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全球新型電池發(fā)展趨勢及應(yīng)用場景分析發(fā)表時間：2021-05-12 11:07作者：本翼資本 一、電池發(fā)展史 01.從伏特堆到鋰離子電池 1799年，意大利物理學(xué)家Alessandro Volta發(fā)明了**款電池（Vlotaic Pile伏特堆），他利用鋅片（陽極）和銅片（陰極）以及浸濕鹽水的紙片（電解液）制成了電池，以證明了電是可以人為制造出來的。 大約40年后，以為英國化學(xué)家John Frederic Daniel通過變換電池形式，解決了伏特堆放電時產(chǎn)生的氫氣氣泡問題（由于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生了氫氣，從而導(dǎo)致電池內(nèi)部接觸不良），此時電池可以達(dá)到1V電壓。 1850年，法國物理學(xué)家Gaston Planté發(fā)明了鉛酸電池（陽極為鉛、陰極為鉛氧化物、硫酸溶液為電解質(zhì)），利用鉛不僅僅做到了極低的成本，還能夠提供12V的電壓，且能夠充電循環(huán)使用。這類電池被廣泛使用，車載蓄電池、早期電動車等都采用這類電池，截止2014年，全球約售出了4470萬塊鉛酸電池。 1899年，瑞典人Waldemar Jungner發(fā)明了鎳鎘電池（鎳為陰極、鎘為陽極，采用液體電解液），也就是小時候經(jīng)常會用到的隨身聽、四驅(qū)車所用的充電電池，為現(xiàn)代電子科技打下了基礎(chǔ)。不過這類電池有個巨大的缺點(diǎn)，也就是老一輩人經(jīng)常會告訴你充電池必須用完才能充電的原因，由于其化學(xué)特性的原因，如果未用完電量就充電，會發(fā)生“鎘中毒”現(xiàn)象，導(dǎo)致電池“記憶”了“最低電量”，導(dǎo)致下次充滿電量縮小，所以漸漸就被市場淘汰了。 1950年前后，加拿大工程師Lewis Urry發(fā)明了現(xiàn)在非常常見的堿性電池（鋅為陽極、鎂氧化物為陰極，氫氧化鉀為電解液，也就是堿性電池名字來源），就是平時生活中常用的一次性電池，絕大多數(shù)都是不可充電的，當(dāng)然也有特殊設(shè)計(jì)的堿性電池能夠充電，甚至還能夠通過按壓電池表面顯示當(dāng)前電量。全球售出超過100億顆。 1989年，**款商業(yè)鎳氫電池問世（陽極為金屬氫化物或儲氫合金、陰極為氫氧化鎳），耗時超過20年研發(fā)，由戴姆勒-奔馳和德國大眾贊助。通過新的配方，鎳氫電池相較于鎳鎘電池提高了能量密度，并且污染減少。更重要的一點(diǎn)，鎳氫電池沒有“記憶效應(yīng)”，所以不必像鎳鎘電池一樣擔(dān)心使用問題。除了大量被使用于數(shù)碼產(chǎn)品之外，還被早期的豐田Prius混動車所采用。 1991年，索尼公司推出了**款商業(yè)鋰離子電池（陽極為石墨，陰極為鋰化合物，電極液為鋰鹽溶于有機(jī)溶劑），由于鋰電池的高能量密度和配方不同能夠適應(yīng)不同使用環(huán)境的特點(diǎn)，被現(xiàn)在廣泛使用。  圖一：電池發(fā)展時間線 （資料來源：公開資料，本翼資本整理） 上述多種電池歷經(jīng)近200年的發(fā)展才走到鋰電池階段，其目的就是為了更為輕便、小巧、能量更高，鋰離子電池在能量密度、循環(huán)壽命方面以及高、低溫性能顯著的提升，彌補(bǔ)了其他二次電池在消費(fèi)電池領(lǐng)域的痛點(diǎn)。  表一：二次電池性能對比 （資料來源：公開資料，本翼資本整理） 近年來，隨著對可再生能源利用的巨大需求和對環(huán)境污染問題的日益關(guān)注，二次電池（又稱可充電電池或蓄電池）這種能夠?qū)⑵渌问侥芰哭D(zhuǎn)換成的電能預(yù)先以化學(xué)能的形式存儲下來的儲能技術(shù)，在新一輪能源變革中迎來新的發(fā)展機(jī)遇。 02.鋰離子電池的前世今生 鋰離子電池于二十世紀(jì)七十年代在歐洲開啟研究，1991年在日本實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，目前，全球鋰離子電池的生產(chǎn)制造規(guī)模達(dá)到了空前水平，2019年的諾貝爾化學(xué)獎給予了鋰離子電池極高的肯定。 能夠可逆循環(huán)的鋰離子電池正極材料有錳酸鋰、鈦酸鋰、鈷酸鋰、磷酸鐵鋰等一系列三元衍生體。但由于大部分能量性能相對較低，三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池相對其他種類有較大優(yōu)勢，是動力電池的良好選擇。  