作者｜李佳林、丁秀金、赵江宇
本报告由势乘资本和光锥智能联合发布
一、摘要
1．化学电池基础原理为基于电荷转移的氧化还原反应，反应本身受材料和制造工艺影响；
2．材料决定电池的理论性能上限，其发展原理遵循“量变”到“质变”逻辑。现有锂离子电池材料体系框架确立已有40余年，期间主要材料在既定框架下进行渐进式迭代，并衍生出各类型细分组合。固态电池支持材料的颠覆式改进（负极改为金属锂），可极大提升能量密度，是可推测的下一次重大产业变革；
3．电池性能受制造工艺影响，是材料约束下产业资本权衡投入产出后的结果。同时，制造工艺除单点层面的进步外，也依赖产业链各细分环节的协同努力；4．不同终端应用场景对电池性能需求存在差异，由此衍生出能量型、功率型、循环型等单一性能凸出的型号，反馈在技术路线上即难存在“赢家通吃”的局面；
5．能源消费电气化、电力生产清洁化是电池产业的核心驱动。锂离子电池产业化最为成熟，是目前化学电池中的应用主流，中短期内钠离子电池，液流电池在细分场景可实现初步商用化；
6．锂离子电池主要应用场景为动力领域，提升能量密度其核心目标。材料方面，LFP，NCM两大体系均存在渐进式创新，其中高镍产业化进展较快，富锂锰基、磷酸锰铁锂等次之；工艺方面，制造技术迭代是受材料体系约束的一个边际改善的过程，在材料进展缓慢时具备较高的投入价值；电池与下游应用也在进行深度耦合设计，体现为动力系统结构的集约化设计，以提高能量单元占比；
7．近2年锂矿价格高位波动，叠加部分中游环节产能受限，共同驱使锂电产业链进行合纵连横。长协，锁单，联动定价等模式提高了锂电中下游厂商的供应链管理难度。同时锂矿开始在全球范围内得到战略层面的重视，加剧了上游资源博弈，提高了我国企业海外获取资源的难度。中长期内，积极的下游需求将持续推动上游矿企的产能释放，但经过2019－2020产能过剩打击、面对更加确定的下游需求以及锂期货的诞生后，上游将更审慎进行产能扩张，预期锂矿供需维持紧平衡趋势，博弈将更加动态化；
8．新型化学电池如钠离子电池、液流电池的优势和挑战并存。钠离子电池因钠矿材料价格低廉，宽温区及安全性较好，具备部分替锂潜力；液流电池本征安全，循环性能优，在储能领域与锂电错位竞争。但由于二者技术层面仍在持续突破，成本、寿命等方面缺少规模化验证，真正商用化起量还需时日；
9．储能行业确定性与景气度双高，但终端需求差异化明显，各类技术路线需要物尽其才而非削足适履。未来储能市场从政策驱动转向为市场驱动后，对化学电池而言，其在短时调峰，工商业峰谷套利等场景具备竞争优势，但在其他细分场景将面临新兴技术的强力竞争（调频：飞轮；中长时调峰：压缩空气，抽蓄，氢能），当前一家独大的局面难以长期维系，更可能与其他技术路线搭配使用。
二、电池原理、诞生及演进
1．化学电源原理及构造
电池定义：电池是具备存储和转换能量功能的装置，借助于某些变化（化学或物理变化）将某种能量（化学能或光能等）直接转换为电能。
注：通过化学反应直接将化学能转换为电能的装置称为化学电源，是本报告重点讨论的范围
电池分类：一般可以根据能量转化方式、电解液种类、工作性质和贮存方式、正负极材料等对电池进行分类。按照电池的工作性质和贮存方式，可分为一次电池、二次电池、燃料电池、液流电池（一种可充电燃料电池）、贮备电池等。其中二次电池概念应用较多，指可充放电反复多次循环使用的电池，如铅酸蓄电池、锂电池等。
电池结构：一般由5个部分组成，包括由正负极、电解质、隔膜和外壳。
