高鹄新动力系列钻研（一）：从底层资料翻新看新一代电池演进

华裔人

电池是新动力汽车的“心脏”，也是我国达成双碳指标的症结。跟着技术迭代、本钱升高，电池的才能界限在逐渐扩张，正继续开拓储能等新场景。但目前阶段，电池机能仍有宽广的晋升空间。“一代资料、一代产业”，底层资料翻新是驱动电池产业开展的首要能源之一。高鹄团队重点关注电池正极、负极、电解质等畛域的新一代资料，以及由此衍生的投资时机。
按照地下材料，宁德时期、比亚迪、欣旺达、国轩高科、蜂巢动力等能源电池巨头均在踊跃规划新型电池资料，包罗固态电池、钠离子电池等。另外一方面，该畛域的守业公司百花齐放，多种技术线路齐头并进。行业正迎来发作期，如何能力驾驭其中的投资机遇？
高鹄团队以为，电池畛域翻新的两条主线是晋升能量密度和升高本钱，同时需综合斟酌循环寿命、平安性等多个维度。鉴于对这些维度的思考，将来5-10年内，固态电解质、磷酸锰铁锂、富锂锰基、硅基负极、钠离子电池等新型资料的商业化运用将拥有极大后劲。

上游丰硕的运用场景将衍生出多样化的需要：固态电解质、富锂锰基等高比能的资料无望率先在高端电动车等场景落地；而钠离子电池等低本钱的线路则无望知足电动两轮车、储能等场景的要求。因此高鹄团队判别，将来电池畛域将会呈现多种技术线路共存的场面。
接上去，咱们将从电池根本原理、优优势、开展线路及将来机遇与应战等方面，分别对这五类新型电池资料进行钻研剖析。
固态电池
望文生义，固态电池的电解质为固态，而传统锂电池使用液态电解质。传统的液态锂电池被称为“摇椅式电池”，摇椅的两端为电池的正负两极，两头为液态电解质，锂离子在电解液中迁徙，来实现正负极间的穿越，完成充放电。而固态电池与传统锂业态锂电池在任务原理上并没有实质区分，只是在固态电池中锂离子迁徙的场合转到了固态的电解质中。

但二者比拟，固态电池拥有下列劣势：
首先，平安性更好。传统锂离子电池的电解质一般是无机电解液，当泛起过充、短路等异样景象时，电解液容易发烧，带来自燃乃至爆炸的风险。而固态电解质拥有绝缘性好、不容易燃、不挥发的特征，即便产生了形变，也不会致使电解质外漏。

其次，能量密度更高。个别以为，液态锂电的能量密度下限在300-350Wh/kg，难以知足350Wh/kg以上的高能量密度开展指标。与传统液态锂电池比拟，得益于更高的电化学窗口，固态电池能够婚配高能正极资料和金属锂负极，其实践能量密度更高。

除了平安性好和能量密度高，固态电池还具备多种劣势，例如其不需求电解液和隔阂、可简化封装与冷却零碎等，使总体电池包的重量和体积得以缩减，晋升了续航才能。因此，业界主流观念以为，液态电解质向固态演进是大势所趋。
但是，液态至固态的演进并不是欲速不达。固态电池的技术开展将采取逐渐推翻战略，液态电解质含量逐渐降落，阅历凝胶态、半固态、准固态等阶段，终究达到全固态。电池负极将逐渐交换成金属锂片，电池能量密度无望逐渐晋升至 500Wh/kg，电池任务温度规模扩张三倍以上。

请输出图说
目前，固态电解质次要有三大技术线路：
聚合物固态电解质最先完成商业化，但存在高本钱和低电导率等显著缺陷。
氧化物固态电解质各方面机能较为平衡，目后退展较快。
硫化物固态电解质电导率较高，但钻研难度大，如何放弃高不乱性是一大应战。

