動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)深度報(bào)告：從芯出發(fā)回歸技術(shù)本源、聚焦發(fā)展主線

動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)深度報(bào)告：從芯出發(fā)，回歸技術(shù)本源、聚焦發(fā)展主線一、化學(xué)電源的演進(jìn)：實(shí)現(xiàn)電存儲(chǔ)的絕佳方式應(yīng)用場景的持續(xù)鋪開，推動(dòng)電池產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。無論是如火如荼的新能源車行業(yè)，還是方

興未艾的儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)，能量存儲(chǔ)設(shè)備是最關(guān)鍵的一環(huán)。以電化學(xué)氧化還原反應(yīng)為理論基礎(chǔ)的化

學(xué)電源能夠避開卡諾循環(huán)的限制，擁有可高達(dá)

80%以上的能量轉(zhuǎn)換效率，是最適配大儲(chǔ)能產(chǎn)

業(yè)的工具產(chǎn)品。當(dāng)下對于電池綜合性能提升的訴求正不斷加強(qiáng)，但也遭遇材料理化性能限制、

工藝與成本優(yōu)化等難點(diǎn)。我們認(rèn)為，從產(chǎn)品的本質(zhì)入手，理解底層運(yùn)行邏輯，將能夠更迅速

地在變革當(dāng)中做出反應(yīng)，辨別產(chǎn)品是否具備核心競爭力。走進(jìn)化學(xué)電源：多樣體系的全面滲透化學(xué)電源經(jīng)歷百年積淀，在仍可繼續(xù)挖掘的科學(xué)理論指導(dǎo)下形成完善的體系。這個(gè)體系包括

組成電池的各部分材料和配套的生產(chǎn)制造工藝。體系十分龐雜，但通過梳理，我們認(rèn)為基礎(chǔ)

的枝干（各部分的影響因素和訴求）是一致的。通過把握枝干，在完善的體系之中尋找技術(shù)

繼續(xù)發(fā)散的方向，是了解產(chǎn)業(yè)的正確路徑。我們認(rèn)為，未來仍將是多元電池技術(shù)持續(xù)共存的

局面，但有主流與非主流之分，同時(shí)單個(gè)體系中也會(huì)有多樣產(chǎn)品來滿足下游不同需求。探秘電池本源：性能往往不可兼得，需有所取舍我們認(rèn)為，化學(xué)電源體系下多元性能的最優(yōu)難以達(dá)到，往往某種性能的提升需要犧牲另一種

性能，即電池“技能樹”無法全部被點(diǎn)亮。因此，基于豐富的下游應(yīng)用場景，決定不同電池

體系仍將在長時(shí)期內(nèi)共存。但必須認(rèn)識(shí)到，共存并非意味著平均的市場份額，靜態(tài)上會(huì)有主

流與細(xì)分的差別，動(dòng)態(tài)上會(huì)有數(shù)類體系對其他體系的需求擠壓：性能變化受多種因子共同作用，影響方向可能不同。包括正負(fù)極材料類型、配比，以及

設(shè)計(jì)與制造工藝等，都會(huì)影響電池的能量密度、倍率性能等，這就意味著若影響方向不

同，將使得性能無法兼得。如鋰離子電池中，電極材料與電解液在固液相界面形成的

SEI膜能夠保證

Li+嵌入脫出的同時(shí)對電子絕緣，但作為鈍化膜也將使

Li+的擴(kuò)散受到限制，

同時(shí)

SEI膜的更新將造成

Li+和電解質(zhì)的持續(xù)損耗，進(jìn)而使電池容量下降；某些電池體系從本質(zhì)上看無法較好滿足某些性能需求。例如從最本征的載流子傳導(dǎo)與輸運(yùn)行為出發(fā)，鋰電體系的“快充性”并非最優(yōu)，主要系基于脫嵌機(jī)理，Li+的擴(kuò)散系數(shù)普遍

比水系二次電池中的異相氧化還原反應(yīng)的速率常數(shù)低數(shù)個(gè)數(shù)量級。此外，有機(jī)電解液的

離子電導(dǎo)率通常比水系電解液低

2

個(gè)數(shù)量級。因此，基于豐富的下游應(yīng)用場景，不同場

景的性能要求不同，決定不同電池體系將在長時(shí)期內(nèi)共存；大容量領(lǐng)域的技術(shù)之爭決定格局走向。大容量的市場意味著更大的份額，因此若某類體

系較好適應(yīng)大容量市場的需求，產(chǎn)品的導(dǎo)入將使體系份額明顯提升。車用動(dòng)力領(lǐng)域?qū)δ?/p>

量密度的嚴(yán)格要求，使得較高比能的電池體系能夠脫穎而出，對其他體系形成替代。我們通過由表及里的方式探究影響電池性能的本質(zhì)，在接下來的篇幅里，重點(diǎn)討論影響性能

的本質(zhì)要素。性能是與直觀需求聯(lián)系的概念，也是直擊下游需求的痛點(diǎn)所在。我們選取較受

關(guān)注的幾個(gè)性能指標(biāo)開展探討，包括能量密度、高倍率性能、循環(huán)性能和安全性能等。高倍率性能：影響輸出功率以及充電速度，本質(zhì)是擴(kuò)散能力倍率指電池在規(guī)定時(shí)間內(nèi)放出或達(dá)到額定容量所需的電流大小。倍率性能則為不同倍率充放

電電流下表現(xiàn)出的容量大小、保持率和恢復(fù)能力。尤其在高倍率充放條件下，對電池的性能

影響增大，包括壽命、安全性等，因此產(chǎn)業(yè)更關(guān)注高倍率性能。在高倍率放電下，一般會(huì)有

更大的輸出功率，但前期化學(xué)電源主要應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備，對功率要求不高，研究開發(fā)

重點(diǎn)主要聚焦在提高設(shè)備工作時(shí)間、便攜性能以及安全性能等。當(dāng)化學(xué)電源應(yīng)用于車輛時(shí)，對于高倍率性能要求更加嚴(yán)格，主要系輸出功率影響著汽車的最

高時(shí)速、加速性能及爬坡性能，此外車用動(dòng)力場景要求較好的快充能力。一般來說，當(dāng)以高

倍率放電時(shí)，電池極化作用增強(qiáng)，電壓下降導(dǎo)致比能量降低，因此常常是功率與能量不可兼

得的情況。以鉛酸、鎳氫、鋰離子電池的一般情況來講，鉛酸電池的能量功率特性較差，而

鋰離子電池的變化范圍寬，鎳氫電池具備較好的倍率性能但比能量較低。值得注意的是，長

時(shí)間的高倍率充放對于封閉的電池體系并不友好，因此我們認(rèn)為短期內(nèi)“換電模式”是一種

痛點(diǎn)解決方式，而長期視角下還應(yīng)關(guān)注開放式電池如燃料電池體系的開發(fā)。高倍率下的充放性能，實(shí)質(zhì)是大電流條件下的反應(yīng)速度保持能力，與電解質(zhì)的電導(dǎo)率，以及

離子在電極、電解質(zhì)和相關(guān)界面處的遷移能力相關(guān)。落實(shí)到具體參數(shù)，主要是正負(fù)極材料的

結(jié)構(gòu)、尺寸、比表面積、導(dǎo)電性、孔隙率和電解質(zhì)的傳導(dǎo)能力、穩(wěn)定性等方面，可以通過材

料改性來改善倍率性能。循環(huán)性能：衡量使用壽命的指標(biāo)，全生命周期多因素影響在一定的放電制度下，電池容量降至規(guī)定值之前，電池所經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)，稱使用周期。影

