锂电池技术变革的不确定性深度分析！

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锂电那些事 今日头条 2023年12月23日 星期六

一、前言：当前锂电池技术非终局解决方案，具有差异化特征的多技术路线同步演进

动力电池： 全球汽车电动化趋势驱动下，动力电池已成为锂电池的关键应用领域，且未来市场需求仍呈现高增长态势。但同时，动力电池的应用需求在不断精细分化，主流中低端乘用车场景追求成本可控条件下更佳的续航里程与充电效率；高端豪华车、越野车、电动航空器等应用领域价格敏感度更低，追求极致的能量密度；低端  A00  电动车、两轮车等应用场景则追求更低成本的电池解决方案。

储能电池： 新能源的电网调峰、峰谷套利等因素驱动储能系统需求呈现爆发式增长，未来市场需求年增速将维持40%以上，是锂电池发展最快的下游应用。储能电池对体积与重量敏感度低但经济性导向明确，追求低成本、高循环寿命的电池解决方案。

二、 目前商业化动力电池主要是三元锂及磷酸铁锂电池两大技术路线，并沿各自的技术路线升级迭代，持续进行成本与性能的综合竞争。

按锂电池正极材料分类，目前商业化的动力电池主要是 三元锂 及 磷酸铁锂 电池两大技术路线，并沿各自的技术路线升级迭代（如超高镍三元与磷酸锰铁锂等），持续进行成本与性能的综合竞争。同时，在高性能路线方面，由固态电解质搭载能量密度更高的新型正负极形成的 固态电池 是当前认为最具潜力的发展方向；在高性价比路线方面，因锂资源成本高昂，能量密度较低但成本与高低温性能占优的 钠离子电池 有望在短期内作为低端替代切入储能应用领域。

成熟路线之争：三元锂更具性能提升空间，但磷酸铁锂成本相对稳定，仍具中期市场竞争力

1、 技术角度：下一代高镍低钴三元锂电池或将在单位续航里程成本上获得优势

目前三元锂电池朝高镍化、低钴化甚至无钴化的技术方向发展， 是能量密度与成本双重考量下的选择。高镍低钴可以提升电池的能量密度，降低原材料成本对钴价格的敏感度。电池企业在改善高镍三元体系稳定性的过程中，材料研发、制备工艺及生产设备的沉淀将形成比传统三元材料更高的技术壁垒。 三元正极三大发展方向：

趋势一：单晶化（优点）正极材料可以分为多晶和单晶。 一般多晶材料是以微米级别的团聚体形式存在。团聚体内部存在 大量晶界。在电池充放电过程中，由于各向异性的晶格变化，多晶材料容易出现晶界开裂，导致 二次颗粒发生破碎。从而导致副反应快速增加，阻抗上升，性能快速下降等。采用单晶颗粒，可以减少晶界，减少副反应的发生，还能提高压实密度，从而提高能量密度。与多晶相比，单晶材料的循环性能一般会好很多。

趋势二：高电压化（优点）三元正极材料的第二个发展趋势是高电压化，相当于是提高锂电池充电截止电压。 一般三元电池的充电截止电压为4.2V～4.3V。国家标准GB/T 37201-2018指出，三元电池测试时 一般是以0.2C恒电流充至4.2V，再恒压充电。以5系三元为例，当充电截止电压由4.2V提高到4.4V时，正极材料放电克容量可以由158.4mAh/g 提高到188.6mAh/g，提高19%。并且充电截止电压到4.5V时，正极克容量可以超过200mAh/g。

趋势三：高镍化（优点）三元正极的第三大趋势：高镍化。高镍化的主要目的是为了提高能量密度。 从电子结构来看，钴（Co）的eg轨道为空轨道，t2g轨道与氧（O）的2p轨道有较大重叠，深度脱锂时容 易析氧，出现结构塌陷。此外钴的t2g轨道与氧的2p轨道形成π键，作用力较弱，电子易转移。镍（Ni）的eg轨道与氧的2p轨道重叠非常小，因此理论上镍的eg轨道上电子可以完全失去，镍酸锂的有 效容量更高。对于锰，当镍含量超过锰时，锰会转变为4价形态存在，非常稳定。一般而言，在NCM体系中，钴含量越高，倍率性能越好；镍含量越高，克容量越高；锰含量越高，结构 越稳定。一般8系三元的克容量可以做到超过200mAh/g。实现路径：掺杂和表面改性对正极材料性能影响重大无论是普通的正极材料，还是在向单晶、高电压、高镍方向发展时，掺杂和表面改性，都是提高 正极材料综合性能的有效方法。并且掺杂、改性的方法也是正极材料企业的核心竞争力之一。掺杂元素包括Al、Mg、Cr等，提高机理包括稳定主结构、增加锂离子层间距、在晶界处偏析等。常用的包覆剂包括Al2O3、V2O5、ZnO、ZrO2、TiO2、MgO等。仅以氧化铝包覆方法为例，第一 代技术用有机体系的异丙醇铝，第二代用水系的硝酸铝或羧酸铝，第三代用纳米级的氧化铝或氢 氧化铝。

