量较大，导致比能较低；

方形电池：工艺简单，中国普及率高。方形电池的结构和生产工艺相对简单，壳体为铝壳或钢壳(中国铝壳为主)，因整体附件质量较轻，能量密度优于圆柱。方形电池制作主要采用卷绕或叠片工艺。中国主流的动力电池企业以生产方形为主，据高工锂电，2020 年方形电池出货量约 64.6GWh，市占率达 80.8%，是普及率最高的电池类型。但方形电池因可以根据产品尺寸进行定制化生产，因此造成型号较多、工艺较难统一的问题。对于需要多只单体串并联的动力产品，标准化的要求也是方形电池需要改善的方面。

软包电池：纤薄化带来更高比能，但也使强度较差。软包电池采用叠片工艺，与其他类型相比，最大的不同在于采用软包装材料（铝塑复合膜），是软包电池中技术难度较大的组分。软包装材料一般分为外阻层（尼龙 BOPA 或 PET 等构成）、阻透层（中间层铝箔）和内层（多功能高阻隔层）。纤薄化的设计也使其具有较高的能量密度，并且增加了布局的灵活性。此外，软包电池发生安全问题时通常会鼓气裂开，安全性能好。软包的循环性能好，100 次循环衰减较铝壳少 4%-7%；设计灵活，可根据需求定制。但软包的一致性较差、成本较高、易漏液，性能需要持续改善。

封装的核心工序：卷绕更贴合实际，叠片代表高性能的未来

不同的封装形式意味着核心制造工艺的差异化，形成卷绕和叠片两种技术。圆柱电池通常采用卷绕工艺制作而成，软包电池则需应用叠片工艺，方形电池两种工艺皆可（当下主要为卷绕）。1）卷绕是将制片工序或收卷式模切机制作的极片卷绕成电芯，原材料按照负极、隔膜、正极、隔膜的顺序进行卷绕；2）叠片是将模切工序中制作的单体极片叠成电芯，例如典型的 “Z”字形叠片，正负极分别叠在隔膜两面，隔膜以“Z”字形穿行其间而隔开两极。

卷绕和叠片的工艺环节存在差异，使工艺更换将涉及产线的更新与再投资。电芯在卷绕或叠片前都需要经历搅拌、涂布、辊压等环节，核心差异在于：1）卷绕工艺需要应用制片机和卷绕机，制片是卷绕前一道工序，包括对分切后的极片焊接极耳、贴保护胶纸、极耳包胶等； 2）叠片工艺主要需采用模切机与叠片机，叠片之前先进行模切，将分切后的涂布的极片冲切成型。工序的差异带来设备的不同，工艺的更换意味着进行产线的更新和再投资。

工艺更换需要对工艺进行严格论证，当下卷绕更符合产业化需求。理论上，叠片工艺制得的电芯产品在综合性能上优于卷绕工艺，包括能量密度、循环性能及安全性能等方面，主要系卷绕电芯存在多处弯折区域和集流体焊接区域，内部空间利用率低，并且会有卷绕张力的不均匀和形变等现象，而叠片电芯界面反应更均匀，活性物质容量能够得到充分发挥。但在实际应用中，卷绕的生产效率更高，叠片则会面临虚焊、极片毛刺、粉尘等问题，控制和操作难度更大，需要进一步开展相关设备改进、提升工艺效率。

品质升级的诉求之下，持续优化的叠片工艺逐渐导入。新能源汽车的发展逐渐从政策驱动切换为消费驱动，对于产品的质量要求提升，体现在动力电池领域，对工艺品质提出了全面升级的要求。传统的卷绕工艺切合规模量产要求，但叠片对于电芯性能的提升更为明显。随企业对工艺的精进，叠片工艺开始逐渐导入。蜂巢能源已于 2019 年 4 月率先发布首款车规级方形叠片电池，其一期工厂应用的高速叠片工艺效率已达到 0.6 秒/片（传统为 1 秒/片），二期有望提升至 0.45 秒，三期将达到 0.25 秒以超越卷绕工艺效率。蜂巢能源之外，比亚迪的刀片电池也采取叠片工艺，宁德时代、松下等优质电池企业也有在 2022 年之后导入叠片的计划。我们认为，对电池品质的高要求将推动叠片技术继续精进。

工艺格局演化之思：先进技术与产业实践的契合是发展关键

全球范围内，不同封装形式电池均有一席之地，但市场竞争力已有差异。2020 年全球动力电池装机 142.8GWh，同比增长 21%，CATL、LG 化学、松下分列装机前三。从封装类型看，装机 TOP3 的主营类型不同，CATL 为方形、LG 化学为软包、松下是圆柱。从市场竞争力看，TOP10 主要是软包和方形电池企业，其中韩系企业聚焦软包，中国企业主营方形居多。短期部分企业为满足下游整车要求，推出其他封装类型产品，如 LG 化学为特斯拉供应圆柱形电池，并且取得较好的装机量；但长期看，为提升企业竞争力，向更好封装类型切换的动力提升，如松下已开发出方形产品，避免单一的圆柱业务阻碍发展。

中国区域方形电池为主流，2020 年以来圆柱电池份额有所提升。2020 年中国动力电池出货量约 80GWh，同比增长 12.7%，其中方形电池占比达到 81%，是主流的封装形式。另一方面，受益特斯拉国产 Model 3 销量高增，因其搭载 LG 化学三元 811 圆柱电池，因此圆柱类型出货量占比有所提升，我们预计未来特斯拉 4680 大圆柱带动下有望保持一定份额。分企业看，中国 2020 年装机 TOP10 中，有 6 家企业主营方形电池，支撑方形装机。