響電池循環(huán)壽命的主要因素有：在充放電過程中，反應(yīng)條件如溫度、電流密度、放電深度的

變化，將導(dǎo)致：電極活性表面積減小，使工作電流密度上升，極化增大；電極上活性物質(zhì)脫

落或轉(zhuǎn)移；電極材料發(fā)生腐蝕；電池內(nèi)部短路；隔膜損壞和活性物質(zhì)晶型改變，活性降低。從電池產(chǎn)品的生產(chǎn)流程來考慮，多個(gè)方面會(huì)影響電池循環(huán)性能：（1）電池本身的設(shè)計(jì)，如原

材料的選擇、正負(fù)極活性物質(zhì)的配比、電解液的選擇及用量等，都會(huì)影響電池充放電過程的

表現(xiàn)；（2）與電池制造過程的工藝相關(guān)，例如鋰離子電池制造工藝的好壞影響電池的內(nèi)阻大

?。唬?）電池的使用方法，例如大電流充放電條件、充放電截止電壓超限等都會(huì)造成結(jié)構(gòu)的

損傷；（4）電池的使用環(huán)境，尤其是環(huán)境溫度，對電池的循環(huán)壽命影響較大。安全性能：商用首要考量的“紅線”，持續(xù)改善增強(qiáng)可靠性當(dāng)下商用的各類電池均具有較好的安全性能，但不同類型電池的安全性能依然有所差異。鉛

酸電池主要的安全隱患來自其構(gòu)成材料，主要系硫酸溶液電解液穩(wěn)定性較低，若發(fā)生漏液或

爆炸事故，造成的危害較大。此外，與鋰離子電池相比，鉛酸電池的安全保障也較少。對于

鎳氫電池，其采用的物質(zhì)材料與配備的安全閥等保障系統(tǒng)也提升了該類型電池的安全性。不

同類型的鋰離子電池因電池材料的差異等原因，安全性各異，鐵鋰體系結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全性較好。材料性能與工藝質(zhì)量改善是提升安全性能的關(guān)鍵。要求電池的安全性好，即電池材料應(yīng)具有

較好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，同時(shí)在電池制造方面，要求材料的匹配性要好，裝配性能佳，

還需配備系統(tǒng)的電池保護(hù)措施，從整體上保障電池的安全工作。影響電池安全性能的關(guān)鍵因

素包括內(nèi)部因素與外部因素，內(nèi)部因素指構(gòu)成電池的各部分材料的性能，外部因素指電池使

用過程中因操作不當(dāng)帶來的過充過放等現(xiàn)象。可以通過調(diào)控影響機(jī)制改善體系的安全性能。動(dòng)力領(lǐng)域的體系演進(jìn)：追求更高比能為主線，鋰電體系脫穎而出鋰電池因高比能長循環(huán)等優(yōu)勢，在社會(huì)日常場景中持續(xù)滲透。全球碳中和目標(biāo)下，新能源汽

車產(chǎn)業(yè)已率先發(fā)力，帶動(dòng)鋰電體系邁入新增長。拉長周期看，我們認(rèn)為，具有最優(yōu)綜合性能、

且能夠不斷升級的鋰電池，未來仍將繼續(xù)在動(dòng)力領(lǐng)域扮演主導(dǎo)角色，并逐漸向固定式儲(chǔ)能等

場景滲透。但需注意，鋰電內(nèi)部體系多種多樣，以鋰為核的技術(shù)迭代仍在進(jìn)行，研發(fā)依然是

企業(yè)的重心。因此，持續(xù)關(guān)注動(dòng)力電池的技術(shù)變化，更有利于找尋勝者，增加投資的確定性。二、鋰電材料開發(fā)：漸進(jìn)迭代為主旋律，革命性突破需量變到質(zhì)變強(qiáng)政策驅(qū)動(dòng)下新能源汽車市場快速增長，產(chǎn)品力驅(qū)動(dòng)逐漸強(qiáng)化，推動(dòng)行業(yè)保持向上態(tài)勢。車

用動(dòng)力領(lǐng)域的關(guān)鍵訴求涉及續(xù)航、安全及循環(huán)等性能，鋰離子電池體系因其應(yīng)用潛力及適配

性而不斷升級，比能已由

1991

年的

80Wh/kg提升至當(dāng)下的

300Wh/kg，其發(fā)展的根本建立

在不斷優(yōu)化材料體系并尋找新材料組合的基礎(chǔ)上。以往的開發(fā)路徑以高比能低成本為主線，

因此歷經(jīng)鈷酸鋰至三元高鎳的需求份額變動(dòng)。站在全球電動(dòng)化提速、向市場化驅(qū)動(dòng)的新節(jié)點(diǎn)，

我們認(rèn)為，鋰電材料體系將繼續(xù)沿高比能主線演進(jìn)，需求外溢效應(yīng)不斷凸顯。車用動(dòng)力領(lǐng)域，高比能主線下，按照開發(fā)難度與體系變動(dòng)呈正相關(guān)的邏輯，能夠梳理出

相對清晰的演進(jìn)路徑。正極方面，短期高鎳正極相對明確，中期無鈷富鋰高壓材料更滿

足高比能需求，長期無鋰正極將是革命性突破的重點(diǎn)；負(fù)極方面，碳基材料因優(yōu)勢的導(dǎo)

電及承載作用將貫穿于硅基、金屬鋰等高比容負(fù)極的漸進(jìn)開發(fā)之中。但必須注意，動(dòng)力電池一味的追求長續(xù)航既遭遇技術(shù)難點(diǎn)，又難滿足其他性能要求。高

鎳體系適用城際長續(xù)航，而鐵鋰體系更滿足市內(nèi)短途，同時(shí)還有快充等細(xì)分市場。因此，

多類需求場景下，在功率、安全等性能上的改善允許一定比能的犧牲，從而可能使得整

體的材料體系演進(jìn)相對多元，呈現(xiàn)綜合性能螺旋升級的情形；鋰電技術(shù)升級產(chǎn)生的替代效應(yīng)正在發(fā)生，推動(dòng)體系向其他場景持續(xù)滲透。鋰電池從小容

量的醫(yī)藥航空領(lǐng)域?qū)?，再逐漸替代鉛酸、鎳氫體系等成為車用動(dòng)力領(lǐng)域的主流，伴隨

的是電池各組分的演進(jìn)，尤其是關(guān)鍵的正負(fù)極活性材料的變化。材料改性、組合后的體

系升級不僅體現(xiàn)在比能的提升，更在于成本競爭力的增強(qiáng)。這是鋰電技術(shù)具有的豐富衍

生材料給予的性能潛力空間。據(jù)我們測算，具備高安全長循環(huán)優(yōu)勢的方形鐵鋰電芯不含稅售價(jià)已降至

0.53

元/Wh左

右，基站備用電源全生命周期成本已低于鉛酸電池；此外，鐵鋰等高性價(jià)比鋰電體系正在向電動(dòng)工具、兩輪電動(dòng)等低帶電量領(lǐng)域滲透。我們認(rèn)為，體系性能指標(biāo)仍將持續(xù)改善，

