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)明了第一款電池（Vlotaic Pile伏特堆），他利用鋅片（陽(yáng)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(lái)的。
大約40年后，以為英國(guó)化學(xué)家John Frederic Daniel通過(guò)變換電池形式，解決了伏特堆放電時(shí)產(chǎn)生的氫氣氣泡問(wèn)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(shí)電池可以達(dá)到1V電壓。
1850年，法國(guó)物理學(xué)家Gaston Planté發(fā)明了鉛酸電池（陽(yáng)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(lèi)電池被廣泛使用，車(chē)載蓄電池、早期電動(dòng)車(chē)等都采用這類(lèi)電池，截止2014年，全球約售出了4470萬(wàn)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(yáng)極，采用液體電解液），也就是小時(shí)候經(jīng)常會(huì)用到的隨身聽(tīng)、四驅(qū)車(chē)所用的充電電池，為現(xiàn)代電子科技打下了基礎(chǔ)。不過(guò)這類(lèi)電池有個(gè)巨大的缺點(diǎn)，也就是老一輩人經(jīng)常會(huì)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(huì)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(mǎn)電量縮小，所以漸漸就被市場(chǎng)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(jiàn)的堿性電池（鋅為陽(yáng)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(lái)源），就是平時(shí)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(guò)按壓電池表面顯示當(dāng)前電量。全球售出超過(guò)100億顆。
1989年，第一款商業(yè)鎳氫電池問(wèn)世（陽(yáng)極為金屬氫化物或儲(chǔ)氫合金、陰極為氫氧化鎳），耗時(shí)超過(guò)20年研發(fā)，由戴姆勒-奔馳和德國(guó)大眾贊助。通過(guò)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(méi)有“記憶效應(yīng)”，所以不必像鎳鎘電池一樣擔(dān)心使用問(wèn)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(dòng)車(chē)所采用。
1991年，索尼公司推出了第一款商業(yè)鋰離子電池（陽(yáng)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(shí)間線(xiàn)
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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(duì)比
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近年來(lái)，隨著對(duì)可再生能源利用的巨大需求和對(duì)環(huán)境污染問(wèn)題的日益關(guān)注，二次電池（又稱(chēng)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(chǔ)下來(lái)的儲(chǔ)能技術(shù)，在新一輪能源變革中迎來(lái)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(kāi)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(jiǎng)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(duì)較低，三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池相對(duì)其他種類(lèi)有較大優(yōu)勢(shì)，是動(dòng)力電池的良好選擇。
圖二：鋰離子電池的分類(lèi)
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（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(mén)選擇。鈷酸鋰的缺點(diǎn)是壽命相對(duì)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(guò)程的負(fù)極鍍鋰問(wèn)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(shí)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(zhǎng)壽命。
（3）鈦酸鋰電池：鈦酸鋰的標(biāo)稱(chēng)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(lèi)似，這個(gè)體系可以定制用作能量電池或功率電池。NMC是電動(dòng)工具，電動(dòng)自行車(chē)和其他電動(dòng)動(dòng)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(zhǎng)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(dòng)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(guò)納米級(jí)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(zhǎng)循環(huán)壽命；良好的熱穩(wěn)定性，增強(qiáng)了安全性和過(guò)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(huì)引起老化進(jìn)而帶來(lái)均衡問(wèn)題。
表二：鋰離子電池性能對(duì)比
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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年索尼推出第一款商業(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(duì)更高能量密度和更高安全性的追求，各國(guó)都在加緊對(duì)新型電池技術(shù)的研發(fā)以期占領(lǐng)技術(shù)高地。動(dòng)力電池作為鋰電池最大的應(yīng)用場(chǎng)景，2020年中國(guó)車(chē)用動(dòng)力電池出貨量為80GWh，同比增長(zhǎng)12.7%，占中國(guó)鋰電池市場(chǎng)56%的份額，遠(yuǎn)超其他應(yīng)用終端。鋰電池雖為目前最佳選擇，但能量密度其實(shí)已經(jīng)接近極限，所以對(duì)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(duì)于三元鋰離子電池，還要集中處理熱失控引起的爆炸問(wèn)題。
