化学电池行业深度报告：缘起，挑战与机遇（上）

作者｜李佳林、丁秀金、赵江宇

本报告由势乘资本和光锥智能联合发布

一、摘要

1．化学电池基础原理为基于电荷转移的氧化还原反应，反应本身受材料和制造工艺影响；

2．材料决定电池的理论性能上限，其发展原理遵循“量变”到“质变”逻辑。现有锂离子电池材料体系框架确立已有40余年，期间主要材料在既定框架下进行渐进式迭代，并衍生出各类型细分组合。固态电池支持材料的颠覆式改进（负极改为金属锂），可极大提升能量密度，是可推测的下一次重大产业变革；

3．电池性能受制造工艺影响，是材料约束下产业资本权衡投入产出后的结果。同时，制造工艺除单点层面的进步外，也依赖产业链各细分环节的协同努力；4．不同终端应用场景对电池性能需求存在差异，由此衍生出能量型、功率型、循环型等单一性能凸出的型号，反馈在技术路线上即难存在“赢家通吃”的局面；

5．能源消费电气化、电力生产清洁化是电池产业的核心驱动。锂离子电池产业化最为成熟，是目前化学电池中的应用主流，中短期内钠离子电池，液流电池在细分场景可实现初步商用化；

6．锂离子电池主要应用场景为动力领域，提升能量密度其核心目标。材料方面，LFP，NCM两大体系均存在渐进式创新，其中高镍产业化进展较快，富锂锰基、磷酸锰铁锂等次之；工艺方面，制造技术迭代是受材料体系约束的一个边际改善的过程，在材料进展缓慢时具备较高的投入价值；电池与下游应用也在进行深度耦合设计，体现为动力系统结构的集约化设计，以提高能量单元占比；

7．近2年锂矿价格高位波动，叠加部分中游环节产能受限，共同驱使锂电产业链进行合纵连横。长协，锁单，联动定价等模式提高了锂电中下游厂商的供应链管理难度。同时锂矿开始在全球范围内得到战略层面的重视，加剧了上游资源博弈，提高了我国企业海外获取资源的难度。中长期内，积极的下游需求将持续推动上游矿企的产能释放，但经过2019－2020产能过剩打击、面对更加确定的下游需求以及锂期货的诞生后，上游将更审慎进行产能扩张，预期锂矿供需维持紧平衡趋势，博弈将更加动态化；

8．新型化学电池如钠离子电池、液流电池的优势和挑战并存。钠离子电池因钠矿材料价格低廉，宽温区及安全性较好，具备部分替锂潜力；液流电池本征安全，循环性能优，在储能领域与锂电错位竞争。但由于二者技术层面仍在持续突破，成本、寿命等方面缺少规模化验证，真正商用化起量还需时日；

9．储能行业确定性与景气度双高，但终端需求差异化明显，各类技术路线需要物尽其才而非削足适履。未来储能市场从政策驱动转向为市场驱动后，对化学电池而言，其在短时调峰，工商业峰谷套利等场景具备竞争优势，但在其他细分场景将面临新兴技术的强力竞争（调频：飞轮；中长时调峰：压缩空气，抽蓄，氢能），当前一家独大的局面难以长期维系，更可能与其他技术路线搭配使用。

二、电池原理、诞生及演进

1．化学电源原理及构造

电池定义：电池是具备存储和转换能量功能的装置，借助于某些变化（化学或物理变化）将某种能量（化学能或光能等）直接转换为电能。

注：通过化学反应直接将化学能转换为电能的装置称为化学电源，是本报告重点讨论的范围

电池分类：一般可以根据能量转化方式、电解液种类、工作性质和贮存方式、正负极材料等对电池进行分类。按照电池的工作性质和贮存方式，可分为一次电池、二次电池、燃料电池、液流电池（一种可充电燃料电池）、贮备电池等。其中二次电池概念应用较多，指可充放电反复多次循环使用的电池，如铅酸蓄电池、锂电池等。

电池结构：一般由5个部分组成，包括由正负极、电解质、隔膜和外壳。

（1）电极：分为正（Cathode）极和负（Anode）极，由活性物质、导电骨架和添加剂等组成。其中，活性物质参与电极反应，决定电池基本特性。对于电极的基本要求是具有高比容量、不易与电解液反应、材料便于获得和制造。注：比容量指电池容量（一定放电条件下电池可放出的电量）与电池重量或体积的比。