應(yīng)保持多樣場景導(dǎo)入的積極預(yù)期；同時(shí)正向反饋將是體系革新的重要?jiǎng)恿?，因此不容?/p>

視固態(tài)等前沿技術(shù)的進(jìn)展，產(chǎn)業(yè)進(jìn)程可能超預(yù)期推進(jìn)。材料體系迭代升級，電池成本持續(xù)下降動(dòng)力電池能量密度與成本管控問題對應(yīng)新能源汽車兩大焦慮，我們認(rèn)為未來關(guān)鍵焦慮有望逐

步消除。1）首先動(dòng)力電池的能量密度直接關(guān)系到電池包的體積、續(xù)航里程等。動(dòng)力電池能量

密度的提升能夠減小電池包的整體體積，也能帶來更長的續(xù)航里程。電芯的活性材料是發(fā)揮功能的基礎(chǔ)，其成本占比高，圍繞材料降本增效是主要的研究方向。

解構(gòu)電池包，其由多電芯組成模組后，多個(gè)模組排列而成。電芯包括電極、隔膜、電解液與

集流體等，而電極則由活性材料、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑等構(gòu)成，其中活性材料是電化學(xué)反應(yīng)的主

要參與者。正極開發(fā)主旋律：高比能為主線，多維性能漸進(jìn)革新正極是電池發(fā)揮性能的基石之一，針對正極材料的開發(fā)十分關(guān)鍵。但材料的研制方向相對繁

雜，有必要進(jìn)行開發(fā)策略的梳理。在此章，我們從正極的理化本質(zhì)著手，回答五個(gè)問題：（1）

針對正極為什么要持續(xù)改性？（2）如何確定改性的方向？（3）改性后不同材料具備的核心

優(yōu)勢是什么？（4）改性后材料仍然存在哪些不足？（5）具備技術(shù)競爭力的企業(yè)有哪些？我們認(rèn)為，以能量密度為主要性能提升點(diǎn)的正極材料開發(fā)路徑是主線。但同樣要承認(rèn)這是一

個(gè)動(dòng)態(tài)過程，期間依然有針對其他性能的改善，相對低比能的材料亦有應(yīng)用價(jià)值?？傮w上，

正極開發(fā)遵循產(chǎn)業(yè)化優(yōu)先，體系兼容性優(yōu)先的理念，能量密度將螺旋式上升：短期

1-2

年，高鎳正極是較明確的開發(fā)及應(yīng)用方向：高鎳正極能夠提升比容，并且“去鈷

化”將降低成本。高鎳正極是眾多具有高比能潛力材料中，商業(yè)進(jìn)展最快的類型。但動(dòng)力

領(lǐng)域要求較好的綜合性能，高鎳正極開發(fā)仍需關(guān)注安全性等方面的改善；中期

3-5

年，富鋰錳基、高電壓正極等更滿足比能要求：能量密度的提升在產(chǎn)業(yè)進(jìn)程前

期是重點(diǎn)的關(guān)注方面，但隨著續(xù)航提升、電動(dòng)車其他性能提高的訴求增強(qiáng)，未來并不會(huì)

一味的追求比能。但同樣要認(rèn)識(shí)到，產(chǎn)業(yè)推進(jìn)中比能提升不可或缺，中期看，高鎳正極

較難滿足

350-400Wh/kg以上的要求，而富鋰錳基、高電壓正極等類型具備更高的理論

比能上限，因此是較好的研發(fā)選擇，但還將遭遇其他組分如電解液匹配的問題；長期

8-10

年，無鋰正極的應(yīng)用將使體系發(fā)生較大革新：正極比容提升相比負(fù)極比容提

升更為關(guān)鍵，從元素周期表看，右上方元素如

S、O、F、Cl等具備提升比能的較大潛

力，通過無鋰正極+鋰金屬負(fù)極的體系革新，電池的性能將獲得革命性的提高。但是無鋰

正極的開發(fā)意味著傳統(tǒng)電池體系的較大變動(dòng)，涉及負(fù)極、電解液等多組分和結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。鋰離子電池正極組分中，鎳鈷錳等過渡金屬往往不可或缺正極一般為含鋰的過渡金屬氧化物或聚陰離子化合物，且過渡金屬中

Co、Ni、Mn等較為合

適，主要系：（1）過渡金屬一般具有多種價(jià)態(tài)，可保持鋰離子嵌入和脫出過程中的電中性；

（2）嵌鋰化合物具有相對鋰的較高的電極電勢，可保證電池有較高的開路電壓。高鎳正極是已商用，最明確的產(chǎn)業(yè)研發(fā)方向正極的改性方向包括高鎳化、富鋰化、高電壓等，其中高鎳正極推進(jìn)商用進(jìn)展較快。高比能長續(xù)航的需求推動(dòng)下，正極材料性能的提升主要通過提高比容和工作電壓。材料研發(fā)主要圍

繞三個(gè)方面：（1）研發(fā)低電位下能實(shí)現(xiàn)高比容的正極材料，例如高鎳正極；（2）提高正極的

脫嵌鋰電位，例如高電壓

LCO、NCM和富鋰錳基層狀氧化物正極；（3）開發(fā)工作電壓高的

正極，例如尖晶石鎳錳酸鋰材料。其中高鎳化已開展商用，是相對明確的產(chǎn)業(yè)開發(fā)方向。正極材料高鎳化是降本增效的重要路徑，主要是調(diào)整三元材料鎳鈷及錳（鋁）等過渡金屬配

比，其中高鎳正極通常指鎳相對含量在

0.6（含）以上的材料型號。（1）增加

Ni含量可提升

正極比容。按照

Ni-Co-Mn三種元素比例的變化，主要有三元

111、523、622、811

型以及

Ni55/65

等產(chǎn)品，隨

Ni含量增加，材料實(shí)際放電比容量由

160mAh/g提高到

200mAh/g以

上；（2）因鈷價(jià)相對昂貴，鈷含量的下降使原材料成本優(yōu)勢提升。為保證安全性，高鎳三元對電池廠商的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造工藝及設(shè)備環(huán)境提出更高要求。811

型

及以上的三元材料較低鎳三元在理化性質(zhì)上差異大，因此帶來在原材料選用（使用性能更優(yōu)

的氫氧化鋰作為鋰源材料）、生產(chǎn)設(shè)備（需在純氧環(huán)境中制造）、生產(chǎn)環(huán)境（需要專用除濕、

通風(fēng)設(shè)備，嚴(yán)格的磁性物控制）等方面的變動(dòng)。因生產(chǎn)環(huán)節(jié)要求的提升，高品質(zhì)、高一致性

的材料量產(chǎn)難度加大，整體合格率偏低。傳統(tǒng)多晶三元正極改性提升比容的過程中面臨材料循環(huán)及安全性能降低的問題。三元正極提

升比容主要包括提高

Ni含量與提升充電電壓兩種方式：1）Ni含量提升至

90%則比容可提高

到

210-220mAh/g；2）不改變材料成分前提下，通過提高充電電壓的手段提升容量，例如

NCM622

在

4.3V時(shí)比容為

176mAh/g左右，電壓增大至

4.5V和

4.7V時(shí)比容分別可達(dá)