虽然固态电池已初露曙光，但其大范围商业化运用仍面临一定的技术瓶颈，例如：
界面问题：固相界面间无润湿性，难以充沛接触，造成了较大的界面阻抗。而跟着电化学反映的进行，接触界面难以放弃长时间的不乱性，可能会诱发继续的副反映，终究影响电池的各项机能。
电导率低：与液态电解质比拟，固态电解质电导率要低1-2个数量级。电导率低会使得电池内阻较大，锂离子迁徙慢，进而影响倍任性能、循环机能和快充速率。
磷酸锰铁锂（LMFP）作为磷酸铁锂的降级版，是在磷酸铁锂的根底上添加锰元素的新型正极资料。以后磷酸铁锂电池的能量密度曾经接近“天花板”，因此业界正踊跃寻觅可以代替磷酸铁锂的新一代资料，磷酸锰铁锂是最有但愿的线路之一。

磷酸锰铁锂能够进步资料体系的电压（4.2V vs 磷酸铁锂3.4V），补救磷酸铁锂电压低致使能量密度低的缺乏，能量密度晋升20%以上。同时，它也承继了磷酸铁锂的高平安性、高循环次数等劣势，还能够经过外表包覆碳资料导电剂来晋升导电机能。

磷酸锰铁锂与磷酸铁锂工艺相近，出产装备兼容，因此切换本钱较低：
装备相反，若切线制备磷酸铁锂，只需对装备进行打消残留锰元素的处置。
工艺相似，新增锰源研磨工序，烧结温度和工艺稍微差别，粉碎强度增大。
磷酸锰铁锂的两大运用标的目的：
替代磷酸铁锂：磷酸锰铁锂能量密度比磷酸铁锂进步15%-20%，而价钱只高5%-6%，性价比更高，有代替磷酸铁锂的时机。
与三元复合使用：磷酸锰铁锂包覆三元资料复合使用，兼具低本钱、高平安性及高能量密度的劣势。
以后的磷酸锰铁锂资料，其大范围商业化运用仍需求冲破一定的技术瓶颈，例如：
首圈效力低：磷酸锰铁锂首圈充放电效力92%（磷酸铁锂能95%以上）。
锰溶出致使循坏寿命衰减：锰的导电性差、容易泛起极化景象使得放电电压平台缩减，升高循环寿命。充放电过程当中锰离子会溶出并堆积在负极外表，进而破坏SEI膜，使得SEI膜不停再生修复，损耗少量活性锂，形成容量损失。
业界正经过搀杂、包覆、纳米化等改性技术，晋升磷酸锰铁锂资料的电化学性质，推进其商业化过程。
上游运用进度：
电动汽车市场尚未完成大范围运用，两轮车市场已逐渐上量。
两轮电动车电池认证周期较短，磷酸锰铁锂技术推行较快。
小牛电动车F0系列运用天能出产的18650号磷酸锰铁锂电池。
星恒推出“LONG 一生保”，是在锰酸锂的根底上混合了平安性高、寿命长的磷酸锰铁锂资料，单芯循环达3000次。
富锂锰基是基于已有的正极资料进行改性，以Ni、Co、Mn为次要元素造成的衍生资料，是无钴的另外一种可行理念。对其的钻研已有20多年钻研历史（M M Thackeray 南非迷信工业钻研核心钻研至今），容量从最后135晋升到300mAh/g以上，但临时尚无真正商业化运用。

富锂锰基能知足现有资料达不到的高比能要求，是下一代高能量密度电池的现实正极资料：
曾经商业化的正极资料（锰酸锂、磷酸铁锂、钴酸锂、三元高镍）难以知足将来400Wh／kg锂离子能源电池能量的密度要求。
能源电池的能量密度与正极的比容量高度相干。能量密度假如要达到300Wh／kg，正极容量则要达到200mAh g-1；能量密度假如要达到400Wh／kg，正极容量就要超过250mAh g-1。
比拟于以后的磷酸铁锂和三元正极，富锂锰基的实践比容量高达400mAh g-1，实际比容量也可达到250mAh g-1。