1.1 三元鋰電池?zé)崾Э貑?wèn)題改進(jìn)
三元電池由于密度更高，熱穩(wěn)定性相對(duì)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(guò)的一道坎。所以在動(dòng)力電池安全技術(shù)開(kāi)發(fā)上，車(chē)企和主流電池企業(yè)開(kāi)始將目標(biāo)集中投向“三元電池系統(tǒng)不起火”。
寧德時(shí)代：2020年10月，寧德時(shí)代表示已開(kāi)發(fā)出“只冒煙不起火”三元電池，通過(guò)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(gè)電芯起火，整個(gè)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(duì)外發(fā)布了熱失控系統(tǒng)性解決方案——冷蜂，通過(guò)材料、電芯、電池包、監(jiān)控系統(tǒng)四大層級(jí)的原創(chuàng)技術(shù)徹底解決電池系統(tǒng)的熱失控問(wèn)題。
廣汽埃安：3月10日，廣汽埃安發(fā)布新一代動(dòng)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(guò)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(gè)層級(jí)，打造三元電池包的安全、高效保護(hù)。彈匣電池相對(duì)于同類(lèi)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(chē)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(gè)零戰(zhàn)略”，即零風(fēng)險(xiǎn)、零衰減、零焦慮、零誤差。其中，打造“零風(fēng)險(xiǎn)、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(gè)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(xiǎn)、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(guò)“加熱觸發(fā)電芯熱失控實(shí)驗(yàn)”，即單個(gè)電芯在被觸發(fā)發(fā)生熱失控之后，整個(gè)電池包只冒煙不起火。
嵐圖汽車(chē)：3月17日，東風(fēng)旗下嵐圖汽車(chē)在線(xiàn)舉辦三元鋰電池安全技術(shù)分享會(huì)，三元電池在熱失控觸發(fā)并發(fā)出熱事件報(bào)警信號(hào)后，無(wú)冒煙、無(wú)起火、無(wú)爆炸現(xiàn)象發(fā)生。
1.2 無(wú)模組化電池通過(guò)提高空間利用率提升能量密度
模組主要是單體電芯通過(guò)串并聯(lián)方式，加保護(hù)線(xiàn)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(lái)系統(tǒng)能量密度低。模組與PACK材料在動(dòng)力電池系統(tǒng)的成本占比超過(guò)20%。無(wú)模組化精簡(jiǎn)模組與PACK端結(jié)構(gòu)，減重降本效果顯著。
寧德時(shí)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(shí)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(dòng)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(wú)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(lái)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(guò)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(gè)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(dòng)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(shí)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(huì)坍塌，鋰就沒(méi)法進(jìn)出了。也就是說(shuō)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(lái)看，硅基負(fù)極制備工藝復(fù)雜，無(wú)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(lái)說(shuō)，鋰離子電池首次充電時(shí)，會(huì)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(lái)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(zhǎng)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(duì)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(guò)，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?；蛟S近兩年內(nèi)，采用摻硅補(bǔ)鋰技術(shù)的電池產(chǎn)品將會(huì)大規(guī)模上市，同時(shí)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)鋰電池最大的不同在于電解質(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)性能最優(yōu)。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(lái)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(zhǎng)（可達(dá)1000次）以上，能量密度較高，倍率性能較好，同時(shí)成本較低。主要缺陷是界面接觸問(wèn)題尚未完美解決。氧化物電解質(zhì)比較適合動(dòng)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(jià)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(wèn)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(wú)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(duì)里程焦慮的緩解，磷酸鐵鋰電池的市場(chǎng)份額會(huì)逐漸增加，高端車(chē)仍會(huì)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(duì)比
