百花齐放的电池技术
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：
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创新基础 |
技术路线演进 |
代表产品 |
锂电池 |
非锂电池 |
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电极 |
LFxP |
LFMP |
√ |
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高镍/高压 三元 |
NCM 811、NCA |
√ |
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无钴电池 |
蜂巢能源NMX无钴电池 |
√ |
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非锂材料 |
钠离子电池 |
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√ |
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全矾液流电池 |
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√ |
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燃料电池 |
锂空电池 |
√ |
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氢氧燃料电池 |
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√ |
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电解质 |
半固态电池 |
麻省理工半固态液流电池 |
√ |
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固态电池 |
赣锋固态电池 |
√ |
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钠硫电池 |
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√ |
01
LFP与NCM
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指标 |
LFP |
NCM |
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原材料资源 |
磷、铁资源丰富 |
钴资源稀缺 |
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理论比容量（mAh/g） |
170 |
278 |
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实际比容量（mAh/g） |
130-150 |
150-200 |
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电压平台 |
3.4 |
4.3 |
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理论能量密度（Wh/kg） |
578 |
1204 |
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压实密度（g/cm^3) |
2.3 |
3.7-3.9 |
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电导率 |
10^-9 |
10^-3至10^-6 |
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热稳定性 |
稳定 |
300度可发生分解 |
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成本 |
低 |
高 |
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安全性 |
好 |
一般 |
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理论寿命 |
好 |
一般 |
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循环寿命 |
2000 |
800-2000 |
01
LFxP
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
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
01
钠离子电池
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
03
燃料电池
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。
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领域 |
问题 |
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氢源 |
煤制氢、工业副产品为主，电解水制氢成本达到30元/kg，远远高于石油天然气 |
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储运 |
氢气储存、运输需要专业设备，安全性要求高，成本居高不下 |
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加氢站 |
投资门槛高，加注量1000KG/d的35Mpa加氢站成本高达1500万元 |
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电池制造成本 |
目前氢燃料电池堆需采用贵金属Pt作为催化剂，部分关键原材料仍需降本。2021年中国批量采购的电堆价格有望降至2000元/kw以下，系统成本低于5000元/kw |
04
固态电池
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
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