锂电池技术变革与不确定共舞

锂电池技术变革： 与“不确定”共舞 PhotobyKevinPeschkeKearney,Chicago 近年来，全球电动汽车及新型储能市场突破式爆发，推动锂电池需求快速上升并带动锂电池产业链上下游企业实现飞跃式增长。但是，当前三元锂与磷酸铁锂技术并非终局解决方案，上游原材料供应不稳定导致剧烈的价格波动、中游新电池化学体系技术持续进步下、游应用场景精细分化等因素，将驱动未来锂电池技术的持续变革。 锂电池技术革命：与“不确定”共舞2 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 自20世纪末锂电池商业化以来，技术与产业化不断发展，应用逐步从消费领域拓展至动力、储能等新领域。日益精细分化的下游应用场景，对电池有着不同的性能与成本需求。 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。 ओ1 ۰ஈዽḛ९ڟኳ᳟ጇ၍᷎ဿ(+;L) 3,939 4% +VS[XL6EXI(C%+623ʜ-28ʜ) +31%3,026 2,32027% 5% 1,77324% 7% 30% 43% 9% 5% +39% 770 1,005 10% 1,359 8%22% 22% 68% 66% 30% 98 125 169 193 60% 276 27% 67% 471 74% 9% 12% 16% 74% 20% 71% 71% 71% 71% 17% 2016201718’19’20’21’22’23E’24E’25E’26E’27E’28E’ მ᪤ጇ၍ާکֹٶᛣጇ၍ܳܫጇ၍ ໓ᄽ：ᒝ઻્₞༹ৄᐕᓇ 锂电池技术革命：与“不确定”共舞3 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。 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，持续进行成本与性能的综合竞争。 ओ2 ᛣᱞટஓ(Wh/kg) 600 550 500 450 400 350 ₚՀڏ᳟vsᑤ᰿Ქ᳟ₛ 300 ऑఛݕ+ุॐ࿨᪋໡ 2C1811/7i3$C 2C%/7i3$C 2C1523/+4 2C19O/C-7i$0i 1OOOOQ): )PIGXViGEiVGVEJX 0i-ViGL/0 219O1O/C-7i$0i 2C1811/C-7i$0i 0i-ViGL/C-7i$0i 2C%/C-7i$0i 3 013 013/C-7i$0i 0il7-1\7 1SFiPIVSFSX 250 200 150 100 50 0 נᗖ᳟ጇ᫽ᖷլֆ 2C1333/+4 0*4/C 1 2015 ᲄጇ״ᓯວׁ 2ECY*I1R3/CSOI 2020 013/C-7i$0i 0*4/C-7i$0i 2 ڟऑఛₚ0wt%ₛ ᄍߐऑఛₚ10~1wt%ₛ ჳఛₚ25~10wt%ₛ 2025 6OOOQ): 7XEV-WXST 7LSVX-HiWXERGI): )RIVK]WXSVEKI 2030 2035 ໓ᄽ：ᒝ઻્₞༹ৄᐕᓇ 锂电池技术革命：与“不确定”共舞4 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 新能源汽车发展初期，磷酸铁锂电池因高安全性、低成本及长循环寿命的特征成为首选。2016年新增电池能量密度作为新能源汽车补贴参考指标后，三元锂电池因高能量密度的优势迅速占据更高的市场份额。近年来，随新能源汽车补贴退坡、磷酸铁锂电池包性能突破及三元锂原材料价格上扬，磷酸铁锂市场占有率反超三元锂电池。未来，性能升级与原材料价格波动，将持续影响三元锂与磷酸铁锂的竞争与市场份额。 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。 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。(见图3图4，第六页) 2.