（1）电极：分为正（Cathode）极和负（Anode）极，由活性物质、导电骨架和添加剂等组成。其中，活性物质参与电极反应，决定电池基本特性。对于电极的基本要求是具有高比容量、不易与电解液反应、材料便于获得和制造。注：比容量指电池容量（一定放电条件下电池可放出的电量）与电池重量或体积的比。
（2）电解质（Electrolyte）：正负极间用于传递电荷的载体，有液态、半固态和固态类型，无论何种电解质，都要求具有高电导率、成分稳定、使用方便。
（3）隔膜（Separator）：位于正负极之间，用于传递电荷及防止正负极活性物质直接接触（将导致短路）的薄膜。隔膜需要具备一定的机械强度及抗弯曲能力，同时对电解质离子运动的阻力越小越好，且自身具备化学稳定性。
（4）外壳：即电池的容器，具有高机械强度、耐高低温环境、能经受电解质腐蚀等特点。
锂离子电池结构示意图（LiCoO2正极和石墨负极）
来源：J．B． Goodenough，K．－S．Park，Journal of the American Chemical Society， 135（2013）1167－1176．
工作原理：电池本身是一个电化学体系，简单来说就是有电荷转移的氧化还原反应。一般氧化还原反应基本是同时在同一位置发生，而对于电池来说，氧化还原反应分别在两个电极上发生，存在一定空间距离，这两个反应也被称为电池的半反应。对于处于放电过程中的电池，阳极（负极）发生氧化反应，阴极（正极）发生还原反应，并根据下面的的半反应方程式可以知道，在放电过程中电池的负极失去电子和离子，而在电池正极得到电子和离子。
锂离子电池工作原理
来源：Scale Partners收集整理
2．电池诞生与演进
电池诞生的驱动本源：人类经济社会的发展提升对能量的需求，电能作为转化各类能量的中间载体被推广普及，使用电池存储和利用电能成为必然。
电能主要由一次能源驱动电磁感应发电机组产生（除太阳能发电的光伏电池技术和燃料电池发外），使用时再通过各类电器设备转为其他形式的能量加以利用。因此电能作为转化各类能量的中间载体，随着人类活动对能量的需求提升而被推广普及。
电能主要有三大类存储模式，除化学能存储（电池）外还包括电磁能存储、机械能存储。电池因高效，便携、低成本等特点，应用最广泛。
电池演进过程：整体演进过程遵循认识电→利用电→伴随便携、重复使用的需求升级换代。
三、电池进化的推动力
需求端：生产力进步提升了能量总量需求，电气化渗透率加深丰富了能量使用场景，合力推动电池性能、使用便捷度性的不断升级。
供给端：电池作为一个工艺产品，其性能主要受基本原材料与制造工艺影响。
（1）材料：原材料的演进基于电化学原理，主要为渐进式革新模式，是由“量变”到“质变”的过程。
质变：破坏式创新，在电池的演进过程中，科学家以元素周期表为基础，挑选理论性能较好的元素开展了大量的材料组合实验，以选取综合性能最优的材料。例如，在锂元素应用之前，历史上经历了从银锌电池、铜锌电池、铅酸电池、锌锰电池、镍类电池（镍镉电池、镍铁电池和镍氢电池）等过程，最终形成目前的锂离子电池体系。
量变：渐进式创新，在确定的基础技术框架内进行各组件的性能迭代升级，例如锂电体系下，正负极材料以及隔膜、电解液持续优化并互相适配。
（2）生产制造工艺：制造工艺的创新是在原材料基础上进行的框架式革新，即在特定的基础材料限定下，进行诸如工艺优化，电池内部结构优化等改进。当基础材料发生颠覆性变革时，针对旧材料的特定制造工艺大概率会被完全取代，产生基于新材料的制造工艺，并与通用性工艺一同构成新一代产品制造架构。
工艺创新：在既有的材料体系下，进行生产工艺的渐进式优化，如三元正极材料由低镍转向高镍过程中，正极材料的煅烧制备、表面涂覆等工艺也随之进步；又例如，在电芯封装过程中，同样的材料，叠片工艺相比于卷绕工艺提升了电芯的性能。