201.3

和

218.1mAh/g。但在提升比容的同時(shí)，也導(dǎo)致正極材料循環(huán)性能和安全性能顯著的降低，體

現(xiàn)為容量保持率及熱穩(wěn)定性的下降。主要原因是當(dāng)下商業(yè)化的三元正極大多是由納米級別一

次顆粒團(tuán)聚形成的

10

微米左右的二次球型多晶材料，其內(nèi)部存在大量晶界，循環(huán)過程中因

各向異性的晶格變化，易出現(xiàn)晶界開裂，顆粒破碎等現(xiàn)象，電池阻抗上升，性能快速下降。單晶三元的開發(fā)能夠較好解決多晶材料面臨的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題。單晶材料直接由直徑

2

-5

微

米的獨(dú)立晶體構(gòu)成，內(nèi)部沒有晶界，具備更高的結(jié)晶度、更穩(wěn)定的層狀結(jié)構(gòu)、各向異性特征，

因此單晶材料無論是在循環(huán)性能，還是在熱穩(wěn)定性，以及產(chǎn)氣量等指標(biāo)上都要優(yōu)于傳統(tǒng)的二

次顆粒

NCM材料。各大材料廠家積極開發(fā)單晶材料，但高鎳單晶研制難度較大，單晶中鎳高電壓是較為合適的

過渡型產(chǎn)品。相比

523、622

等傳統(tǒng)正極，811

及以上的單晶高鎳在制備工藝難度上顯著提

高，僅少數(shù)材料廠商宣稱具備單晶高鎳研制能力，包括容百科技、振華新材等。產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)

上，我們認(rèn)為，短期技術(shù)安全性待提升、安全訴求增加的背景下，單晶中鎳高壓相比傳統(tǒng)三元高鎳，具備一定的商用競爭力。中國主流的材料廠家，如當(dāng)升科技、容百科技等推出單晶

高電壓三元

5

系、6

系等型號產(chǎn)品，主要系單晶相比二次顆粒材料，容量的發(fā)揮能力較低，

因此通過提升單晶中鎳材料的工作電壓以提升比能，可接近

NCM811

水平。應(yīng)用層面，已有

多款車型搭載高電壓

Ni55

電池技術(shù)（如蔚來

100kWh電池包）。LG化學(xué)作為全球優(yōu)質(zhì)電池企業(yè)，2020

年裝機(jī)量位居全球第二，其關(guān)鍵的優(yōu)

勢之一在于自產(chǎn)正極，并且在正極材料開發(fā)層面具有：1）前驅(qū)體設(shè)計(jì)及生產(chǎn)的技術(shù)儲(chǔ)備；2）

掌握核心的正極材料煅燒制備工藝；3）正極改性方面的技術(shù)包括先進(jìn)的摻雜及表面涂覆工藝

等。基于較強(qiáng)的正極材料開發(fā)能力，LG化學(xué)持續(xù)推出優(yōu)質(zhì)三元正極，包括

NCM111、424、

523、622

及

712

正極產(chǎn)品，趨勢是高鎳化。在動(dòng)力領(lǐng)域，LG化學(xué)當(dāng)下主要的產(chǎn)品是

NCM622

電芯，但圍繞高鎳商用正進(jìn)行全球化的布

局：1）中國區(qū)域，特斯拉

Model3

部分車型曾采用圓柱

NCM811

電池，未來

ModelY或?qū)?/p>

應(yīng)用

NCMA電池；2）歐洲區(qū)域，新一代

NCM712

電池由波蘭工廠生產(chǎn)，已向大眾、雷諾等供應(yīng)，大眾

ID.4

和雷諾新一代

Zoe將采用該款電池；3）美國區(qū)域，2021

年起計(jì)劃開始生

產(chǎn)

NCMA電池，搭載在通用汽車生產(chǎn)的皮卡上。全球化的高鎳電池技術(shù)拓展初顯成效。正極“無鈷化”是高鎳的終極演進(jìn)目標(biāo)，“代鈷”元素的引入是關(guān)鍵高鎳的下一步是“無鈷”。鈷元素在正極材料中起到減少

Li/Ni混排、抑制充放電過程中的相變

以提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的作用。盡管鈷在三元電池中承擔(dān)關(guān)鍵作用，但并非不可或缺。Co對于高鎳材料（Ni含量＞90%）的容量保持率幾乎沒有貢獻(xiàn)；用

Al或

Mg替代鈷仍可抑制鋰鎳混排，提高穩(wěn)定性；摻雜

Al或

Mg均可抑制材料的

H2-H3

相變，改善循環(huán)性能；5%的

Al、Mg或

Mn的陽離子替代可降低正極與電解液間的反應(yīng)活性。改性已有的高比能潛力嵌鋰化合物是“無鈷”的另一路徑基于已有的正極材料進(jìn)行改性，是無鈷的另一種可行理念。以

Ni、Co、Mn為主要元素形成

多種的衍生材料，包括鎳錳酸鋰（LNMO）、富鋰錳基等。

層狀鎳錳酸鋰材料比容量高且易合成，但鋰鎳混排等問題增加產(chǎn)業(yè)化難度。鎳錳酸鋰材料開發(fā)已久，主要包括層狀鎳錳酸鋰（LiNi0.5Mn0.5O2）和尖晶石型鎳錳酸鋰（LiNi0.5Mn1.5O2）。其

中層狀

LNMO比容量高，理論比容約

280mAh/g。Ohzuku等

2003

年發(fā)表的研究顯示，LNMO電池在

2.5-4.5V之間約有

200mAh/g的比容量。此外，材料制備方法較多且易控制，包括離

子交換、水熱合成、氫氧化物共沉淀法等，材料成本較低。但層狀

LNMO存在大量的鋰鎳混

排以及較多的雜質(zhì)，因此難以獲得高的電池活性，從而使其商業(yè)化進(jìn)程受阻。富鋰化不僅能夠去鈷，且能夠釋放更高比容量。對于傳統(tǒng)正極材料，理論比容量最高一般為

280mAh/g，并且因完全脫鋰造成結(jié)構(gòu)破壞，通常只能可逆脫出約

0.65

個(gè)鋰。富鋰正極材料

xLi2MnO3·(1-x)LiMO2（M=Ni、Co、Mn等）由

Li2MnO3和

LiMO2

兩種層狀結(jié)構(gòu)按不同比例

復(fù)合而成，因含更多的鋰而具有高的理論比容量（320-350mAh/g）。富鋰錳基結(jié)構(gòu)復(fù)雜增加機(jī)理研究的難度，倍率及循環(huán)性能差，阻礙材料的商業(yè)化。因?yàn)楦讳?/p>

正極材料組成的復(fù)雜性，對于其結(jié)構(gòu)和脫嵌鋰機(jī)制的認(rèn)識(shí)存在分歧，同時(shí)也增大了機(jī)理研究

的難度。材料的首放效率、倍率性能、高溫性能、全電池性能、長期循環(huán)性能和充放電循環(huán)

過程放電電壓平臺(tái)衰減方面仍存在問題，性能較差，因此也阻礙了材料自

1991

年被開發(fā)以

來的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。通過改性能夠提高材料性能，但商用之路仍有電池其他部分匹配的挑戰(zhàn)。為保持材料的結(jié)構(gòu)

穩(wěn)定，容量、電壓穩(wěn)定，以及盡量減少電壓和容量衰減過程中伴隨的微孔、裂紋和位錯(cuò)等結(jié)