但目前富锂锰基还存在技术制约——资料构造缺点以及下游配套资料开展迟缓，致使能不乱量产资料厂家很少：
没有电压平台：电压变动区间大（1.5V），少有电子装备可接受大任务电压规模。
循环及倍任性能差：循环过程当中存在构造衰减的问题，很难从基本上解决。
电压滞后问题重大：能量效力对比低，对电动汽车和储能的运用是个问题。
上市公司对于富锂锰基研产生产的停顿也还处于初期：
容百科技：在推动相干产品研发任务。
当升科技：在推动相干产品研发任务。
江特机电：具备富锂锰基量产才能，次要供应电动自行车用锂电池厂商。
国轩高科：有一项富锂锰基正极资料的制备办法创造专利。
以后的石墨负极比容量是360-365Ah/g，曾经接近石墨的实践容量下限。进步负极比容量可以进步电池的能量密度，因此拥有更高实践比容量的硅基负极是新一代负极资料的首要迭代标的目的。实际也证实，硅经过合金化形式储锂，实践比容量可高达4200mAh/g。
但是，纯硅负极仍存在一定固出缺陷。硅基资料经过硅与锂发生合金化反映储锂，伴有微小的体积变动，体积收缩率可超过400%（普通石墨10%摆布）。这会致使：
负极资料的决裂和粉化，进而形成电极总体开裂剥落，使得容量迅速衰减。
造成过厚的SEI膜，界面阻抗降低，活性物资损耗，导致容量衰减，首效升高。
因此，个别将硅与其余资料复合改性使用，造成硅基复合资料。

其中，与碳系资料复合是最多见的形式，可在下列两方面改良硅的机能：
循环机能：碳资料拥有一定的机械强度和延展性，能够缓冲硅的体积收缩效应，改良循环机能。
电子导电率：碳的导电性较好，复合后能够失掉比纯硅更高的电子电导率，增进电荷的转移和传递。
除了使用纯硅和碳系资料复合以外，还能够使用硅氧化物与碳系资料复合，这样可以升高首周不成逆容量、进步循环机能。其缘故是，硅氧化后能在外表发生一层平均的包覆层，具备不乱电极/电解液界面的作用。同时，部份硅氧化物为非活性资料，在循环过程当中能够起到骨架撑持的作用，增加体积变动，进步循环机能。
硅还能够和金属及金属氧化物复合。金属类化合物具备高电导率，同时其高延展性也有助于晋升硅构造的不乱性。但硅与金属类化合物的复合次要处于试验室阶段，尚未产业化。
以后，虽然硅基负极在部份畛域曾经开始运用，但大范围的产业运用依然无限，例如三星、LG化学将硅基负极运用于消费电池畛域；特斯拉在人造石墨中掺入10%摆布的氧化亚硅，运用于Model 3车型上。
限度硅基负极运用的次要要素包罗：
工艺繁杂：比拟于传统石墨资料，硅基负极需求通过纳米化、碳包覆等综合处置，工艺较为繁杂，不乱批量出产难度大。
本钱高：目前硅碳复合资料的售价在10万元/吨以上，而传统石墨资料在5万元/吨摆布。以后锂电池市场竞争剧烈，太高的本钱使得硅基负极的运用畛域较为受限。
钠与锂同属于碱金属元素，在物理及化学机能方面拥有类似的部份。二者均可以作为电池金属离子的载体，且任务原理相似，是利用钠离子在正负极之间嵌脱进程完成充放电。充电时，Na+从正极脱出通过电解质嵌入负极，同时电子的补偿电荷经外电路供应到负极，包管正负极电荷均衡。放电时则相同，Na＋从负极脱嵌，通过电解质嵌入正极。
中心劣势——资源丰硕且本钱低：
钠资源大于锂资源：钠资源储量丰硕，地壳丰度高（锂0.0065% v.s. 钠2.75%），且钠资源在寰球散布平均，而锂资源70%散布在南美洲地域，国际储量少。
本钱：钠离子电池本钱比锂离子总资料低30-40%，具备本钱劣势。