结构创新：由于电池最终以系统的形式在终端应用，因此在电芯既定的情况下，结合实际的应用场景进行系统层面的结构创新也可提升电池性能，如各电池厂商在动力电池场景内进行的无模组结构创新，通过减少电池非发电组件的占比，提升电池整体的能量密度。
四、锂电池
1．锂电崛起的核心推动因素
1．1需求侧：双碳目标
基于环保及产业结构性升级需求，全球主导型经济体已就双碳目标达成了战略共识，进而催生了能源消费电气化、电力生产清洁化变革。具体体现为汽车新能源转型，电力上游一次能源可再生化转型等。
电池作为高效便携的储能载体，成为了上述产业转型（尤其是移动能源场景）重要的技术支撑载体。锂电池综合性能优势凸显，也因此成为当前应用最广的电池产品
电池拥有超80％以上的能量转换效率。
车载动力由燃油驱动转为电驱动过程中，一方面要求电驱动具备与燃油驱动同等程度的可用性，主要体现在动力性、可靠性及经济性三方面；另外由于电驱动与燃油驱动原理存在本质差异，因此也新增了安全性要求。锂电池因可用性与安全性的综合性能优异，已成为动力电池的长期主流选择。
随着锂电产业链逐步成熟，叠加规模效应，锂电需求在加速外溢，一方面替代铅酸等传统电池体系的存量市场，另一方面更是开辟了储能等全新的应用场景。
1．2供给侧：核心材料
供给侧主要推动因素来自电池材料的进步。材料的研究过程遵循“量变积累－促成质变－量变积累”的模式。当前锂电池所处的“有机电解液＋嵌锂化合物正极＋碳基负极”体系是多年研发后的阶段性产物，中短期内材料层面的创新大多数将在这一体系内进行。
1．2．1基于科学发现的颠覆式创新
锂的发现：锂是金属元素中电位最低的元素（－3．040V），能提供较高的电压。基于这一核心优势，围绕锂作为电池材料的研究开始逐步展开；此外，锂还具备如下特点。
锂源情况：锂以硬岩锂、卤水锂和海水锂状态存在。其中卤水锂本身已是游离态或者是游离的化合态，提取时可省掉开采、破碎、粗级选矿流程，因此是目前主要的锂源。
锂的优势：除了低电位特点，锂还是质量最轻的金属（相对原子质量6．9，密度0．534g／cm3），等质量条件下可提供更多的电子（更大的电势差）；同时，锂离子半径小，更容易在电解液中移动。
用锂难点：锂元素性质太活泼，易于和水以及氧气反应，带来安全问题，导致锂的保存、使用及加工需要较高的环境条件。
锂电池体系的确定：现有的锂电池体系在确立之前，其实经历了较长时间的科研及产业验证过程，中途还不乏出现一些“弯路”。
电解液体系：由于锂化学性质活泼，因此学界最早在电解液的选取上达成了共识，即需要采用非水电解质体系。最终在1958年，由伯克利的哈里斯确立了有机电解液这一体系，并沿用至今。
正极材料确定：从上帝视角看，一开始在确立正极材料时产学界其实走了很大的“弯路”，因为相关正极材料的研究都是以锂金属作为负极而展开的，而在有机液体＋电解质框架下，锂金属电池的安全性始终无法解决。
因此我们可以看到，虽然从1970开始Sanyo、Panasonic、Exxon Mobil、Moli Energy等公司相继开发了各类型不同正极材料的锂金属电池并最终实现了商业化，但最终还是以NEC（收购了Moli Energy）宣布永久放弃将金属锂负极用于可充电电池路线为标志，大多数企业停止了对锂金属电池的开发。
但需要说明的是，即便是走了“弯路”，在过程中所积累的阶段性成果（量变）也为后续及未来锂电池的发展做出了贡献。如1972年，Whittingham在发明锂离子原电池的基础上，开发了锂金属二次电池，对锂离子嵌入与脱嵌反应机制给出了很好的解释；1983年，Peled等人提出“固态电解质界面膜”（solid electrolyte interphase，简称SEI）模型，证实了SEI对锂电池可逆性与循环寿命的关键性影响等。