（資料來(lái)源：公開(kāi)資料，本翼資本整理）
通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)在儲(chǔ)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(chǎng)景這四個(gè)層面的最優(yōu)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(wèn)題，安全性問(wèn)題包括爆炸和易損問(wèn)題，成本問(wèn)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(duì)環(huán)境污染太大。①當(dāng)電池儲(chǔ)能效用不足、安全性較高而成本較低時(shí)，可以應(yīng)用在對(duì)移動(dòng)性、便攜性要求較低的場(chǎng)景，例如5G基站、家庭/工業(yè)儲(chǔ)能、數(shù)據(jù)中心等；或者應(yīng)用在對(duì)能量密度要求不高的場(chǎng)景，例如電動(dòng)自行車(chē)、低速電動(dòng)車(chē)、公共汽車(chē)、電動(dòng)船舶等。②當(dāng)電池儲(chǔ)能效用好、安全性較高但成本高時(shí)，可應(yīng)用在對(duì)移動(dòng)性便攜性要求較高的場(chǎng)所，例如手機(jī)、汽車(chē)、機(jī)器人等，③當(dāng)儲(chǔ)能效用和安全性極高，但是成本也極高時(shí)，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(chǎng)容量占比最高的電池，在新能源動(dòng)力汽車(chē)和儲(chǔ)能領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用，但因?yàn)槿囯姵氐陌踩珕?wèn)題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(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。同時(shí)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(chǔ)能技術(shù)并不能全面改變傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)，難以同時(shí)支撐起電動(dòng)汽車(chē)和電網(wǎng)儲(chǔ)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(guó)競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)。
02. 鈉離子電池成本優(yōu)勢(shì)明顯，有望在儲(chǔ)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(xiàn)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(xiàn)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(chǔ)量豐富、分布廣泛、成本低廉、無(wú)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(shì)，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(wú)過(guò)放電問(wèn)題等優(yōu)勢(shì)。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(gè)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(duì)比
（資料來(lái)源：公開(kāi)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(kāi)始在商業(yè)化路線(xiàn)探索。經(jīng)過(guò)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(chǔ)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(zhuān)利的申請(qǐng)數(shù)目逐年遞增。美國(guó)、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(guó)競(jìng)相發(fā)展的儲(chǔ)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(mǎn)足新能源領(lǐng)域低成本、長(zhǎng)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(chǔ)能電池發(fā)展受限問(wèn)題，是鋰離子電池的有益補(bǔ)充，同時(shí)可逐步替代環(huán)境污染嚴(yán)重的鉛酸電池，推動(dòng)我國(guó)清潔能源技術(shù)應(yīng)用邁向新臺(tái)階，為我國(guó)能源安全和社會(huì)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(duì)便攜性、移動(dòng)性要求低的場(chǎng)所，例如：5G基站、家庭/工業(yè)儲(chǔ)能、數(shù)據(jù)中心等，或者應(yīng)用于對(duì)能量密度要求不高的電動(dòng)自行車(chē)、低速電動(dòng)車(chē)、公共汽車(chē)、電動(dòng)船舶等場(chǎng)景。
03. 鉀離子電池研究處于起步階段，短期無(wú)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(lái)引起了極大的關(guān)注。
圖四：鉀離子電池特性及不足
（資料來(lái)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(guò)程中，固體電極中的離子擴(kuò)散性差可能導(dǎo)致反應(yīng)動(dòng)力學(xué)遲緩，這會(huì)影響電池的離子遷移和速率。此外，循環(huán)過(guò)程中的大體積變化可能會(huì)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(huì)加速副反應(yīng)，這將導(dǎo)致枝晶生長(zhǎng)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(guò)程中的極化，并最終導(dǎo)致容量衰減。