圖二：鋰離子電池的分類 （資料來源：公開資料，本翼資本整理） （1）鈷酸鋰電池：高比能量使鈷酸鋰成為手機(jī)，筆記本電腦和數(shù)碼相機(jī)的熱門選擇。鈷酸鋰的缺點(diǎn)是壽命相對較短，熱穩(wěn)定性低和負(fù)載能力有限。鈷酸鋰采用石墨負(fù)極，其循環(huán)壽命主要受到固體電解質(zhì)界面(SEI)的限制，主要表現(xiàn)在SEI膜的逐漸增厚，和快速充電或者低溫充電過程的負(fù)極鍍鋰問題。 （2）錳酸鋰電池：錳酸鋰的功率大但是容量小，容量大約比鈷酸鋰低三分之一。同時遠(yuǎn)比鈷酸鋰電池更安全，通常與鋰鎳錳鈷氧化物(NMC)混合，以提高比能量并延長壽命。 （3）鈦酸鋰電池：鈦酸鋰的標(biāo)稱電池電壓為2.40V，可以快速充電，并提供10C的高放電電流。循環(huán)次數(shù)高于常規(guī)鋰離子電池的循環(huán)次數(shù)。鈦酸鋰是安全的，具有出色的低溫放電特性。 （4）鎳鈷錳酸鋰電池（NCM）：最成功的鋰離子體系之一是鎳錳鈷的正極組合。與錳酸鋰類似，這個體系可以定制用作能量電池或功率電池。NMC是電動工具，電動自行車和其他電動動力系統(tǒng)的首選電池。鎳基系統(tǒng)比鈷基電池具有更高的能量密度，更低的成本和更長的循環(huán)壽命，但是它們的電壓略低。 （5）鎳鈷鋁酸鋰電池（NCA）：NCA是鋰鎳氧化物的進(jìn)一步發(fā)展，加入鋁賦予電池更好的化學(xué)穩(wěn)定性。高能量密度以及良好的使用壽命使NCA成為EV動力系統(tǒng)的候選者。高成本和低安全性卻有負(fù)面的影響。 （6）磷酸鐵鋰電池：磷酸鋰具有良好的電化學(xué)性能和低電阻。這是通過納米級磷酸鹽陰極材料實(shí)現(xiàn)的。主要優(yōu)點(diǎn)是高額定電流和長循環(huán)壽命；良好的熱穩(wěn)定性，增強(qiáng)了安全性和過充承受能力。磷酸鋰具有比其他鋰離子電池更高的自放電，這可能會引起老化進(jìn)而帶來均衡問題。  表二：鋰離子電池性能對比 （資料來源：公開資料，本翼資本整理） 二、新型金屬電池技術(shù)發(fā)展 01. 鋰離子電池的進(jìn)一步發(fā)展 1991年索尼推出**款商業(yè)液態(tài)鋰離子電池后，液態(tài)鋰離子電池進(jìn)入快速發(fā)展階段。處于對更高能量密度和更高安全性的追求，各國都在加緊對新型電池技術(shù)的研發(fā)以期占領(lǐng)技術(shù)高地。動力電池作為鋰電池**的應(yīng)用場景，2020年中國車用動力電池出貨量為80GWh，同比增長12.7%，占中國鋰電池市場56%的份額，遠(yuǎn)超其他應(yīng)用終端。鋰電池雖為目前**選擇，但能量密度其實(shí)已經(jīng)接近極限，所以對于液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池的改進(jìn)主要集中在提高電池空間利用率和降低成本上，其中對于三元鋰離子電池，還要集中處理熱失控引起的爆炸問題。 1.1 三元鋰電池?zé)崾Э貑栴}改進(jìn) 三元電池由于密度更高，熱穩(wěn)定性相對差，某些極端環(huán)境下容易發(fā)生熱失控起火，成為電池企業(yè)安全技術(shù)必須邁過的一道坎。所以在動力電池安全技術(shù)開發(fā)上，車企和主流電池企業(yè)開始將目標(biāo)集中投向“三元電池系統(tǒng)不起火”。 寧德時代：2020年10月，寧德時代表示已開發(fā)出“只冒煙不起火”三元電池，通過高安全電解液、熱擴(kuò)上隔離技術(shù)，直擊高能量密度、高安全性的痛點(diǎn)，可以確保電池包不燃燒，即便一個電芯起火，整個電池包只冒煙。 蜂巢能源：2020年12月，蜂巢能源在其電池日上對外發(fā)布了熱失控系統(tǒng)性解決方案——冷蜂，通過材料、電芯、電池包、監(jiān)控系統(tǒng)四大層級的原創(chuàng)技術(shù)徹底解決電池系統(tǒng)的熱失控問題。 廣汽埃安：3月10日，廣汽埃安發(fā)布新一代動力電池安全技術(shù)——彈匣電池系統(tǒng)安全技術(shù)，搭載該技術(shù)的電池包成功通過針刺熱擴(kuò)散試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)三元鋰電池整包針刺“不起火”。彈匣電池從電芯、系統(tǒng)、散熱、BMS各個層級，打造三元電池包的安全、高效保護(hù)。彈匣電池相對于同類普通電池，體積能量密度提升9.4%，重量能量密度提升5.7%，成本下降10%。根據(jù)計(jì)劃，彈匣電池今年將在廣汽埃安全系列車型上陸續(xù)搭載。 