全球新型电池发展趋势及应用场景分析

一、电池发展史

01.从伏特堆到锂离子电池

1799年，意大利物理学家Alessandro Volta发明了第一款电池（Vlotaic Pile伏特堆），他利用锌片（阳极）和铜片（阴极）以及浸湿盐水的纸片（电解液）制成了电池，以证明了电是可以人为制造出来的。 大约40年后，以为英国化学家John Frederic Daniel通过变换电池形式，解决了伏特堆放电时产生的氢气气泡问题（由于发生化学反应产生了氢气，从而导致电池内部接触不良），此时电池可以达到1V电压。 1850年，法国物理学家Gaston Planté发明了铅酸电池（阳极为铅、阴极为铅氧化物、硫酸溶液为电解质），利用铅不仅仅做到了极低的成本，还能够提供12V的电压，且能够充电循环使用，这类电池被广泛使用，车载蓄电池、早期电动车等都采用这类电池。1899年，瑞典人Waldemar Jungner发明了镍镉电池（镍为阴极、镉为阳极，采用液体电解液），为现代电子科技打下了基础。由于其化学特性的原因，如果未用完电量就充电，会发生“镉中毒”现象，导致电池“记忆”了“最低电量”，导致下次充满电量缩小，所以渐渐就被市场淘汰了。 1950年前后，加拿大工程师Lewis Urry发明了现在非常常见的碱性电池，就是平时生活中常用的一次性电池，绝大多数都是不可充电的，当然也有特殊设计的碱性电池能够充电，甚至还能够通过按压电池表面显示当前电量。 1989年，第一款商业镍氢电池问世（阳极为金属氢化物或储氢合金、阴极为氢氧化镍），耗时超过20年研发，由戴姆勒-奔驰和德国大众赞助。通过新的配方，镍氢电池相较于镍镉电池提高了能量密度，并且污染减少。更重要的一点，镍氢电池没有“记忆效应”，所以不必像镍镉电池一样担心使用问题。 1991年，索尼公司推出了第一款商业锂离子电池（阳极为石墨，阴极为锂化合物，电极液为锂盐溶于有机溶剂），由于锂电池的高能量密度和配方不同能够适应不同使用环境的特点，被现在广泛使用。

上述多种电池历经近200年的发展才走到锂电池阶段，其目的就是为了更为轻便、小巧、能量更高，锂离子电池在能量密度、循环寿命方面以及高、低温性能显著的提升，弥补了其他二次电池在消费电池领域的痛点。

近年来，随着对可再生能源利用的巨大需求和对环境污染问题的日益关注，二次电池（又称可充电电池或蓄电池）这种能够将其他形式能量转换成的电能预先以化学能的形式存储下来的储能技术，在新一轮能源变革中迎来新的发展机遇。

02.锂离子电池的前世今生

锂离子电池于二十世纪七十年代在欧洲开启研究，1991年在日本实现商业化，目前，全球锂离子电池的生产制造规模达到了空前水平，2019年的诺贝尔化学奖给予了锂离子电池极高的肯定。

能够可逆循环的锂离子电池正极材料有锰酸锂、钛酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂等一系列三元衍生体。但由于大部分能量性能相对较低，三元锂电池和磷酸铁锂电池相对其他种类有较大优势，是动力电池的良好选择。

锂离子电池的分类

（1）钴酸锂电池：高比能量使钴酸锂成为手机，笔记本电脑和数码相机的热门选择。钴酸锂的缺点是寿命相对较短，热稳定性低和负载能力有限。钴酸锂采用石墨负极，其循环寿命主要受到固体电解质界面(SEI)的限制，主要表现在SEI膜的逐渐增厚，和快速充电或者低温充电过程的负极镀锂问题。

（2）锰酸锂电池：锰酸锂的功率大但是容量小，容量大约比钴酸锂低三分之一。同时远比钴酸锂电池更安全，通常与锂镍锰钴氧化物(NMC)混合，以提高比能量并延长寿命。

（3）钛酸锂电池：钛酸锂的标称电池电压为2.40V，可以快速充电，并提供10C的高放电电流。循环次数高于常规锂离子电池的循环次数。钛酸锂是安全的，具有出色的低温放电特性。

（4）镍钴锰酸锂电池（NCM）：最成功的锂离子体系之一是镍锰钴的正极组合。与锰酸锂类似，这个体系可以定制用作能量电池或功率电池。NMC是电动工具，电动自行车和其他电动动力系统的首选电池。镍基系统比钴基电池具有更高的能量密度，更低的成本和更长的循环寿命，但是它们的电压略低。

（5）镍钴铝酸锂电池（NCA）：NCA是锂镍氧化物的进一步发展，加入铝赋予电池更好的化学稳定性。高能量密度以及良好的使用寿命使NCA成为EV动力系统的候选者。高成本和低安全性却有负面的影响。

（6）磷酸铁锂电池：磷酸锂具有良好的电化学性能和低电阻。这是通过纳米级磷酸盐阴极材料实现的。主要优点是高额定电流和长循环寿命；良好的热稳定性，增强了安全性和过充承受能力。磷酸锂具有比其他锂离子电池更高的自放电，这可能会引起老化进而带来均衡问题。