構(gòu)缺陷，可以通過表面改性、元素?fù)诫s、預(yù)循環(huán)處理等方式來改善性能。但對于層狀富鋰錳

基正極材料在未來全電池中的商業(yè)應(yīng)用，缺乏合適的負(fù)極材料是另一個(gè)挑戰(zhàn)?？紤]到傳統(tǒng)的

碳酸脂類電解液在高工作電壓下不穩(wěn)定，還需要開發(fā)全新的電解液來提升材料的循環(huán)穩(wěn)定性。開發(fā)高電壓正極是提高比容之外的另一種策略，其中尖晶石型

LNMO綜合性能較好。1999

年，Ohzuku等測試了不同的過渡金屬摻雜的

LiMxMn2-xO（4

M=Ti,

V,

Cr,

Fe,

Co,

Ni,

Cu,

Zn）。

研究結(jié)果表明當(dāng)

x=0.5

時(shí)，這類尖晶石材料均具有更高的工作電壓，大部分在

5V左右。其

中摻雜

Fe或

Ni后，材料性能相對優(yōu)異，如尖晶石

LNMO的理論放電比容量為

146.7mAh/g，

比能量可達(dá)

650Wh/kg。傳統(tǒng)電解液不匹配高電壓正極，且歧化反應(yīng)阻礙鋰離子傳輸。（1）尖晶石

LNMO具有高達(dá)

4.7V的工作電壓，超過當(dāng)下商業(yè)化的傳統(tǒng)有機(jī)電解液

4.5V的電壓極限。高電壓下電解液發(fā)

生分解，導(dǎo)致活性物質(zhì)消耗和電池阻抗增加，使材料電化學(xué)性能惡化。（2）材料中含少量

Mn3+，

會(huì)發(fā)生歧化反應(yīng)，生成的

Mn2+會(huì)被

HF還原成金屬錳沉積到負(fù)極鋰片表面，形成鈍化層，同

時(shí)也造成活性物質(zhì)的溶解，影響電池的循環(huán)性能。通過摻雜或包覆等方式能夠提升性能，但為達(dá)到商用，還需進(jìn)一步改善。（1）通過一些金屬

離子對

Ni、Mn元素部分取代，達(dá)到穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu)，調(diào)控材料的

Ni/Mn無序程度，進(jìn)而改善

性能的目的。Chen等研究

Al摻雜對材料的影響，發(fā)現(xiàn)摻雜后晶體結(jié)構(gòu)改變，循環(huán)和倍率性

能提高，

Li1.05Ni0.5Mn1.45Al0.05O4

在

55

℃

下

其

100

次

循

環(huán)

容

量

保

持

率

達(dá)

98%

，

LiNi0.475Mn1.475Al0.05O4在

10C放電時(shí)仍保持

114mAh/g比容量。（2）通過表面包覆，保護(hù)材

料免受

HF的侵蝕，提升循環(huán)性能。主要的實(shí)驗(yàn)包覆材料有

ZnO、Al2O3、SiO2等。但在商用

化進(jìn)程中，5V級尖晶石

LNMO尚處于研發(fā)和小批量生產(chǎn)階段，針對高溫循環(huán)穩(wěn)定性、倍率

性能、與電解液的匹配等方面依然需要繼續(xù)研究。革命式的正極開發(fā)方向是無鋰化，涉及多組分變動(dòng)正極的最高階：無鋰正極，重點(diǎn)聚焦周期表右上方元素。高比能訴求下，理論上講，材料若

具備小的電化當(dāng)量、高的電極電位，將更有作為正極的潛質(zhì)。依據(jù)元素周期表可知，F(xiàn)、Cl、

O、S等元素具備以上條件，理論上適合作為高能電池的正極活性物質(zhì)。但

F2、Cl2

是有毒氣

體，因此一般采用氟化物或氯化物。O2無毒且無腐蝕性，可制成氣體擴(kuò)散電極或制成氧化物

后用作正極。S單質(zhì)常溫下活性小，高溫時(shí)易揮發(fā)，一般采用硫化物。化合物替代單質(zhì)，理

論比能將下降，但仍高于傳統(tǒng)含鋰正極。篩選高比能無鋰正極，與過渡金屬結(jié)合的部分鹵化物、硫化物和氧化物具備優(yōu)秀的能量密度。

根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算，可以篩選出具備應(yīng)用前景的高比能無鋰正極，如

S、MnO2、FeS2、CuF2

和

FeF3等，表現(xiàn)出優(yōu)異的能量密度（＞1600Wh/kg以及＞6700Wh/L）。以現(xiàn)有電池工藝，

使用固態(tài)電解質(zhì)情形下，電池能量密度可達(dá)

1000-1600Wh/kg和

1500-2200Wh/L。具備高比

能的另一原因在于，此類材料一般通過可逆化學(xué)轉(zhuǎn)換反應(yīng)機(jī)理與金屬鋰發(fā)生反應(yīng)，而非傳統(tǒng)

的鋰離子嵌入脫出機(jī)理，轉(zhuǎn)化反應(yīng)下可充分利用材料所有的化合價(jià)，因而循環(huán)過程交換電子多，電池電壓高。無鋰正極開發(fā)已有

50

年歷史，但電池其他組分匹配問題及本身理化性質(zhì)缺陷使其暫不具備

商用條件。二十世紀(jì)七十年代早期，無鋰正極匹配金屬鋰負(fù)極的二次電池開發(fā)受到關(guān)注，但

對鋰負(fù)極的認(rèn)識(shí)和有效改善策略的缺乏，造成該類電池循環(huán)差、安全性低，逐漸轉(zhuǎn)向含鋰正

極研究。而從材料本身實(shí)際的電化學(xué)性能來看，依然存在共性的問題：第二次循環(huán)后容量快速衰減，倍率表現(xiàn)差，并且電壓滯后顯著，與低電子電導(dǎo)率、低鋰

離子擴(kuò)散系數(shù)和緩慢的相變動(dòng)力學(xué)有關(guān)；轉(zhuǎn)化反應(yīng)型材料具有嚴(yán)重的過電位，主要受歐姆極化、電化學(xué)反應(yīng)極化和濃差極化影響。

對于轉(zhuǎn)換反應(yīng)，本質(zhì)上是與不對稱反應(yīng)路徑和主體原子緩慢擴(kuò)散有關(guān)；Li+或

Li+

-溶劑在正負(fù)極之間的穿梭通常會(huì)引起材料體積膨脹或收縮。例如

100%DOD下

理論上

S至

Li2S體積增加

78.69%。全電池中，所有活性物質(zhì)在

100%DOD下產(chǎn)生體

積收縮，其中

Li-FeS2的體積收縮率最小，為

17.93%。針對材料存在的問題，通過納米化、摻雜及表面修飾等持續(xù)優(yōu)化，有望使其更快推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化。硫化物是無鋰正極開發(fā)熱點(diǎn)，無人機(jī)應(yīng)用測試順利推進(jìn)在無鋰正極產(chǎn)業(yè)化之路上，以硫?yàn)榛恼龢O開發(fā)是重要熱點(diǎn)。硫的理論比容量達(dá)到

1672mAh/g，以硫?yàn)檎龢O金屬鋰為負(fù)極理論比能可達(dá)

2600Wh/kg。并且硫儲(chǔ)量豐富（地殼中

豐度為

0.048%），價(jià)格低廉，僅為

LCO的

1/60，性價(jià)比高。因此以硫?yàn)榛恼龢O成為研究

熱點(diǎn)。鋰硫電池基于轉(zhuǎn)化反應(yīng)，理論工作平均電壓為

2.1V，放電時(shí)

Li+從負(fù)極通過隔膜自發(fā)