国内两大方向对比：中镍高电压、高镍国内三元正极的两个发展方向存在一定的竞争：中镍高电压和高镍（常规电压）。从能量密度指标上来看，对于中镍高电压6系产品，充电截止电压4.4V，6系正极材料的能量密度 可以做到接近镍83的水平。从热稳定性指标上来看，中镍高电压产品一般好于高镍。622充电电压到4.5V，热分解温度比811 高，放热量比811小。海外：核壳结构+NCMA三元正极除了国内常规的单晶、中镍高电压、高镍等，海外也在推核壳结构和四元NCMA。

磷酸锰铁锂是磷酸铁锂路线的技术升级方向。 磷酸铁锂电作为正极材料，比容量已接近理论上限，磷酸锰铁锂相比磷酸铁锂具有更高的电压平台，理论能量密度可提升 20%  且低温性能更优，同时保持相较三元锂电池的安全性和成本优势，产业化布局加速。对比高镍低钴三元锂电池和磷酸锰铁锂电池的成本结构，原材料镍价格成为两者性价比对比的关键影响因素。我们认为短中期内，镍价格有望回落至 130 元 /kg  甚至更低水平，驱动高镍三元锂电池的瓦时价格趋近于磷酸锰铁锂电池。因能量密度高，搭载三元锂电池组电动汽车的电池模块更轻更小，可用更低的功耗驾驶相同的里程， 在瓦时成本相同的情境下，三元锂电池的单位续航里程成本更低，将在单位里程成本上逐步形成反超磷酸铁锂电池的价格优势。

2、商业角度：短中期内仍将主动维持磷酸铁锂采购量以降低成本波动风险

尽管高镍低钴三元锂电池具有单位里程成本优势，但其仍存较高的镍原材料成本与技术发展不确定性， 未来短中期内，下游汽车主机厂客户将主动维持磷酸铁锂采购量，以分散单一技术路线依赖导致的大幅成本波动风险。

三、钠离子电池：商业化在即，作为高性价比解决方案适配低端应用

锂电池的爆发式市场需求增长对其供应造成压力，锂资源成本激增。而钠资源储备丰富、成本极具吸引力，将在储能等对电池体积与重量敏感度低的应用场景成为低成本替代方案。

1、相比锂离子电池，钠离子电池能量密度较低，但原材料成本与高低温性能更具优势

得益于钠资源丰富、正极原材料价格友好、正负极集流体均可使用更为便宜的铝箔等特点， 钠离子电池相较锂离子电池均有显著的降本空间 （相比磷酸铁锂电池，钠离子电池成本将继续下探 20~30% ，趋近铅酸电池 0.3-0.5  元 / Wh ）。

从 能 量 密 度 看，钠 离 子 电 池 能 量 密 度 集 中 分 布 在 80-140Wh/kg ，宁德时代公布第一代钠离子电池单体能量密度为  160Wh/kg ，二代产品将提升至  200Wh/kg ，远高于传统低端铅酸电池，趋近低性能磷酸铁锂电池。从安全性看，钠电热失控风险低，比锂电更为安全；从高低温性能看，钠电可以在 -70~100 ℃的温度范围内工作，锂电尤其是磷酸铁锂电池仍需解决低温续航大打折扣的问题。从充电倍率看，钠离子溶剂化能更低、斯托克斯直径更小，具有比锂电池更快的充电速度。从循环寿命看，钠离子半径比锂离子电池更大，反应过程中脱嵌更容易损伤电极结构，循环性能介于锂电池和铅酸电池之间。

鉴于钠离子电池可预期的成本优势明显，但能量密度天花板偏低，将在低成本、低能量密度需求的细分场景中率先应用，进入铅酸电池、磷酸铁锂电池主导的储能、两轮电动车、 A00  低端电动车等领域。 预测  2025  年钠电池市场规模可达  17GWh ，并持续提高渗透率，至  2030  年替换铅酸电池  70~80%  及磷酸铁锂  20~30%  合计约  140GWh 的市场需求。