領(lǐng)湃新能源：3月12日，領(lǐng)湃新能源“四個零戰(zhàn)略”，即零風(fēng)險、零衰減、零焦慮、零誤差。其中，打造“零風(fēng)險、高安全”電池被放在首要位置。領(lǐng)湃新能源將從材料、電極、電芯、系統(tǒng)等多個維度進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)與研發(fā)，顛覆原始設(shè)計(jì)，杜絕熱失控，實(shí)現(xiàn)零風(fēng)險、高安全電池。 欣旺達(dá)：欣旺達(dá)宣布公司成功研發(fā)“只冒煙不起火”電池包，并可通過“加熱觸發(fā)電芯熱失控實(shí)驗(yàn)”，即單個電芯在被觸發(fā)發(fā)生熱失控之后，整個電池包只冒煙不起火。 嵐圖汽車：3月17日，東風(fēng)旗下嵐圖汽車在線舉辦三元鋰電池安全技術(shù)分享會，三元電池在熱失控觸發(fā)并發(fā)出熱事件報警信號后，無冒煙、無起火、無爆炸現(xiàn)象發(fā)生。 1.2 無模組化電池通過提高空間利用率提升能量密度 模組主要是單體電芯通過串并聯(lián)方式，加保護(hù)線路板及外殼后，構(gòu)成能夠直接供電的組合體，是單體電芯與PACK的中間產(chǎn)品。模組導(dǎo)致電池包成組效率降低和成本增加、重量增加、成組效率低帶來系統(tǒng)能量密度低。模組與PACK材料在動力電池系統(tǒng)的成本占比超過20%。無模組化精簡模組與PACK端結(jié)構(gòu)，減重降本效果顯著。 寧德時代推出CTP技術(shù)，有望提升能量密度并降低成本。CTP技術(shù)注重電池包輕量化設(shè)計(jì)，提升能量密度并降低成本。高工鋰電數(shù)據(jù)顯示，寧德時代CTP電池包體積利用率提高了15%-20%，電池包零部件數(shù)量減少40%，生產(chǎn)效率提升了50%，電池包能量密度提升了10%-15%，可達(dá)到200Wh/kg以上，大幅降低動力電池的制造成本。 比亞迪推出刀片電池，具備高體積能量密度與高安全性。刀片電池是比亞迪提出的無模組化電池包方案。刀片電池的實(shí)質(zhì)是省略了電芯-模組的步驟，省去了橫梁、縱梁以及螺栓等結(jié)構(gòu)件，將電池包殼體內(nèi)部的空間利用率由原來的40%-50%提升到60%-80%。根據(jù)高工鋰電數(shù)據(jù)，在電芯制備過程的良率和一致性達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，生產(chǎn)成本相比傳統(tǒng)磷酸鐵鋰電池包預(yù)計(jì)下降30%。 1.3 摻硅補(bǔ)鋰：硅負(fù)極的應(yīng)用難度大，補(bǔ)鋰的安全與技術(shù)成熟度是瓶頸 摻硅和補(bǔ)鋰是兩個技術(shù)，負(fù)極摻硅是為了提升能量密度，補(bǔ)鋰則是為了提升循環(huán)壽命。他們都有助于提升動力電池性能，在較高能量密度的產(chǎn)品上，已經(jīng)廣泛應(yīng)用。 摻硅：硅基負(fù)極材料的理論克容量是4200mAh/g，是石墨負(fù)極10倍有余。以現(xiàn)在技術(shù)水平，要將電池做到300Wh/kg，硅基負(fù)極是必不可少的。硅負(fù)極充放電膨脹可達(dá)300%左右，而普通石墨僅為10%左右。硅和石墨在充電嵌鋰的時候膨脹狀態(tài)不一致，電芯膨脹收縮的次數(shù)多了，結(jié)構(gòu)就會坍塌，鋰就沒法進(jìn)出了。也就是說采用硅后，雖然克容量提升了，但是循環(huán)壽命卻縮短了。因此，實(shí)際應(yīng)用中的硅負(fù)極材料，硅含量都非常低。采用納米硅以后，電池能量密度可以提升5%-10%。整體來看，硅基負(fù)極制備工藝復(fù)雜，無標(biāo)準(zhǔn)化工藝，技術(shù)壁壘高，難度主要在于硅材料納米化及與硅碳復(fù)合材料的制備工藝，屬于各企業(yè)的核心技術(shù)。 補(bǔ)鋰：一般來說，鋰離子電池首次充電時，會造成大量鋰損耗，且是不可逆的。為了保障電池的容量，就需要把損失的鋰補(bǔ)回來一些，這種技術(shù)就是補(bǔ)鋰，也叫預(yù)鋰，目的是補(bǔ)償鋰損耗，延長循環(huán)壽命，從而達(dá)到減緩衰減的作用。研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的石墨材料有5%～10%的首次不可逆鋰損耗，而對于高容量負(fù)極材料，首次鋰損耗甚至更高；硅的不可逆容量損失達(dá)15%～35%。補(bǔ)鋰技術(shù)包括正極補(bǔ)鋰、負(fù)極補(bǔ)鋰和利用金屬鋰粉預(yù)鋰化，補(bǔ)鋰技術(shù)安全性與技術(shù)成熟度都很低，產(chǎn)業(yè)化難度很大。 