商业角度，下游客户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，故科尔尼认为，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。(见图5图6，第七页) 未来，性能升级与原材料价格波动，将持续影响三元锂与磷酸铁锂的竞争与市场份额。 锂电池技术革命：与“不确定”共舞5 ओ3 ጇ၍׍༯ຠᖷₚڏlO;Lₛ1 1.ޤᙪੵ௸๕ׁЫໟՂ֛࠺׍༯2.ՂԻׁՀڏ᳟Ыᑤ᰿Ქ᳟֛࠺໓ᄽ：ᒝ઻્ ओ4 ݱ׳ᗢᝌᱛᒲೋູₚڏlOQₛ NCM：~130ڏ/kmNCMx:~70ڏ/kmLFP：~110ڏ/kmLFPx:~80ڏ/km NCMNCMxLFPLFPx 1.ޤᙪੵ௸๕ׁЫໟՂ֛࠺׍༯2.ՂԻׁՀڏ᳟Ыᑤ᰿Ქ᳟֛࠺໓ᄽ：ᒝ઻્ 1500 1200 900 600 300 0 12,000 90,000 60,000 30,000 0 ~1,250 ~1,050 ~1,000 ~800 ~750 ~750 2023-2026ഃົ᫽ᖷ NCM622NCM811NCALFPNCMx2LFPx2 Յᑤ᰿Ქ᳟Ꮅဏ₞Հڏ׸ᖋञື໓ສຢ়ᎎݱ׳ೋູՂᶐᓋᵒ 300400500600700800 锂电池技术革命：与“不确定”共舞6 ओ5 ՛ऒ᳟ጇഃົ᫽ᖷᓨֆ༯૑ₚՄߩุݕ੪׸ᖋₛ 2O3O୶₞2C1\՛ऒ୎न ׏ḭ5O% Հڏ໊᳟ฬ׍༯ຖჭ₞ᑤ᰿Ქ᳟ᱜৈ୎न׏ḭ₞୷ḙ᧤શञᵆິ ࠛՀڏ᳟୷ẆᾓṺ 100% 80% 40% 20% 0% 201820192020202120222023202420252026 2027 2028 2029 2030 Հڏ᳟ጇ၍ᑤ᰿Ქ᳟ጇ၍ ໓ᄽ：ᒝ઻્₞༹ৄᐕᓇ ओ6 ڟኳکֹथݡ᳟ጇഃົ᫽ᖷᓨֆ༯૑ₚՄߩุݕ੪׸ᖋₛ 2O3O୶₞2C1\՛ऒ׃ ঵ऒખᎎ୎न׏ḭ8O% ზ঵3)1բ۰ฝՀڏ໊᳟ฬ׍༯ ႍܳḷᶛ₞᱘ޭষڏᎎጇݕ੪ഃ ົ᫽ᖷ₞୷஬ਁՅ՛ऒבՎᔨ᧥ᑤ᰿Ქ᳟ጇ၍؝ஈߐᖢₚ৤ऒᭃ +়יЫᒍሶ+ੵ௸๕ׁᔒₛ 100% 80% 40% 20% 0% 201820192020202120222023202420252026 2027 2028 2029 2030 Հڏ᳟ጇ၍ᑤ᰿Ქ᳟ጇ၍ ໓ᄽ：ᒝ઻્₞༹ৄᐕᓇ 锂电池技术革命：与“不确定”共舞7 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 锂、钠同属碱金属元素，物化性质类似。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： —层状氧化物：与锂电三元正极工艺类似，产业化速度相对领先。在关键指标上，比容量高、倍率性能好，综合性能优异。但结构容易变化、空气稳定性不佳导致稳定性亟待提升。在技术上可通过掺杂及包覆改性，预期Na-Cu-Fe-Mn路线可凭借成本优势率先量产。未来更适合A00级电动车、两轮车等低端动力和对循环次数要求不高的家用储能。 —聚阴离子化合物：稳定性好，同时可预期成本具有显著优势。但电导率较差，在技术上需要包覆和纳米化改性，这也会折损能量密度。研判未来适合稳定性要求高且成本敏感的大型储能场景 —普鲁士蓝类化合物：理论比容量高，但制备工艺尚不成熟。从材料结构看，具有开放的钠离子传输通道的普鲁士蓝类化合物理论性能好，但因空位缺陷和结晶水等问题导致在实际应用中容量、倍率、库伦效率及循环寿命不佳，需要解决制备工艺的难题产业化进度较缓慢；未来将发挥其相对性能优势竞争A00级电动车、两轮车等场景。 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。 锂电池技术革命：与“不确定”共舞8 固态电池：具备性能飞跃想象空间，技术实现仍需长期探索 当前成熟锂离子电池能量密度提升空间有限：液态高镍三元锂离子电芯能量密度上限预估为350-400Wh/kg，且高镍低钴的稳定性问题悬而未决，安全隐患增加；安全性更好的下一代磷酸锰铁锂电池技术路线能量密度上限较低，估测仅为250Wh/kg。 进一步提升性能需要研发新