地?cái)U(kuò)散到正極，與硫材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)中通過

S-S鍵的斷裂和生成實(shí)現(xiàn)化學(xué)能與電能

的轉(zhuǎn)換，期間會(huì)生成多種硫化鋰中間產(chǎn)物。統(tǒng)計(jì)

2009-2020

年

2

月

2

日與鋰硫電池相關(guān)的文

章發(fā)表數(shù)量，達(dá)到

5000

件以上，主要由中國、美國和韓國貢獻(xiàn)。文章發(fā)表逐年增加，體現(xiàn)

領(lǐng)域熱度的提升。實(shí)際應(yīng)用中鋰硫電池循環(huán)性能差、容量衰減快，主因硫正極存在較多缺陷。（1）室溫下，單質(zhì)硫和最終還原產(chǎn)物（Li2S2

和

Li2S）為電子/離子絕緣體，導(dǎo)致硫的利用率較低；（2）產(chǎn)生

“穿梭效應(yīng)”，多硫化物溶于電解液中，在正負(fù)極間來回穿梭，擴(kuò)散至負(fù)極形成自放電，降低庫

倫效率，此外溶解增大電解液黏度，離子電導(dǎo)率減??；（3）充放電過程硫正極體積變化大，

破壞電極結(jié)構(gòu)，循環(huán)穩(wěn)定性降低。以硫?yàn)榛鳛檎龢O，應(yīng)從多維度考慮性能改善的方式，來推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化，其中硫正極改善是關(guān)

鍵。硫正極應(yīng)與鋰負(fù)極來配合形成高比能電池，因此需從硫電極、電解質(zhì)及金屬鋰保護(hù)多方

面協(xié)作開發(fā)出更具優(yōu)勢的鋰硫電池體系。而在改善策略中，對于硫正極的改善至關(guān)重要：提升正極導(dǎo)電性，維持穩(wěn)定的離子/電子導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。例如硫碳復(fù)合材料，納米碳材料形成

高效的正極導(dǎo)電骨架結(jié)構(gòu)，改善硫和硫化鋰低電導(dǎo)率的問題；適當(dāng)提高硫載量、硫利用率，降低電解液用量。如開發(fā)具有導(dǎo)電能力的粘結(jié)劑可降低導(dǎo)

電碳含量。但過度增大硫載量等也影響電解液在電極表面和內(nèi)部的潤濕性，導(dǎo)致內(nèi)部極

化增大；增強(qiáng)與正極匹配的其他組分的安全性。電解質(zhì)中采用高閃點(diǎn)的溶劑或阻燃添加劑，或開

發(fā)聚合物、固態(tài)電解質(zhì)；負(fù)極提升均勻性和穩(wěn)定性，改善鋰枝晶及“死鋰”等不良現(xiàn)象。對于鋰硫電池體系的實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)論往往不適用產(chǎn)業(yè)化，主要系材料及關(guān)鍵指標(biāo)存在差異。

1）科研領(lǐng)域常采用扣式電池研究鋰硫電池，體系簡單易控制，倍率可達(dá)

10C，循環(huán)壽命可超

1000

次；但產(chǎn)業(yè)化下的軟包體系更為復(fù)雜，倍率更低，循環(huán)壽命難以突破

300

次，主要系

產(chǎn)業(yè)化過程中需要平衡材料用量，如電解質(zhì)中添加

LiNO3將提升循環(huán)性能，但過量則帶來安

全問題；2）針對

S的溶解穿梭以及導(dǎo)電性差等問題，實(shí)驗(yàn)室可以采用匹配先進(jìn)碳材料、電

極表面設(shè)計(jì)涂層等方式來改善，但產(chǎn)業(yè)化將面臨成本與工藝可實(shí)現(xiàn)性等問題。鋰硫電池產(chǎn)業(yè)化漸有成效，有望在無人機(jī)等細(xì)分領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用突破。英國

OxisEnergy是鋰

硫電池開發(fā)的先驅(qū)，新款鋰硫電池能量密度已達(dá)

471Wh/kg。公司長期為歐美和日本客戶提

供

400Wh/kg的鋰硫電池，產(chǎn)品可滿足無人機(jī)等領(lǐng)域的輕量化訴求。在產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)上，公司

于

2019

年

6

月宣布計(jì)劃建立首個(gè)用于批量生產(chǎn)鋰硫電池電解質(zhì)和陰極活性材料的工廠，并

于

2020

年

5

月宣布將在巴西建設(shè)首個(gè)鋰硫電池制造廠，目標(biāo)是

2023

年投產(chǎn)。公司的電池

技術(shù)已經(jīng)在飛機(jī)電池系統(tǒng)中得到成功運(yùn)用并進(jìn)行地面測試。除

OxisEnergy之外，2020

年

9

月搭載

LG化學(xué)鋰硫電池的無人機(jī)完成超高空首秀。LG化學(xué)表示，將于

2025

年后量產(chǎn)能量

密度為現(xiàn)有鋰離子電池兩倍以上的鋰硫電池。相關(guān)產(chǎn)品有望在無人機(jī)等領(lǐng)域持續(xù)導(dǎo)入。循環(huán)性差等關(guān)鍵問題較難解決，限制鋰硫電池的應(yīng)用，持續(xù)攻關(guān)鋰硫體系的

SionPower已

轉(zhuǎn)向其他體系的研發(fā)。據(jù)

OxisEnergy披露的產(chǎn)品信息，鋰硫軟包樣品有高功率及高能量兩

種類型，但循環(huán)壽命僅

60-100

次，因此難以實(shí)現(xiàn)大范圍的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。另一家較早開發(fā)鋰硫

電池的美國電池企業(yè)

SionPower正從鋰硫體系過渡到自研的

Licerion金屬鋰體系（正極為

嵌鋰氧化物、負(fù)極為金屬鋰）。SionPower能夠生產(chǎn)高比能鋰硫電池，并早在

2014

年便應(yīng)

用于無人機(jī)上。但公司認(rèn)為鋰硫體系在循環(huán)性等方面的缺陷限制應(yīng)用，并于

2015

年開始轉(zhuǎn)

向

Licerion技術(shù)的研發(fā)?；?/p>

Licerion技術(shù)的電芯循環(huán)次數(shù)可達(dá)

1000

次，并具有高比能。

因此持續(xù)開發(fā)鋰硫體系的同時(shí)，也應(yīng)當(dāng)注意中短期其他體系的替代性，無鋰正極在電池上的

商用進(jìn)程仍然相對遙遠(yuǎn)，特別是針對動(dòng)力領(lǐng)域，體系還需繼續(xù)優(yōu)化。負(fù)極突破主基調(diào)：研制更高比容低成本的材料負(fù)極的格局相比正極的格局更加清晰，傳統(tǒng)的石墨負(fù)極仍然是主流的應(yīng)用產(chǎn)品。但是更高比

容負(fù)極的開發(fā)對于未來先進(jìn)電池體系的推進(jìn)仍然是有必要的，硅基負(fù)極、金屬鋰負(fù)極是研發(fā)

的熱點(diǎn)。總體來說，負(fù)極的開發(fā)方向是低成本、高比容。我們認(rèn)為，碳材料無論是當(dāng)下還是未來，仍然是重要的負(fù)極基體，在實(shí)現(xiàn)更高比容負(fù)極的過