不過，目前很多企業(yè)都官宣摻硅補(bǔ)鋰技術(shù)可以看出，兩種技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化難點(diǎn)應(yīng)該得到一定程度上的解決。或許近兩年內(nèi)，采用摻硅補(bǔ)鋰技術(shù)的電池產(chǎn)品將會大規(guī)模上市，同時也是300Wh/kg電池產(chǎn)品的普及階段。 1.4 固態(tài)電池 固態(tài)鋰電池與傳統(tǒng)鋰電池**的不同在于電解質(zhì)，傳統(tǒng)鋰電池采用隔膜+電解液中間含有液態(tài)物質(zhì)，而固態(tài)電池則是用固體電解質(zhì)。相比傳統(tǒng)鋰電池，固態(tài)鋰電池的安全性更好，能量密度更高。目前已經(jīng)在使用或接近商用的固態(tài)電池的電解質(zhì)有：聚合物、硫化物和氧化物三種，其中氧化物電解質(zhì)性能**。氧化物和硫化物電解質(zhì)的固態(tài)電池能量密度高于采用相同正負(fù)極材料的傳統(tǒng)鋰電池。  圖三：傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池于固態(tài)電池結(jié)構(gòu)區(qū)別 （資料來源：左圖：Polymer Electrolytes for Lithium Polymer Batteries.右圖：Fast Charging Lithium Batteries: Recent Progress and Future Prospects.，本翼資本整理） 氧化物電解質(zhì)的穩(wěn)定性好，循環(huán)壽命長（可達(dá)1000次）以上，能量密度較高，倍率性能較好，同時成本較低。主要缺陷是界面接觸問題尚未完美解決。氧化物電解質(zhì)比較適合動力電池，其制造工藝和改性水平也在穩(wěn)步提升。氧化物固態(tài)電池電解質(zhì)物料價格低廉且電芯易組裝，封裝成本低。只要解決氧化物電解質(zhì)大規(guī)模量產(chǎn)的技術(shù)問題，固態(tài)電池的量產(chǎn)成本可以與液態(tài)電池相媲美。 1.5 分析 由于鋰元素特性的限制，目前鋰離子電池的能量密度已接近極限，現(xiàn)有研究的主要成果是無模組化（CTP技術(shù)和刀片電池）、摻硅補(bǔ)鋰和固態(tài)電池。隨著人們對里程焦慮的緩解，磷酸鐵鋰電池的市場份額會逐漸增加，高端車仍會使用三元鋰電池保證高續(xù)航里程。  表三：傳統(tǒng)鋰離子電池與新技術(shù)對比 （資料來源：公開資料，本翼資本整理） 通過研究發(fā)現(xiàn)在儲能技術(shù)方面，研究人員都在尋求效用、成本、安全性和應(yīng)用場景這四個層面的**解。能量密度（≥260表三標(biāo)紅）、循環(huán)壽命（≥1500表三標(biāo)紅）都是效用問題，安全性問題包括爆炸和易損問題，成本問題不只考慮電池本身的成本，還要考慮環(huán)境成本，如鉛酸電池對環(huán)境污染太大。①當(dāng)電池儲能效用不足、安全性較高而成本較低時，可以應(yīng)用在對移動性、便攜性要求較低的場景，例如5G基站、家庭/工業(yè)儲能、數(shù)據(jù)中心等；或者應(yīng)用在對能量密度要求不高的場景，例如電動自行車、低速電動車、公共汽車、電動船舶等。②當(dāng)電池儲能效用好、安全性較高但成本高時，可應(yīng)用在對移動性便攜性要求較高的場所，例如手機(jī)、汽車、機(jī)器人等，③當(dāng)儲能效用和安全性極高，但是成本也極高時，可以應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域。 鋰離子電池作為目前世界上市場容量占比最高的電池，在新能源動力汽車和儲能領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用，但因?yàn)槿囯姵氐陌踩珕栴}以及磷酸鐵鋰電池的能量密度不高，所以在傳統(tǒng)的鋰離子電池基礎(chǔ)上，很多公司對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。同時由于鋰電池的資源以及分布不均的限制，僅靠鋰離子電池這一項(xiàng)儲能技術(shù)并不能全面改變傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)，難以同時支撐起電動汽車和電網(wǎng)儲能兩大產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此研究以非鋰金屬或其他原料為材料的新型電池也成為各國競爭焦點(diǎn)。 