备注：金属锂负极有严重的锂枝晶问题。对锂电池来说，放电时锂会被氧化成离子进入电解质最终抵达正极；重新充电时，这些锂离子会获得电子再沉积到锂金属负极的表面。但是锂在电极上的沉积速度不一样，因此金属锂不会均匀的覆盖在电极表面，而是会在沉积的过程中形成树枝状的晶体。枝晶生长得过长就会折断，不再参与反应（死锂），给电池体系带来不可逆的容量损失；有学者认为，长大的枝晶会刺破电池正负极之间的隔膜，造成短路，埋下电池过热自燃或爆炸的安全隐患。不过最新有研究显示，枝晶不一定会刺破隔膜，其树状结构因为某些机理会使得电池临界温度大为降低（即在不刺破隔膜的情况下），从而使热失控更容易发生。
锂枝晶生成机理
来源：Scale Partners
负极材料确定，及配套对应的正极材料：为了提高电池安全性，直观逻辑是用其他化合物替代锂金属作为负极，但随之而来的是电池电势差下降（其他类型化合物电势高于锂金属），进而使得电池能量密度下降。因此需要对应开发高压正极与配套电导率和耐热性较好的电解液，由于相关研发工作挑战较大，锂金属二次电池研究停滞不前，最终业界开始探索其他方案，即分别在负极层面、电解液层面进行改进。
锂离子电池未来发展趋势：2019年诺贝尔化学奖颁给了Goodenough、Whittingham和吉野彰三人，以表彰他们对锂离子电池研发的卓越贡献，目前受制于锂离子电池原理的限制，现有体系的锂离子电池能量密度已经从每年7％的增长速率下降到2％，并正在逐渐逼近其理论极限。与之相反，随着社会进步，人们对便携、清洁生活的需求更加强烈，这种反差势必会催生下一代科学发现新的材料体系，实现新一轮的破坏式创新。
1．2．2既定框架下的渐进式创新
在确定体系框架下（嵌锂正极、有机电解液及石墨负极），锂离子电池产业进行渐进式创新过程。材料层面，主要以正负极材料变革为主，电解液、隔膜以及辅件随两极材料的更替或围绕能量密度，安全性等指标进行优化。以时间跨度划分短中长时期，锂离子电池将开启不同的创新历程。
短期：正极主导依旧是NCM及LFP，但将迎来丰富的改性和组分变动。NCM趋势是高镍低钴／无钴，LFP则与锰等结合提高电压。此外，二者混装可综合提高系统性能。
中期：以核心能量密度指标为参照，当能量密度≥350－400Wh／kg，液态体系下正极富锂锰基、高电压正极等是可行的方向；负极则依赖硅基负极及其改性或组分变动材料。
长期：对能量密度的追求终将驱使电池体系由液到固的转变，固态电解质高安全特质可支持配套材料的颠覆式改进（负极由嵌锂改为金属锂），极大提升能量密度。颠覆也体现在产业层面，全固态电池最终将改变电解质、隔膜行业，但在中短期内，成熟的正负极配合混合固液的模式更靠近产业化，因此有机液态电解质与隔膜仍有应用空间。
2．锂电池的演进路线：性能与成本
同所有新技术一样，锂电池在解决可用性问题后，核心将围绕产品性能提升与降本两大主线开展改进升级，匹配现有动力电池市场需求的同时提高在其他行业（如储能）的竞争力。
2．1性能
电池的主要性能维度有能量密度、功率密度、循环寿命、安全等，其中安全性是电池性能的底线。各个性能的演进与下游需求高度耦合，但由于材料物化规律的限制，性能之间存在内在的提效冲突，因此便衍生出针对性提高某一性能的电池产品，如能量型／功率型等。
高能量密度：是电池演进的核心主线。电池的能量密公式可简括为＝比容量A·h／kg＊正极活性材料质量kg＊平台电压V／总重量kg＝A＊V＊h／kg＝Wh／kg，可见一定范围内，电动势及活性物质比容量与能量密度线性相关，即电池的理论能量密度上限已由材料的理化特性决定。