渡階段，碳材料的加入不僅能夠起到提升導(dǎo)電性的作用，也是重要的承載物質(zhì)。在中期的產(chǎn)

業(yè)應(yīng)用上，硅基負(fù)極則具備較大的推廣可能性，特斯拉的硅碳負(fù)極已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商用，但并非完

全的硅負(fù)極，為將硅的性能更完全的釋放，仍然需要通過材料改性等手段持續(xù)開發(fā)；長期來

看，金屬鋰負(fù)極因高比容低電位而具有應(yīng)用潛力，但是在動(dòng)力領(lǐng)域所面臨的困難需要較長時(shí)

間來解決，如鋰枝晶帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)等，因此金屬鋰負(fù)極可能中短期在無人機(jī)等細(xì)分領(lǐng)域進(jìn)

行推廣商用，在漸進(jìn)式的演進(jìn)前提下，在車用動(dòng)力領(lǐng)域預(yù)計(jì)還需

5-10

年的產(chǎn)業(yè)化過程。負(fù)極當(dāng)下格局：碳基是商用主流，鈦酸鋰因高安全應(yīng)用于細(xì)分領(lǐng)域負(fù)極是儲(chǔ)鋰的主體，其中碳材料是負(fù)極商業(yè)化應(yīng)用中的首選與主流。鋰二次電池負(fù)極材料在

充放電過程中實(shí)現(xiàn)鋰離子的脫嵌，選用時(shí)遵循比容高、電勢低、循環(huán)性能好、兼容性強(qiáng)、穩(wěn)

定性好與價(jià)格低廉等原則。理論上，金屬鋰因低電勢和高比容是理想的負(fù)極，但活性鋰與鋰

枝晶等帶來的安全問題阻礙其發(fā)展。碳材料因價(jià)格低廉、為層狀晶體帶來較高比容量（LiC6

理論比容為

372mAh/g）、循環(huán)性及安全性好，取代金屬鋰作負(fù)極，推動(dòng)鋰二次電池商業(yè)化。碳基材料種類繁多，當(dāng)下負(fù)極材料中人造石墨和天然石墨是主流產(chǎn)品。若按照結(jié)構(gòu)劃分鋰離

子電池碳材料，包括石墨、非石墨與摻雜型碳，石墨類又可分為天然石墨、人工石墨、中間

相碳微球等。天然石墨成本低、技術(shù)成熟度高，但首效較低、倍率性能較差，主要用于消費(fèi)

類電池。人造石墨則一般采用致密的石油焦或針狀焦作前驅(qū)體制成，避免天然石墨的表面缺

陷，首次效率與倍率性能提升，因此在動(dòng)力領(lǐng)域份額不斷擴(kuò)大。據(jù)

GGII，2020

年中國鋰電

池負(fù)極材料出貨量

36.5

萬噸，同比穩(wěn)健增長，其中人造石墨占比

84%，份額逐年提升。石墨類產(chǎn)品應(yīng)用中存在缺陷，通過改性來提高產(chǎn)品性能。如天然石墨存在表面缺陷多、各向

異性容易析鋰等問題：（1）針對其表面缺陷多、電解液耐受性差的問題，采用表面活性劑、

包覆等方式進(jìn)行改性，提高部分性能；（2）針對其強(qiáng)烈各向異性的問題，工業(yè)生產(chǎn)中常采用

機(jī)械處理的手段對顆粒形貌進(jìn)行球形化整形，處理后粒徑

D50

范圍

15~20μm，首效和循環(huán)

性能明顯改善。人造石墨因各向異性導(dǎo)致倍率性能、低溫性能差，充電易析鋰的問題，其改

性不同于天然石墨，一般通過顆粒結(jié)構(gòu)重組降低石墨晶粒取向度。具備某方面突出性能優(yōu)勢的負(fù)極材料如鈦酸鋰，可滿足特定需求，適合在部分細(xì)分領(lǐng)域應(yīng)用。

嵌鋰碳材料因本身理化性質(zhì)具有以下缺陷：（1）形成

SEI膜，循環(huán)過程中造成

Li+損耗與碳

材料結(jié)構(gòu)的破壞；（2）析出鋰枝晶，增加安全隱患。在公共交通領(lǐng)域電動(dòng)化進(jìn)程中對安全性

的訴求落實(shí)到負(fù)極材料，需要負(fù)極電位稍正于碳、更加安全可靠。尖晶石型鈦酸鋰（Li4Ti5O12）

因具備突出的安全性能優(yōu)勢，在公共交通領(lǐng)域有一定應(yīng)用：“零應(yīng)變材料”，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。在循環(huán)過程中，鋰離子逐漸嵌入，最終形成深藍(lán)色的巖鹽相

Li7Ti5O12，晶胞參數(shù)由

0.836nm變?yōu)?/p>

0.837nm，體積變化小于

0.2%，“零應(yīng)變”下材料

結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，循環(huán)性好；

嵌鋰電位高，不易引起鋰枝晶。鈦酸鋰嵌鋰電位為

1.55V，高于鋰離子的還原電位，因

此不易產(chǎn)生鋰枝晶，提升安全性；不生成

SEI膜，再次提高安全性。因高于電解液的分解電壓而不會(huì)生成

SEI膜，沒有

SEI膜被破壞脫落的隱患；循環(huán)過程中鋰離子擴(kuò)散系數(shù)也高于碳負(fù)極體系，因此是具備高循環(huán)優(yōu)安全的負(fù)極材料。鈦酸鋰劣勢明顯，克容量低、倍率性能差、成本高等問題限制更大范圍的使用。（1）材料理

論克容量

175mAh/g，電壓平臺(tái)較低，因此比能量較低；（2）導(dǎo)電性能差，導(dǎo)致其在大電流

放電條件下極化嚴(yán)重，容量衰減快，倍率性能差；（3）吸濕性強(qiáng)，導(dǎo)致高溫產(chǎn)氣嚴(yán)重，高溫

循環(huán)性能差；（4）材料制備工藝復(fù)雜，成本高，電芯成本是相同能量

LFP電池的

3

倍以上。鈦酸鋰改性方法多樣，但往往無法保持綜合性能，有待更深入開發(fā)。（1）改善材料形貌尺寸，

如顆粒納米化、球化、多孔化等，縮短鋰離子進(jìn)出路徑，提高比容量，但易造成與電解液的反應(yīng)而形成

SEI膜；（2）金屬摻雜后的改性材料導(dǎo)電性提高，但循環(huán)穩(wěn)定性可能會(huì)降低；（3）

表面改性如碳包覆技術(shù)，可以提高電子電導(dǎo)率，但包覆后鋰離子會(huì)在脫嵌過程中受到一定阻

礙。綜合看，尋找合適的離子、適當(dāng)?shù)膿诫s比例、改性技術(shù)的結(jié)合是未來工作的重點(diǎn)。現(xiàn)有負(fù)極比容已接近上限，高比容潛力負(fù)極中硅基優(yōu)勢顯著高比能訴求下，現(xiàn)有商用負(fù)極難以滿足需求，需要以更高比容的材料替代。（1）市場上的高

端石墨比容可達(dá)

360-365mAh/g，已接近理論上限，而鈦酸鋰等本身理論比容較小，因此均

難以滿足更高比能的需求。（2）商業(yè)化負(fù)極尤其是碳負(fù)極材料，因嵌鋰電位低，在循環(huán)過程

中可能會(huì)形成鋰枝晶而引起電池短路。需針對問題開發(fā)更高比容的新型負(fù)極材料。在眾多可選的新型負(fù)極材料中，硅基材料是較具開發(fā)潛力的類型。高比容非碳負(fù)極包括錫基、