2、钠离子电池三种技术路线并行发展，分别适配不同细分下游应用场景

钠离子电池有层状金属氧化物、聚阴离子化合物及普鲁士蓝类化合物三种主流技术路线，各有利弊，预期分别适配不同的下游应用场景，并行发展：

      综合来看，层状氧化物能量密度高，无明显的性能短板，成为现阶段最先产业化的钠电正极材料；普鲁士类化合物理论性能优异，成本低，但现阶段存在结晶水、结构缺陷等问题影响循环性能和安全性，无水材料的制备是此类材料突破的关键；聚阴离子类材料安全性高，循环性能优异，降钒是此类材料的关键。       总结而言，钠离子电池性能全面优于低端应用领域的铅酸电池，与锂电池对比，其能量密度和循环寿命存在差距但 成本优势显著；未来将全面替代铅酸电池低端应用，并在低端动力电池和储能电池领域与锂电池错位竞争。

四、 固态电池：具备性能飞跃想象空间，技术实现仍需长期探索

进一步提升性能需要研发新一代电池技术， 固态电池体系具有高电化学窗口，可兼容高压正极材料，且固态电解质能抑制锂枝晶生长匹配高容量的锂金属负极，理论能量密度可达 >1000Wh/kg ，已成为行业长期追求的下一代技术。

1、 新兴高能量密度正负极：多技术解决方案竞争发展

锂硫电池、锂空电池在能量密度这一关键性能上具有更高的想象空间，是未来固态电池发展的重要电化学体系， 但新体系的研发产业化仍存在很大的不确定性，核心技术难点是否能突破也将直接影响未来市场格局。

2、固态电解质：高能量密度正负极的安全性保障，氧化物与硫化物技术路线持续竞争

当前主流固态电解质技术路线可按电解质材料体系划分聚合物、氧化物和硫化物三种。由液态电解液、聚合物与氧化物复合固态电解质组合的半固态过渡体系商业化进度较快，但高性能正负极承载能力有限，主要用于高安全性应用场景。而氧化物与硫化物全固态电解质是普遍追求的固态电解质终局解决方案。

  3、固态综合体系：固态电池技术是体系化革新，需要面对主材本身与主材间匹配的诸多挑战

  4、 产业化道路任重道远，过渡性半固态解决方案有望短期内推出

结合电池主材发展速度，我们认为固态电池演进将分为三 个阶段：

短期（ -2025 年）： 有望实现半固态，用过渡的半固态电解质替代纯液态电解液，搭配主流的高镍三元或四元正极材料及硅碳负极，确保安全性的前提下将能量密度提升至 300Wh/kg 。

中期（ 2028-2030 年）： 有望实现全固态，待技术验证成熟切换至全固态，负极可选择金属锂负极，兼顾能量密度、安全性和循环寿命，预期高镍三元 / 硅碳全固态锂电池能量密度可达  400~500Wh/kg ，高镍三元 / 锂金属全固态电池能量密度突破  500Wh/kg 。

长期（ 2030-2035 年）： 有望实现全固态匹配高能量正负极，例如锂硫电池、锂空电池，实现大于 1000Wh/kg  的超高 能量密度。

总体而言， 锂电池向着高能量、高安全性、低成本的发展方向，并且随着下游应用方向精细分化，不同技术路线将呈现多元化发展态势。

传统三元锂电池和磷酸铁锂电池的技术升级主要体现在正极材料，三元体系为兼具高能量与低成本，朝高镍化、无钴化、高压化、四元化的方向发展。磷酸铁锂体系在趋近现有工艺的能量上限后，研发更高能量密度的磷酸锰铁锂正极，因其电压平台与三元材料相近，磷酸锰铁锂可与三元材料复合使用融合优势。负极侧短期以石墨为主，硅基负极逐步提升占比。电解质溶质从主流六氟磷酸锂向双三氟甲磺酰亚胺锂等新型锂盐发展。隔膜无显著变化。

钠离子电池处于商业化初期，正极是制约电池性能的核心主材，层状金属氧化物、聚阴离子化合物、普鲁士蓝类化合物三种类型均有企业布局。负极有碳基材料、有机材料、金属氧化物材料、转化及合金化反应材料等，其中碳基材料的技术成熟度最高，硬碳负极因容量优势成为首选。电解质溶质以六氟磷酸钠为主，隔膜相较锂电没有根本性改变。

固态电池的核心在于电解质，短期组合使用液态电解质、氧化物和聚合物复合固态电解质用于半固态电池，氧化物和硫化物全固态电解质路线持续发展，预计  5-7  年后实现全固态电池商业化。其中半固态电池仍需隔膜，但全固态电池理论上可以复用固态电解质分隔正负极，不用搭载隔膜。未来随着固态电解质技术逐步成熟，可选择更高能量密度的正负极材料，搭载锂硫和锂空体系。

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