一般来说，元素周期表中靠左的元素电极电位偏负，而靠右元素电极电位偏正。基于此可构造多个理论层面高电势差（比能）的电池体系。但实际上，限于单质的理化性能（常温下活性小、易挥发、毒性），往往采用对应化合物代替，实际能量密度有所下降。
锂离子电池的比能在30年内由80Wh／kg提升至300Wh／kg，逐渐靠近传统锂电材料理论极限，提效幅度边际下降。
高倍率性能：倍率C指电池在给定时间h内放出／达到额定容量A·h所需的电流A大小，如一只10A·h的电池，2C放电对应放电电流为2×10＝20A，对应放电时率0．5h。倍率性能体现为不同倍率充放电时，电池所表现的容量大小、保持率和恢复能力。高倍率条件下电能充放更加迅速，但也会导致电池极化作用增强，使得电压下降，最终导致比能量降低（因此功率与能量不可兼得）。同时也对电池寿命、安全性带来挑战。
电池能量功率拉贡图（灰色为目前主要应用的锂电池）
来源：＂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）
倍率性能是车载领域的重要指标，其通过影响电池输出功率来影响最高时速、加速、爬坡及快充等性能。
为解决长时间高倍率充放对电池的负面影响，当前采取“换电模式”作为一种折中解决方式，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。
高倍率性能落实到具体参数上，主要在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，因此可以通过材料改性来改善倍率性能。
长循环寿命：电池放电至规定残余容量时所经受的循环次数，即为电池使用周期（寿命）。影响循环次数的主要因素主要有1）制造过程，包括材料选取、工艺；2）使用方式方法：包括充放电温度、电流密度、放电深度等。各种因素对电极以及隔膜在微观层面造成影响（极化、腐蚀、短路、活性物质脱落转移），进而影响寿命。
高安全性能：电池安全性受材料、工艺、系统管理共同影响。材料是安全性的基础，物化缺陷明显的材料后期很难更改（铅酸电池，锂金属电池）；工艺层面，安全性受规模化生产时材料／配件加工的良率及一致性水平影响明显（加工中的极板毛刺，包覆鼓胀）；系统层面体现为配套管理系统的精细化程度，以及与具体应用场景的适配程度。
2．2成本
电池成本主要由上游原材料、辅件，固定资产投入及人工运营费用等构成，在不同产业阶段降本主线不同。
产业初期，降本核心驱动为整体产业规模化降本，具体包括完善供应链，降低制造成本，降低原材料成本等，使得电池在部分领域率先开始商业化应用，并进行技术与生产经验的积累。
产业发展期，在确定的体系框架下，材料迭代推动电池进一步降本，电池性价比逐步凸显。此时活性材料成本占电池总成本的百分比较高，材料降本开始成为主要的降本驱动力，即在提高能量密度的同时，降低活性材料成本（量、价两个层面）。
产业步入成熟阶段，既有的材料降本虽在持续进行，但其边际效用逐年递减，降本主线在工艺层面展开，主要包括提高产品良率、提高产品一致性、提高制造效率以及降低制造能耗等。
另外同我国部分新兴科技产业一样，国产化替代也是我国锂电产业降本路线之一。
3．锂电池演进路径
3．1材料层面
电芯的活性材料是发挥功能的基础。目前在材料层面主要有两种开发路径，一是开展材料改性，方式主要有降低尺寸、复合结构、掺杂和功能化、形态控制、涂覆和封装、电解质改性等；二是研发新型电芯材料，如硫正极、硅负极、固态电解质等。
电芯活性材料外的其他材料、辅件也有一定程度的材料开发。