對(duì)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(dòng)車(chē)運(yùn)行，和鈉離子電池類(lèi)似，可以應(yīng)用在低速電動(dòng)車(chē)和規(guī)模儲(chǔ)能等場(chǎng)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(chǔ)能以及航天軍事領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用價(jià)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(guò)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(lái)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(wèn)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(shí)還無(wú)法實(shí)用化。國(guó)際上對(duì)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(guò)氧化鋰到氧化鋰的轉(zhuǎn)變。
可以預(yù)見(jiàn)，隨著鋰-空氣電池研究的深入與發(fā)展，將會(huì)推動(dòng)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(chē)領(lǐng)域、儲(chǔ)能領(lǐng)域非常具有吸引力，在航天、軍事、移動(dòng)電子等也存在廣泛的應(yīng)用價(jià)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(jià)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(tīng)器和無(wú)線(xiàn)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(lái)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(duì)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(wèn)題沒(méi)有解決，如充放電效率低（該工作一個(gè)充放電周期的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)20個(gè)小時(shí)）、充放電過(guò)程中枝晶的析出與生長(zhǎng)、電池的發(fā)熱問(wèn)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(shì)可能應(yīng)用在對(duì)移動(dòng)性、便攜性要求不高的場(chǎng)所（5G基站、家庭/工業(yè)儲(chǔ)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(shí)間長(zhǎng)，與燃油車(chē)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(shí)間僅需幾分鐘，且綠色清潔，被譽(yù)為“21世紀(jì)的終極能源”。
表五：氫燃料電池與鋰離子電池對(duì)比
（資料來(lái)源：公開(kāi)資料，本翼資本整理）
當(dāng)前氫的儲(chǔ)存分為高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、化學(xué)儲(chǔ)氫及吸附儲(chǔ)氫等多種方式。液氫作為最有潛力的一種儲(chǔ)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(chǔ)存和運(yùn)輸。在歐、美、日等地區(qū)和國(guó)家，液氫技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)相對(duì)成熟，液氫儲(chǔ)運(yùn)等環(huán)節(jié)已進(jìn)入規(guī)?；瘧?yīng)用階段，而我國(guó)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(lài)進(jìn)口，主要應(yīng)用于航天領(lǐng)域，且產(chǎn)能較低、成本過(guò)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(tái)液化系統(tǒng)。
目前國(guó)內(nèi)多個(gè)氫能示范城市在相關(guān)發(fā)展規(guī)劃中明確了未來(lái)燃料電池汽車(chē)推廣的階段性目標(biāo)。氫能產(chǎn)業(yè)已成為我國(guó)能源戰(zhàn)略布局的重要組成部分?！缎履茉雌?chē)產(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(chǔ)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(guó)際氫能委員會(huì)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(guò)2.5萬(wàn)億美元的市場(chǎng)價(jià)值，燃料電池汽車(chē)將占據(jù)全球車(chē)輛的20%-25%，屆時(shí)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(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院的預(yù)測(cè)，2050年液氫將占所有儲(chǔ)氫方式的45%。液氫技術(shù)將有力促進(jìn)我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。對(duì)氫燃料電池汽車(chē)來(lái)說(shuō)，液氫的進(jìn)場(chǎng)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(chǔ)存分為高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、化學(xué)儲(chǔ)氫及吸附儲(chǔ)氫等多種方式。液氫作為最有潛力的一種儲(chǔ)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(chǔ)存和運(yùn)輸。在歐、美、日等地區(qū)和國(guó)家，液氫技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)相對(duì)成熟，液氫儲(chǔ)運(yùn)等環(huán)節(jié)已進(jìn)入規(guī)?；瘧?yīng)用階段，而我國(guó)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(lài)進(jìn)口，主要應(yīng)用于航天領(lǐng)域，且產(chǎn)能較低、成本過(guò)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(tái)液化系統(tǒng)。