02. 鈉離子電池成本優(yōu)勢明顯，有望在儲能領(lǐng)域應(yīng)用 在研究歷程上，鈉離子電池和鋰離子電池的技術(shù)路線有著幾乎同步的起點(diǎn)，但是上世紀(jì)九十年代鋰離子電池商用化的順利進(jìn)行反向抑制了鈉離子電池技術(shù)路線的發(fā)展。隨著研究的不斷深入，研究者發(fā)現(xiàn)鈉離子電池不僅具有鈉資源儲量豐富、分布廣泛、成本低廉、無發(fā)展瓶頸、環(huán)境友好和兼容鋰離子電池現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備的優(yōu)勢，還具有較好的功率特性、寬溫度范圍適應(yīng)性、安全性能和無過放電問題等優(yōu)勢。且鈉離子原理跟鋰電池完全一樣，工藝也基本一樣，只是金屬元素性質(zhì)上存在一些差別，因此鈉離子電池成為一個順理成章的替代選擇。  表四：鈉離子電池與鋰離子電池電池技術(shù)對比 （資料來源：公開資料，本翼資本整理） 中科海鈉的唐堃表示，在2016年左右，找到了一款可以商業(yè)化的低成本的鈉離子電池，其中包括了正極材料、負(fù)極材料和電解液組成的完整的電池體系，并已經(jīng)開始在商業(yè)化路線探索。經(jīng)過世界各研究組的共同努力，鈉離子電池在電極材料、電解質(zhì)材料、表征分析、儲鈉機(jī)制探索和電芯技術(shù)等方面不斷取得突破，鈉離子電池相關(guān)文章的發(fā)表數(shù)量迅速增加，專利的申請數(shù)目逐年遞增。美國、歐盟都公布相關(guān)政策，明確鈉離子電池發(fā)展的重要地位，鈉離子電池已成為世界各國競相發(fā)展的儲能技術(shù)。 鈉離子電池不僅能夠在構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮重要作用，滿足新能源領(lǐng)域低成本、長壽命和高安全性能等要求，還能夠在一定程度上緩解由于鋰資源短缺引發(fā)的儲能電池發(fā)展受限問題，是鋰離子電池的有益補(bǔ)充，同時可逐步替代環(huán)境污染嚴(yán)重的鉛酸電池，推動我國清潔能源技術(shù)應(yīng)用邁向新臺階，為我國能源安全和社會可持續(xù)發(fā)展提供保障。 鈉離子電池能量密度不如鋰離子電池，但是安全性強(qiáng)，高低溫性能好，適用于對便攜性、移動性要求低的場所，例如：5G基站、家庭/工業(yè)儲能、數(shù)據(jù)中心等，或者應(yīng)用于對能量密度要求不高的電動自行車、低速電動車、公共汽車、電動船舶等場景。 03. 鉀離子電池研究處于起步階段，短期無法技術(shù)突破 鉀離子電池由于其低成本、高能量密度，電解液中快的離子傳導(dǎo)性以及高的工作電壓近年來引起了極大的關(guān)注。  圖四：鉀離子電池特性及不足 （資料來源：Approaching high-performance potassium-ion batteries via advanced design strategies and engineering Wenchao Zhang, Yajie Liu, Zaiping Guo, Science Advances 10 May 2019, Vol. 5, no. 5, eaav7412，本翼資本整理） 不足：在循環(huán)過程中，固體電極中的離子擴(kuò)散性差可能導(dǎo)致反應(yīng)動力學(xué)遲緩，這會影響電池的離子遷移和速率。此外，循環(huán)過程中的大體積變化可能會損壞電極的完整性并導(dǎo)致粉碎，這可能導(dǎo)致由于在新產(chǎn)生的固體電解質(zhì)界面（SEI）層的形成而導(dǎo)致的進(jìn)一步嚴(yán)重的副反應(yīng)。就金屬電極而言，由于不均勻的電子分布會加速副反應(yīng)，這將導(dǎo)致枝晶生長并因此進(jìn)一步導(dǎo)致SEI的破裂。SEI層將在電極表面上不斷的連續(xù)形成從而消耗電解質(zhì)，增加反應(yīng)過程中的極化，并最終導(dǎo)致容量衰減。 對鉀離子電池的研究仍處于起步階段，仍需進(jìn)一步探索合適的電極材料和發(fā)展鉀離子電池技術(shù)至關(guān)重要。鉀離子電池成本低，但是能量密度不足以支撐新能源電動車運(yùn)行，和鈉離子電池類似，可以應(yīng)用在低速電動車和規(guī)模儲能等場景中。 04. 金屬空氣電池 金屬-空氣電池是以電極電位較負(fù)的金屬如鎂、鋁、鋰等作負(fù)極，以空氣中的氧或純氧作正極的電池。 