其余优点：
能量密度相对于高：铅酸电池＜钠离子电池、锂离子电池。
装备兼容性好：钠离子电池与锂离子电池任务原理类似，出产装备大多兼容，装备和工艺投入少，利于本钱管制。
寿命中长：铅酸电池＜钠离子电池＜锂离子电池。
平安性高：钠离子电池的内阻比锂离子电池高，在短路的状况下刹时发烧量少，温升较低，热失控温度高于锂电池，具备更高的平安性。
高下温机能优异：钠离子电池能够在-40摄氏度到80摄氏度的温度区间正常任务，-20摄氏度的环境下容量放弃率接近90%，高下温机能优于其余二次电池。
快充倍率高，有补能劣势：因为凋谢式3D构造，钠离子电池拥有较好的倍任性能，可以顺应响应型储能和范围供电。在快充才能方面，钠离子电池充电时间需10分钟，而锂电池从20%充至80%要30分钟，磷酸铁锂则需求45分钟。

以后，钠离子电池的正极资料具有三种技术线路，分别是层状氧化物、普鲁士蓝及其相似物、聚阴离子化合物。三类资料具备不同的竞争劣势，均具备产业化后劲。

因为，钠离子半径比锂离子大得多，和石墨层间不婚配，储钠机能欠安，因此石墨不合适作为钠离子电池负极。钠离子电池的负极资料以无定形碳类为主，包罗硬碳和软碳。

目前来看，业界广泛以为硬碳是对比合适钠离子电池产业化的负极线路，但是以后的硬碳资料次要依赖进口，价钱昂扬，亟需国产化代替。

钠离子电池运用畛域：
电动两轮车：以后次要使用铅酸电池，本钱约0.3元/Wh，斟酌到电池回收，实际本钱更低，因此锂电化速度烦懑。当钠离子电池本钱继续升高，接近铅酸电池本钱后，将开始大范围代替铅酸。
A00级低速交通工具：钠离子电池具备较高能量密度（接近锂电）、快充（5分钟充溢80%）、较低本钱（较锂电低30-40%）等特征，能婚配低速交通工具的需要。
储能场景：钠离子电池优异的高下温性，不容易起火/爆炸，且倍任性好（顺应范围供电），非常合适对平安性要求高的储能场景。

投资倡议
寰球能源电池行业蒸蒸日上，每一个次技术改造都将是新进入者的机遇。在巨头们踊跃规划的状况下，甚么样的守业企业可以阅历重重应战，有但愿脱颖而出？高鹄团队倡议关注具备下列特质的守业企业：
企业研收回的新资料和新产品，在症结参数上，如能量密度等方面，拥有反动性冲破，达到世界当先程度；
开创团队才能片面，具有优异的学术配景和凸起的科研效果，叠加丰硕的产业配景和落地教训，二者相反相成；
依靠出名的科研院所、成熟企业而成立，在产品研发、办理体系等方面充沛受害于母公司的多年积攒，具备微弱势能；
曾经或行将实现从试验室场景到范围化产线的转化，产品机能在中试和小范围量产阶段表示不乱，可以推动到后续的大范围量产和商业化阶段；
与行业内出名客户达成严密协作，独特明白产品落地要求，已进入或经过客户的产品验证流程，上游需要放量预期明白；
若产品波及某些下游中心原料，需经过协定、股权等形式进行绑定，包管下游原料供应平安。
底层资料翻新殊为不容易，不只需求灵光乍现的机缘，更需星火燎原的韧劲。高鹄资本长时间看好中国的能源电池产业，但愿经过深度而专业化的办事，助力优秀企业生长，独特迎接能源电池的下一个十年。

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