硅基、氧化物、過渡金屬氮化物以及金屬鋰負(fù)極等。比較理化性質(zhì)，硅基具備應(yīng)用優(yōu)勢：（1）

按照理論比容排序，硅基負(fù)極可達(dá)

4200mAh/g，而其他負(fù)極大部分在

900mAh/g左右；（2）

Si的嵌鋰電位高于碳，析鋰風(fēng)險(xiǎn)??；（3）Si與普遍應(yīng)用的電解液反應(yīng)活性低，嵌鋰過程中不

會(huì)引起溶劑分子與

Li+共嵌入的問題；（4）Si是地殼中第二豐富元素，價(jià)格低廉。硅基負(fù)極的規(guī)模應(yīng)用需解決體積效應(yīng)等關(guān)鍵問題：（1）巨大的體積變化帶來材料的粉化與電

極的破壞。硅與鋰的合金化反應(yīng)使硅發(fā)生

1-3

倍的體積膨脹，材料產(chǎn)生裂紋直至粉化，帶來

容量的快速衰減，較大的應(yīng)力下影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，安全風(fēng)險(xiǎn)提高；（2）體積的變化使

SEI膜

出現(xiàn)破裂與生成的交替，消耗活性物質(zhì)與電解液，導(dǎo)致電池的內(nèi)阻增加和容量的迅速衰減；

（3）硅的導(dǎo)電性差，在高倍率下不利于電池容量的有效釋放。針對硅基負(fù)極的改性研究集中在解決體積效應(yīng)、維持

SEI膜穩(wěn)定和提高首效三個(gè)方面。優(yōu)化的方向包括：（1）硅源的改性研究。即通過制備納米硅、多孔硅或合金硅的方式改善電化學(xué)

性能，但同時(shí)也會(huì)面臨工藝的復(fù)雜性等問題；（2）制備復(fù)合材料。如制備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的硅碳負(fù)

極，提高導(dǎo)電性，增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度。在開發(fā)過程中，碳源選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是造成性能差異的關(guān)

鍵；（3）制備氧化亞硅（SiOx）材料。作為石墨與硅的折中方案（比容

1500mAh/g左右），

材料體積膨脹大大減小，循環(huán)性能提升，但首效較低也限制在全電池中的應(yīng)用。硅基負(fù)極產(chǎn)業(yè)化持續(xù)鋪開，“硅基時(shí)代”臨近硅基負(fù)極研發(fā)集中度高，中國、日本、美國和韓國為主要申請國。統(tǒng)計(jì)

2000-2019

年

6

月與

鋰離子電池硅基負(fù)極相關(guān)的專利數(shù)量，共計(jì)

28131

件，其中中國、日本、美國、韓國分列前

4

位。但日本、韓國和美國注重海外專利布局，中國申請人主要在國內(nèi)進(jìn)行專利布局。日本申請人具有一定優(yōu)勢，中國申請數(shù)量大，但仍需進(jìn)一步發(fā)展。統(tǒng)計(jì)前

100

名國際申請人

的國別，日本共有

35

家，且不同排名階段的數(shù)量都占據(jù)絕對優(yōu)勢，主要有松下、索尼、日立

等。韓國則主要由三星和

LG化學(xué)申請。中美分別有

23

家和

18

家申請人進(jìn)入前

100

名。在

中國國內(nèi)專利申請排名前

20

的申請人中，國外申請人依然占據(jù)較大比重，尤其是日本。中

國的企業(yè)中，比亞迪、貝特瑞、ATL和萬向集團(tuán)進(jìn)入前

20

名。硅基負(fù)極產(chǎn)業(yè)化持續(xù)鋪開，推動(dòng)電池產(chǎn)品性能提升。特斯拉已將硅碳負(fù)極應(yīng)用于

Model3，

在人造石墨中加入

10%的硅，負(fù)極容量提升至

550mAh/g，單體能量密度達(dá)

300Wh/kg；日

本

GS湯淺公司的硅基負(fù)極已成功應(yīng)用在三菱汽車上。中國方面，寧德時(shí)代、國軒高科、萬

向集團(tuán)、比亞迪等正在加緊硅負(fù)極體系的研發(fā)和試生產(chǎn)。負(fù)極企業(yè)貝特瑞已實(shí)現(xiàn)硅碳負(fù)極量

產(chǎn)并為松下配套部分材料，杉杉股份、江西紫宸等具備小量試產(chǎn)能力。CATL的高鎳三元+硅

碳負(fù)極電芯比能達(dá)到

304Wh/kg，力神的

NCA+硅碳負(fù)極電芯也已達(dá)到

303Wh/kg。產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中，材料成本和生產(chǎn)工藝是兩大制約因素。盡管硅基負(fù)極材料的性能在持續(xù)提高，

但在優(yōu)化材料性能之外，還要考慮到制約產(chǎn)業(yè)化的其他因素：（1）材料成本：各家工藝差別較大，產(chǎn)品尚未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化，導(dǎo)致價(jià)格較高。此外制備過程中常用到納米硅粉，其生產(chǎn)對設(shè)

備要求高、能耗大，因此增加成本；（2）生產(chǎn)工藝：制備工藝較為復(fù)雜，有待成熟，并且所

匹配的主輔材對負(fù)極性能發(fā)揮影響大，相應(yīng)的工藝也需要進(jìn)行優(yōu)化改善。廣汽應(yīng)用新型硅負(fù)極材料，推動(dòng)續(xù)航再上臺(tái)階。2020

年

7

月

28

日，廣汽集團(tuán)宣布采用新型

硅負(fù)極材料的方形硬殼電芯比能達(dá)到

275Wh/kg，將使電動(dòng)車?yán)m(xù)航突破

1000km。2021

年

4

月

9

日的廣汽科技日再次強(qiáng)調(diào)長續(xù)航技術(shù)將于

2021

年量產(chǎn)，采用海綿硅負(fù)極片電池技術(shù)使

電芯比能超過

280Wh/kg（未來提升至

315Wh/kg），同時(shí)解決硅材料膨脹問題。這將是全球

首次將新型硅負(fù)極材料應(yīng)用到大型動(dòng)力電池電芯產(chǎn)品，使硅材料的動(dòng)力領(lǐng)域?qū)嵱没M(jìn)一步。負(fù)極預(yù)鋰化是硅基負(fù)極產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵改性技術(shù)硅基負(fù)極的應(yīng)用導(dǎo)致首次庫倫效率（ICE）下降，帶來不可逆的容量損失。硅基負(fù)極的體積應(yīng)

變大，使

SEI膜更加不穩(wěn)定，持續(xù)生長的

SEI膜不斷消耗鋰，造成電池的內(nèi)阻增加和容量的

迅速衰減。ICE是重要的性能指標(biāo)，ICE下降帶來的是不可逆鋰損耗，當(dāng)下的石墨材料一般

會(huì)有

5%~10%的首次鋰損耗，而硅的不可逆容量損失可達(dá)

15%~35%。因此，采用硅基負(fù)極

在提升容量的同時(shí)，循環(huán)壽命卻下降，實(shí)際一般是石墨的

1/5

左右。預(yù)鋰化技術(shù)通過補(bǔ)償首次鋰損耗，能夠延緩容量