4.1 鋰空氣電池潛力巨大，在新能源、儲能以及航天軍事領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用價值 鋰空氣電池是一種非常有潛力的高比容量電池技術(shù)，理論能量密度高達(dá)11680Wh/kg，是現(xiàn)有的可充電電池體系中最高的，遠(yuǎn)超過鋰電池目前200+Wh/kg的實(shí)際能量密度，因此得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的熱捧，被廣泛認(rèn)為是一項(xiàng)電池領(lǐng)域中未來的顛覆技術(shù)。 盡管鋰-空氣電池具有最高的理論能量密度，但目前存在諸多的問題，如循環(huán)壽命、倍率性能、環(huán)境適應(yīng)性等限制了其實(shí)用化進(jìn)程，暫時還無法實(shí)用化。國際上對鋰空氣電池的研究已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了鋰空氣電池的可逆反應(yīng)、在密閉的空氣環(huán)境下運(yùn)行、實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)物由過氧化鋰到氧化鋰的轉(zhuǎn)變。 可以預(yù)見，隨著鋰-空氣電池研究的深入與發(fā)展，將會推動其性能不斷提高，并推進(jìn)其實(shí)用化進(jìn)程。如此高的理論容量密度使得鋰空氣電池不僅在新能源汽車領(lǐng)域、儲能領(lǐng)域非常具有吸引力，在航天、軍事、移動電子等也存在廣泛的應(yīng)用價值。 4.2 鋅空氣電池能量密度高，但技術(shù)突破困難 鋅空氣電池是利用活性炭吸附空氣中的氧氣或者純氧作為正極的活性物質(zhì)，以金屬鋅作為電池負(fù)極，以氯化銨或堿性溶液作為電解質(zhì)。鋅空氣電池能量密度高（1350Wh/kg），目前實(shí)際利用可以達(dá)到300-400Wh/kg。鋅原材料豐富，成本低，是除鐵外價格最低的金屬，此外鋅空氣電池還具有放電電壓平穩(wěn)、安全性好、環(huán)境友好、質(zhì)量輕、循環(huán)穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。雖然一次堿性鋅空電池已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，成功應(yīng)用于醫(yī)療和通信應(yīng)用領(lǐng)域，如微型助聽器和無線信息傳遞裝置。 然而，電化學(xué)可逆的可充電鋅空電池由于面臨諸多挑戰(zhàn)，目前仍處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。 從電池化學(xué)的角度來看，強(qiáng)堿性電解質(zhì)是阻礙可充電鋅空電池商業(yè)化進(jìn)程的關(guān)鍵。2021年新發(fā)的Science發(fā)明了高度電化學(xué)可逆的非堿性鋅空電池。為了打破堿性電解質(zhì)對鋅空電池的束縛，該項(xiàng)突破性工作為后續(xù)研發(fā)高可逆的二次金屬空氣電池提供了新的理解和研究思路，但鋅空電池仍存在很多問題沒有解決，如充放電效率低（該工作一個充放電周期的時間長達(dá)20個小時）、充放電過程中枝晶的析出與生長、電池的發(fā)熱問題。 鋅空氣電池由于其高能量密度、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)而成為下一代最有希望的新能源電池，由于低成本與安全性好的優(yōu)勢可能應(yīng)用在對移動性、便攜性要求不高的場所（5G基站、家庭/工業(yè)儲能、數(shù)據(jù)中心等）。 05. 氫燃料電池技術(shù)有產(chǎn)業(yè)性突破，前景光大 金屬離子電池與金屬空氣電池的能量密度有限，充電時間長，與燃油車有很大差距。氫燃料電池基礎(chǔ)能量密度是汽油的3倍，能量密度是鋰離子電池的100多倍，加氫時間僅需幾分鐘，且綠色清潔，被譽(yù)為“21世紀(jì)的**能源”。  表五：氫燃料電池與鋰離子電池對比 （資料來源：公開資料，本翼資本整理） 當(dāng)前氫的儲存分為高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、化學(xué)儲氫及吸附儲氫等多種方式。液氫作為最有潛力的一種儲運(yùn)方式，液態(tài)氫的密度是氣氫的780倍，使得氫可以高效地儲存和運(yùn)輸。在歐、美、日等地區(qū)和國家，液氫技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)相對成熟，液氫儲運(yùn)等環(huán)節(jié)已進(jìn)入規(guī)?