二、新型金属电池技术发展

01. 锂离子电池的进一步发展

1991年索尼推出第一款商业液态锂离子电池后，液态锂离子电池进入快速发展阶段。处于对更高能量密度和更高安全性的追求，各国都在加紧对新型电池技术的研发以期占领技术高地。动力电池作为锂电池最大的应用场景，2020年中国车用动力电池出货量为80GWh，同比增长12.7%，占中国锂电池市场56%的份额，远超其他应用终端。锂电池虽为目前最佳选择，但能量密度其实已经接近极限，所以对于液态电解质的锂离子电池的改进主要集中在提高电池空间利用率和降低成本上，其中对于三元锂离子电池，还要集中处理热失控引起的爆炸问题。

1.1 三元锂电池热失控问题改进

三元电池由于密度更高，热稳定性相对差，某些极端环境下容易发生热失控起火，成为电池企业安全技术必须迈过的一道坎。所以在动力电池安全技术开发上，车企和主流电池企业开始将目标集中投向“三元电池系统不起火”。

1.2 无模组化电池通过提高空间利用率提升能量密度

模组主要是单体电芯通过串并联方式，加保护线路板及外壳后，构成能够直接供电的组合体，是单体电芯与PACK的中间产品。模组导致电池包成组效率降低和成本增加、重量增加、成组效率低带来系统能量密度低。模组与PACK材料在动力电池系统的成本占比超过20%。无模组化精简模组与PACK端结构，减重降本效果显著。

宁德时代推出CTP技术，CTP电池包体积利用率提高了15%-20%，电池包零部件数量减少40%，生产效率提升了50%，电池包能量密度提升了10%-15%，可达到200Wh/kg以上，大幅降低动力电池的制造成本。 比亚迪推出刀片电池，实质是省略了电芯-模组的步骤，省去了横梁、纵梁以及螺栓等结构件，将电池包壳体内部的空间利用率由原来的40%-50%提升到60%-80%。在电芯制备过程的良率和一致性达到稳定状态后，生产成本相比传统磷酸铁锂电池包预计下降30%。

1.3 掺硅补锂：硅负极的应用难度大，补锂的安全与技术成熟度是瓶颈。不过，目前很多企业都官宣掺硅补锂技术可以看出，两种技术的产业化难点应该得到一定程度上的解决。或许近两年内，采用掺硅补锂技术的电池产品将会大规模上市，同时也是300Wh/kg电池产品的普及阶段。

1.4 固态电池

固态锂电池与传统锂电池最大的不同在于电解质，传统锂电池采用隔膜+电解液中间含有液态物质，而固态电池则是用固体电解质。相比传统锂电池，固态锂电池的安全性更好，能量密度更高。目前已经在使用或接近商用的固态电池的电解质有：聚合物、硫化物和氧化物三种，其中氧化物电解质性能最优。氧化物和硫化物电解质的固态电池能量密度高于采用相同正负极材料的传统锂电池。 氧化物电解质的稳定性好，循环寿命长（可达1000次）以上，能量密度较高，倍率性能较好，同时成本较低。主要缺陷是界面接触问题尚未完美解决。氧化物电解质比较适合动力电池，其制造工艺和改性水平也在稳步提升。氧化物固态电池电解质物料价格低廉且电芯易组装，封装成本低。只要解决氧化物电解质大规模量产的技术问题，固态电池的量产成本可以与液态电池相媲美。

1.5 分析

由于锂元素特性的限制，目前锂离子电池的能量密度已接近极限，现有研究的主要成果是无模组化（CTP技术和刀片电池）、掺硅补锂和固态电池。随着人们对里程焦虑的缓解，磷酸铁锂电池的市场份额会逐渐增加，高端车仍会使用三元锂电池保证高续航里程。

传统锂离子电池与新技术对比

01.锂离子电池作为目前世界上市场容量占比最高的电池，在新能源动力汽车和储能领域都有很大的应用，但因为三元锂电池的安全问题以及磷酸铁锂电池的能量密度不高，所以在传统的锂离子电池基础上，很多公司对其结构进行了改进。同时由于锂电池的资源以及分布不均的限制，仅靠锂离子电池这一项储能技术并不能全面改变传统能源结构，难以同时支撑起电动汽车和电网储能两大产业的发展，因此研究以非锂金属或其他原料为材料的新型电池也成为各国竞争焦点。

02.钠离子电池成本优势明显，有望在储能领域应用

03.钾离子电池研究处于起步阶段，短期无法技术突破

04.金属空气电池

4.1 锂空气电池潜力巨大，在新能源、储能以及航天军事领域有广泛的应用价值。锂空气电池是一种非常有潜力的高比容量电池技术，理论能量密度高达11680Wh/kg，是现有的可充电电池体系中最高的，远超过锂电池目前200+Wh/kg的实际能量密度，因此得到了学术界和工业界的热捧，被广泛认为是一项电池领域中未来的颠覆技术。 尽管锂-空气电池具有最高的理论能量密度，但目前存在诸多的问题，如循环寿命、倍率性能、环境适应性等限制了其实用化进程，暂时还无法实用化。

05. 氢燃料电池技术有产业性突破，前景光大

06. 核电池成本极高，不适用于民用领域

三、分析及结论

（6）核电池具有能源充足、寿命极长、不受外界环境影响等优势，是太空飞行的最佳能源。但由于其安全性和成本的问题，在民用领域普及推广具有极大难度。

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（来源：动力电池网）