锂电池材料演进路径一览
3．1．1正极：提升能量密度
正极一般为含锂的过渡金属氧化物（Co、Ni、Mn）或聚阴离子化合物，是电池发挥性能的基石之一。正极微观构造主要可分为层状、尖晶石和聚阴离子型三类。其开发目标主要为提升能量密度，过程中叠加其他性能的逐步改善，正极能量密度呈螺旋式上升的状态。
1）正极材料的应用现状：正极材料发展至今，主要经历了钴酸锂LCO，锰酸锂LMO／磷酸铁锂LFP及镍钴锰NCM／镍钴铝NCA三个阶段。LCO至今应用于3C领域，但因寿命短、安全差及钴价较高等原因，未在动力电池领域应用；相比之下，LMO与LFP提升了寿命与安全性，满足了动力电池的使用要求；NCM／NCA进一步提高了能量密度，但牺牲了部分安全性与寿命性能。
不同正极材料电池能量密度演进
关于NCM（LiNixCoyMn1－x－yO2）：镍、钴、锰有不同的性能特点，因此可通过调节配比调控NCM性能。各元素性能可简单概括为：镍与能量密度性能正相关，与循环性负相关；钴与倍率及循环性正相关，与成本负相关；锰与安全性正相关，与能量密度负相关。当以能量密度为核心应用目标时，NCM走向高镍化趋势（N配比80％或更高），降本同时牺牲了热稳定性，因此也不得不在辅件／系统层面进行热管理提效相关的改进。
关于安全性：LFP高安全性的本质为其晶体结构中P－O键非常的稳固，分解温度约600℃，且无氧气产生，因此不像LCO易结构崩塌或被氧化，或是NCM200～300℃即分解并释氧加速燃烧。
正极材料性能参数对比
2）正极材料发展趋势：主线趋势还是提高能量密度。主要路径有提高比容和工作电压两条线，对应到材料为NCM高镍化，富锂化，高压正极。从短、中、长期视角来看应用趋势如下：
a．短期（1－2年），高镍正极产业化进展最快，仍需关注安全性等方面的改善。“高镍”镍含量在0．6及以上，高镍化过程是不断调整Ni与Mn／Al配比的过程，最终目标是“无钴化”。
高镍化的优势和挑战主要有：
优势：1）提升正极比容：随Ni含量增加，材料实际放电比容量可由NCM111的～150mAh／g提高到NCM811的～200mAh／g以上；2）降本：按容百招股书披露数据显示，金属钴价20～30美元／磅（30～46万元／吨）假设下，NCM811较NCM523的单位容量成本降低8％－12％。
挑战：1）高镍牺牲了安全性，对电池设计、制造要求更高，导致早期产品良率较低；2）理化性质较低镍差异较大，材料选用，设备及环境方面的配置变动抬升了材料、工艺及资本层面的进入门槛，行业集中度较高。
高镍化带来结构稳定性风险，催生晶型单晶化。单晶相比多晶，颗粒直径更小（10μm→2～5μm），晶粒一次性成型且取向一致，因此结构更为致密，具有更好的结构稳定性和耐高温性能。短期内因技术水平限制，单晶高镍量产规模不大，单晶中镍高压是比较现实的商用过渡型产品，目前已有具体应用案例（蔚来100kWh Ni55电池）。
高镍单晶与多晶产品电镜形貌图
来源：贵州振华新材料股份有限公司招股说明书
高镍化商用需要技术与产业链共同支持，因此出货厂商主要为一线电池厂商。CATL、LG化学、松下（NCA）、SKI等是主要的高镍电池供应商。2021年预测CATL高镍装机占其三元／总体比例～29．6％／16．3％。
高镍迈向“无钴”的关键在于“代钴”元素的引入。特斯拉Jeff Dahn研究发现，高镍化后钴的作用较小，因此廉价元素取而代之便成为可能。当前“代钴”元素主要以铝Al为主（实验表现良好），通过离子掺杂技术等改性方式实现，产品以NCMA，NMA为主。
原文标题 : 化学电池行业深度报告：缘起，挑战与机遇（上）