；瘧?yīng)用階段，而我國由于液氫技術(shù)仍處于起步階段，氫液化系統(tǒng)核心設(shè)備仍然依賴進(jìn)口，主要應(yīng)用于航天領(lǐng)域，且產(chǎn)能較低、成本過高，民用領(lǐng)域應(yīng)用仍處于空白狀態(tài)，僅在西昌、文昌航天101所有4臺液化系統(tǒng)。 目前國內(nèi)多個氫能示范城市在相關(guān)發(fā)展規(guī)劃中明確了未來燃料電池汽車推廣的階段性目標(biāo)。氫能產(chǎn)業(yè)已成為我國能源戰(zhàn)略布局的重要組成部分?！缎履茉雌嚠a(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》指出，要有序推進(jìn)氫燃料電池供給體系建設(shè)，包括提高氫燃料制儲運(yùn)經(jīng)濟(jì)性和推進(jìn)加氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。 根據(jù)國際氫能委員會預(yù)計(jì)，到2050年，氫能將承擔(dān)全球18%的能源終端需求，創(chuàng)造超過2.5萬億美元的市場價值，燃料電池汽車將占據(jù)全球車輛的20%-25%，屆時將成為與汽油、柴油并列的終端能源體系消費(fèi)主體。根據(jù)中國石油勘探開發(fā)研究院的預(yù)測，2050年液氫將占所有儲氫方式的45%。液氫技術(shù)將有力促進(jìn)我國氫能產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。對氫燃料電池汽車來說，液氫的進(jìn)場極有可能促進(jìn)全產(chǎn)業(yè)鏈降本，是當(dāng)前階段難得的重大利好。 當(dāng)前氫的儲存分為高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、化學(xué)儲氫及吸附儲氫等多種方式。液氫作為最有潛力的一種儲運(yùn)方式，液態(tài)氫的密度是氣氫的780倍，使得氫可以高效地儲存和運(yùn)輸。在歐、美、日等地區(qū)和國家，液氫技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)相對成熟，液氫儲運(yùn)等環(huán)節(jié)已進(jìn)入規(guī)?；瘧?yīng)用階段，而我國由于液氫技術(shù)仍處于起步階段，氫液化系統(tǒng)核心設(shè)備仍然依賴進(jìn)口，主要應(yīng)用于航天領(lǐng)域，且產(chǎn)能較低、成本過高，民用領(lǐng)域應(yīng)用仍處于空白狀態(tài)，僅在西昌、文昌航天101所有4臺液化系統(tǒng)。 據(jù)中國科學(xué)院院士歐陽明高在中關(guān)村氫能與燃料電池技術(shù)創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成立大會的報告，中國車用燃料電池技術(shù)近年來取得產(chǎn)業(yè)化突破，2020年各種技術(shù)指標(biāo)大幅度提高，安全技術(shù)提高了300%。而且與過去十年比的鋰離子電池下降成本過程相似，燃料電池發(fā)動機(jī)成本在今后十年會大幅度下降，進(jìn)入一個快速下降的區(qū)間，但盡管如此，短期內(nèi)氫燃料電池汽車的成本跟新能源電車比較仍不具競爭力，因此氫能源燃料汽車雖然潛力巨大但短期內(nèi)只能作為新能源電動車的補(bǔ)充，在儲能領(lǐng)域的應(yīng)用會更廣泛；在長期為達(dá)到碳中和的要求，隨著關(guān)鍵技術(shù)的突破和產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模化，燃料電池會成為大趨勢。 06. 核電池成本極高，不適用于民用領(lǐng)域 核電池有很多種，都是利用放射性同位素的衰變來發(fā)電（并非反應(yīng)堆），但航天器上用的主要是钚238核熱電池，它的原理很簡單：芯部的钚238衰變產(chǎn)生熱量，通過換能器也就是熱電轉(zhuǎn)換器件，利用溫差將熱能轉(zhuǎn)化為電能，所以也叫同位素溫差電機(jī)RTG。  圖五：RTG示意圖 （資料來源：硬核小螺號公眾號，本翼資本整理） 放射性同位素在衰變過程中，會持續(xù)不斷的放出具有熱能的射線。利用半導(dǎo)體換能器將熱能轉(zhuǎn)換為電能的裝置即為核電池。以原子自然衰變釋放的能量為動力。 核電池按放射性元素的不同可分為高電壓型和低電壓型。