（2）电解质（Electrolyte）：正负极间用于传递电荷的载体，有液态、半固态和固态类型，无论何种电解质，都要求具有高电导率、成分稳定、使用方便。

（3）隔膜（Separator）：位于正负极之间，用于传递电荷及防止正负极活性物质直接接触（将导致短路）的薄膜。隔膜需要具备一定的机械强度及抗弯曲能力，同时对电解质离子运动的阻力越小越好，且自身具备化学稳定性。

（4）外壳：即电池的容器，具有高机械强度、耐高低温环境、能经受电解质腐蚀等特点。

锂离子电池结构示意图（LiCoO2正极和石墨负极）

来源：J．B． Goodenough，K．－S．Park，Journal of the American Chemical Society， 135（2013）1167－1176．

工作原理：电池本身是一个电化学体系，简单来说就是有电荷转移的氧化还原反应。一般氧化还原反应基本是同时在同一位置发生，而对于电池来说，氧化还原反应分别在两个电极上发生，存在一定空间距离，这两个反应也被称为电池的半反应。对于处于放电过程中的电池，阳极（负极）发生氧化反应，阴极（正极）发生还原反应，并根据下面的的半反应方程式可以知道，在放电过程中电池的负极失去电子和离子，而在电池正极得到电子和离子。

锂离子电池工作原理

来源：Scale Partners收集整理

2．电池诞生与演进

电池诞生的驱动本源：人类经济社会的发展提升对能量的需求，电能作为转化各类能量的中间载体被推广普及，使用电池存储和利用电能成为必然。

电能主要由一次能源驱动电磁感应发电机组产生（除太阳能发电的光伏电池技术和燃料电池发外），使用时再通过各类电器设备转为其他形式的能量加以利用。因此电能作为转化各类能量的中间载体，随着人类活动对能量的需求提升而被推广普及。

电能主要有三大类存储模式，除化学能存储（电池）外还包括电磁能存储、机械能存储。电池因高效，便携、低成本等特点，应用最广泛。

电池演进过程：整体演进过程遵循认识电→利用电→伴随便携、重复使用的需求升级换代。

三、电池进化的推动力

需求端：生产力进步提升了能量总量需求，电气化渗透率加深丰富了能量使用场景，合力推动电池性能、使用便捷度性的不断升级。

供给端：电池作为一个工艺产品，其性能主要受基本原材料与制造工艺影响。

（1）材料：原材料的演进基于电化学原理，主要为渐进式革新模式，是由“量变”到“质变”的过程。

质变：破坏式创新，在电池的演进过程中，科学家以元素周期表为基础，挑选理论性能较好的元素开展了大量的材料组合实验，以选取综合性能最优的材料。例如，在锂元素应用之前，历史上经历了从银锌电池、铜锌电池、铅酸电池、锌锰电池、镍类电池（镍镉电池、镍铁电池和镍氢电池）等过程，最终形成目前的锂离子电池体系。

量变：渐进式创新，在确定的基础技术框架内进行各组件的性能迭代升级，例如锂电体系下，正负极材料以及隔膜、电解液持续优化并互相适配。

（2）生产制造工艺：制造工艺的创新是在原材料基础上进行的框架式革新，即在特定的基础材料限定下，进行诸如工艺优化，电池内部结构优化等改进。当基础材料发生颠覆性变革时，针对旧材料的特定制造工艺大概率会被完全取代，产生基于新材料的制造工艺，并与通用性工艺一同构成新一代产品制造架构。

工艺创新：在既有的材料体系下，进行生产工艺的渐进式优化，如三元正极材料由低镍转向高镍过程中，正极材料的煅烧制备、表面涂覆等工艺也随之进步；又例如，在电芯封装过程中，同样的材料，叠片工艺相比于卷绕工艺提升了电芯的性能。

结构创新：由于电池最终以系统的形式在终端应用，因此在电芯既定的情况下，结合实际的应用场景进行系统层面的结构创新也可提升电池性能，如各电池厂商在动力电池场景内进行的无模组结构创新，通过减少电池非发电组件的占比，提升电池整体的能量密度。