據(jù)中國(guó)科學(xué)院院士歐陽(yáng)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(huì)的報(bào)告，中國(guó)車(chē)用燃料電池技術(shù)近年來(lái)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(guò)去十年比的鋰離子電池下降成本過(guò)程相似，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)成本在今后十年會(huì)大幅度下降，進(jìn)入一個(gè)快速下降的區(qū)間，但盡管如此，短期內(nèi)氫燃料電池汽車(chē)的成本跟新能源電車(chē)比較仍不具競(jìng)爭(zhēng)力，因此氫能源燃料汽車(chē)雖然潛力巨大但短期內(nèi)只能作為新能源電動(dòng)車(chē)的補(bǔ)充，在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)更廣泛；在長(zhǎng)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)?；剂想姵貢?huì)成為大趨勢(shì)。
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(lái)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(jiǎn)單：芯部的钚238衰變產(chǎn)生熱量，通過(guò)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(lái)源：硬核小螺號(hào)公眾號(hào)，本翼資本整理）
放射性同位素在衰變過(guò)程中，會(huì)持續(xù)不斷的放出具有熱能的射線(xiàn)。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(dòng)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(zhǎng)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(shì)，只要空間存在，就可以工作的能力，簡(jiǎn)直是太空飛行的最佳電源。
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(wú)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(huì)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(jià)格問(wèn)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(jià)格注定非常昂貴。其次是安全性問(wèn)題。美蘇都發(fā)生過(guò)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(huì)直接暴露在空氣中。這會(huì)引起民眾極大的擔(dān)憂(yōu)。
三、分析及結(jié)論
鋰離子電池是目前市場(chǎng)占比最大的電池。對(duì)于鋰離子電池的研究發(fā)展，很多公司針對(duì)三元電池起火的問(wèn)題提出了解決方案，除此之外，更多的是針對(duì)提高能量密度的研究，如無(wú)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(wú)法全面改變傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)，難以同時(shí)支撐起電動(dòng)汽車(chē)和電網(wǎng)儲(chǔ)能兩大產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，故對(duì)非鋰材料新型電池的研究也是各國(guó)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(chǔ)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(chǎng)景這四個(gè)層面的最優(yōu)解。
對(duì)于儲(chǔ)能效用好，安全性稍好，成本稍高的電池，可以應(yīng)用在對(duì)便攜性移動(dòng)性要求強(qiáng)的應(yīng)用場(chǎng)景，例如汽車(chē)、機(jī)器人等；對(duì)于儲(chǔ)能效用不那么高、安全性好、成本低的電池，可以應(yīng)用在對(duì)空間、便攜性沒(méi)有限制的應(yīng)用場(chǎng)景，如5G基站、工業(yè)儲(chǔ)能；對(duì)于儲(chǔ)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(duì)比
（資料來(lái)源：公開(kāi)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(chǎng)景時(shí)，主要聚焦他們的優(yōu)勢(shì)維度上。
圖六：新型電池及應(yīng)用場(chǎng)景
（資料來(lái)源：公開(kāi)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(duì)便攜性、移動(dòng)性要求低的場(chǎng)所或者應(yīng)用于對(duì)能量密度要求不高的場(chǎng)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(dòng)車(chē)和規(guī)模儲(chǔ)能等場(chǎng)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(gè)未來(lái)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(chē)領(lǐng)域非常具有吸引力，在航天、軍事、移動(dòng)電子等也存在廣泛的應(yīng)用價(jià)值；
（4）鋅空氣電池由于高能量密度，清潔等特性有機(jī)會(huì)成為下一代新能源電池，由于低成本與安全性好的優(yōu)勢(shì)可能應(yīng)用在對(duì)移動(dòng)性、便攜性要求不高的場(chǎng)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(lái)十年也會(huì)進(jìn)入快速下降區(qū)間，在新能源汽車(chē)領(lǐng)域，氫燃料電池汽車(chē)的能效要比純電動(dòng)和混動(dòng)汽車(chē)高很多，潛力巨大，長(zhǎng)期看可能會(huì)成為主流；其次，氫能也是集中式可再生能源大規(guī)模長(zhǎng)周期儲(chǔ)存的最佳途徑；
（6）核電池具有能源充足、壽命極長(zhǎng)、不受外界環(huán)境影響等優(yōu)勢(shì)，是太空飛行的最佳能源。但由于其安全性和成本的問(wèn)題，在民用領(lǐng)域普及推廣具有極大難度。