高電壓型應(yīng)用在航天與軍事用途上。低電壓型體積可以制造的很小，通常在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用。 核電池因?yàn)槌渥愕哪芰砍L的壽命，不受外界環(huán)境的溫度，壓力，化學(xué)反應(yīng)，電磁反應(yīng)等影響持續(xù)釋放能量的特性，而擁有化學(xué)電池不可比擬的優(yōu)勢，只要空間存在，就可以工作的能力，簡直是太空飛行的**電源。 核電池的優(yōu)點(diǎn)非常多，但是受限于熱能轉(zhuǎn)換材料的性能，只有10%-20%的熱能被利用，其余的能量被浪費(fèi)無法轉(zhuǎn)換。受限于熱能轉(zhuǎn)換率，電流有限，如果要提供足夠的功率，大體積隨即會產(chǎn)生高輻射。但是，在民用領(lǐng)域，核電池的推廣和普及有極大的難度。首先是價格問題。電池原料使用的钚，釙等都很難獲得，有些甚至需要在核裂變乏材料中提取。價格注定非常昂貴。其次是安全性問題。美蘇都發(fā)生過電池破裂燒毀丟失的事故。雖然現(xiàn)在的核電池已經(jīng)做的極度安全，但是一旦出現(xiàn)破裂摔壞，內(nèi)部的放射性元素會直接暴露在空氣中。這會引起民眾極大的擔(dān)憂。 三、分析及結(jié)論 鋰離子電池是目前市場占比**的電池。對于鋰離子電池的研究發(fā)展，很多公司針對三元電池起火的問題提出了解決方案，除此之外，更多的是針對提高能量密度的研究，如無模組化、摻硅補(bǔ)鋰、固態(tài)電池等；但隨著能源革命的推進(jìn)，由于鋰的特性限制（鋰離子電池的能量密度將接近極限）及資源限制，鋰離子電池可能無法全面改變傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)，難以同時支撐起電動汽車和電網(wǎng)儲能兩大產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，故對非鋰材料新型電池的研究也是各國研究的重點(diǎn)，包括鈉離子電池、鉀離子電池、金屬-空氣電池、氫燃料電池、核電池等。在儲能技術(shù)方面，研究人員都在尋求效用、成本、安全性和應(yīng)用場景這四個層面的**解 。對于儲能效用好，安全性稍好，成本稍高的電池，可以應(yīng)用在對便攜性移動性要求強(qiáng)的應(yīng)用場景，例如汽車、機(jī)器人等；對于儲能效用不那么高、安全性好、成本低的電池，可以應(yīng)用在對空間、便攜性沒有限制的應(yīng)用場景，如5G基站、工業(yè)儲能；對于儲能效用和安全性極高，但是成本也極高的電池，可以應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域。  表六：新型電池技術(shù)對比 （資料來源：公開資料，本翼資本整理） 因?yàn)樾滦碗姵卮蠖嗌性谘芯侩A段，所以很多需要實(shí)踐才能驗(yàn)證的數(shù)據(jù)缺失（如成本、安全性等），因此在分析他們的應(yīng)用場景時，主要聚焦他們的優(yōu)勢維度上。  圖六：新型電池及應(yīng)用場景 （資料來源：公開資料，本翼資本整理） （1）鈉離子電池安全性強(qiáng)，高低溫性能好，適用于對便攜性、移動性要求低的場所或者應(yīng)用于對能量密度要求不高的場景； （2）鉀離子電池目前尚處于研究起步階段，技術(shù)突破后可以應(yīng)用在低速電動車和規(guī)模儲能等場景中； （3）鋰空氣電池由于其超高的能量密度，被譽(yù)為被認(rèn)為是一個未來可以顛覆電池領(lǐng)域的技術(shù)，技術(shù)突破后不僅在新能源汽車領(lǐng)域非常具有吸引力，在航天、軍事、移動電子等也存在廣泛的應(yīng)用價值； （4）鋅空氣電池由于高能量密度，清潔等特性有機(jī)會成為下一代新能源電池，由于低成本與安全性好的優(yōu)勢可能應(yīng)用在對移動性、便攜性要求不高的場所； （5）氫燃料電池的研究目前已經(jīng)取得產(chǎn)業(yè)性突破，預(yù)計(jì)成本在未來十年也會進(jìn)入快速下降區(qū)間，在新能源汽車領(lǐng)域，氫燃料電池汽車的能效要比純電動和混動汽車高很多，潛力巨大，長期看可能會成為主流；其次，氫能也是集中式可再生能源大規(guī)模長周期儲存的**途徑； （6）核電池具有能源充足、壽命極長、不受外界環(huán)境影響等優(yōu)勢，是太空飛行的**能源。但由于其安全性和成本的問題，在民用領(lǐng)域普及推廣具有極大難度。 |
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