動力電池產業深度報告：從芯出發，回歸技術本源、聚焦發展主線一、化學電源的演進：實現電存儲的絕佳方式應用場景的持續鋪開，推動電池產業的快速發展。無論是如火如荼的新能源車行業，還是方

興未艾的儲能產業，能量存儲設備是最關鍵的一環。以電化學氧化還原反應為理論基礎的化

學電源能夠避開卡諾循環的限制，擁有可高達

80%以上的能量轉換效率，是最適配大儲能產

業的工具產品。當下對于電池綜合性能提升的訴求正不斷加強，但也遭遇材料理化性能限制、

工藝與成本優化等難點。我們認為，從產品的本質入手，理解底層運行邏輯，將能夠更迅速

地在變革當中做出反應，辨別產品是否具備核心競爭力。走進化學電源：多樣體系的全面滲透化學電源經歷百年積淀，在仍可繼續挖掘的科學理論指導下形成完善的體系。這個體系包括

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

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

繼續發散的方向，是了解產業的正確路徑。我們認為，未來仍將是多元電池技術持續共存的

局面，但有主流與非主流之分，同時單個體系中也會有多樣產品來滿足下游不同需求。探秘電池本源：性能往往不可兼得，需有所取舍我們認為，化學電源體系下多元性能的最優難以達到，往往某種性能的提升需要犧牲另一種

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

體系仍將在長時期內共存。但必須認識到，共存并非意味著平均的市場份額，靜態上會有主

流與細分的差別，動態上會有數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。包括正負極材料類型、配比，以及

設計與制造工藝等，都會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+嵌入脫出的同時對電子絕緣，但作為鈍化膜也將使

Li+的擴散受到限制，

同時

SEI膜的更新將造成

Li+和電解質的持續損耗，進而使電池容量下降；某些電池體系從本質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與輸運行為出發，鋰電體系的“快充性”并非最優，主要系基于脫嵌機理，Li+的擴散系數普遍

比水系二次電池中的異相氧化還原反應的速率常數低數個數量級。此外，有機電解液的

離子電導率通常比水系電解液低

2

個數量級。因此，基于豐富的下游應用場景，不同場

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

系較好適應大容量市場的需求，產品的導入將使體系份額明顯提升。車用動力領域對能

量密度的嚴格要求，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，在接下來的篇幅里，重點討論影響性能

的本質要素。性能是與直觀需求聯系的概念，也是直擊下游需求的痛點所在。我們選取較受

關注的幾個性能指標開展探討，包括能量密度、高倍率性能、循環性能和安全性能等。高倍率性能：影響輸出功率以及充電速度，本質是擴散能力倍率指電池在規定時間內放出或達到額定容量所需的電流大小。倍率性能則為不同倍率充放

電電流下表現出的容量大小、保持率和恢復能力。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，因此產業更關注高倍率性能。在高倍率放電下，一般會有

更大的輸出功率，但前期化學電源主要應用于便攜式電子設備，對功率要求不高，研究開發

重點主要聚焦在提高設備工作時間、便攜性能以及安全性能等。當化學電源應用于車輛時，對于高倍率性能要求更加嚴格，主要系輸出功率影響著汽車的最

高時速、加速性能及爬坡性能，此外車用動力場景要求較好的快充能力。一般來說，當以高

倍率放電時，電池極化作用增強，電壓下降導致比能量降低，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，因此我們認為短期內“換電模式”是一種

痛點解決方式，而長期視角下還應關注開放式電池如燃料電池體系的開發。高倍率下的充放性能，實質是大電流條件下的反應速度保持能力，與電解質的電導率，以及

離子在電極、電解質和相關界面處的遷移能力相關。落實到具體參數，主要是正負極材料的

結構、尺寸、比表面積、導電性、孔隙率和電解質的傳導能力、穩定性等方面，可以通過材

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

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

變化，將導致：電極活性表面積減小，使工作電流密度上升，極化增大；電極上活性物質脫

落或轉移；電極材料發生腐蝕；電池內部短路；隔膜損壞和活性物質晶型改變，活性降低。從電池產品的生產流程來考慮，多個方面會影響電池循環性能：（1）電池本身的設計，如原

材料的選擇、正負極活性物質的配比、電解液的選擇及用量等，都會影響電池充放電過程的

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

小；（3）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造成結構的

損傷；（4）電池的使用環境，尤其是環境溫度，對電池的循環壽命影響較大。安全性能：商用首要考量的“紅線”，持續改善增強可靠性當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成材料，主要系硫酸溶液電解液穩定性較低，若發生漏液或

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，其采用的物質材料與配備的安全閥等保障系統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，鐵鋰體系結構穩定安全性較好。材料性能與工藝質量改善是提升安全性能的關鍵。要求電池的安全性好，即電池材料應具有

較好的化學穩定性和熱穩定性，同時在電池制造方面，要求材料的匹配性要好，裝配性能佳，

還需配備系統的電池保護措施，從整體上保障電池的安全工作。影響電池安全性能的關鍵因

素包括內部因素與外部因素，內部因素指構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帶來的過充過放等現象。可以通過調控影響機制改善體系的安全性能。動力領域的體系演進：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等優勢，在社會日常場景中持續滲透。全球碳中和目標下，新能源汽

車產業已率先發力，帶動鋰電體系邁入新增長。拉長周期看，我們認為，具有最優綜合性能、

且能夠不斷升級的鋰電池，未來仍將繼續在動力領域扮演主導角色，并逐漸向固定式儲能等

場景滲透。但需注意，鋰電內部體系多種多樣，以鋰為核的技術迭代仍在進行，研發依然是

企業的重心。因此，持續關注動力電池的技術變化，更有利于找尋勝者，增加投資的確定性。二、鋰電材料開發：漸進迭代為主旋律，革命性突破需量變到質變強政策驅動下新能源汽車市場快速增長，產品力驅動逐漸強化，推動行業保持向上態勢。車

用動力領域的關鍵訴求涉及續航、安全及循環等性能，鋰離子電池體系因其應用潛力及適配

性而不斷升級，比能已由

1991

年的

80Wh/kg提升至當下的

300Wh/kg，其發展的根本建立

在不斷優化材料體系并尋找新材料組合的基礎上。以往的開發路徑以高比能低成本為主線，

因此歷經鈷酸鋰至三元高鎳的需求份額變動。站在全球電動化提速、向市場化驅動的新節點，

我們認為，鋰電材料體系將繼續沿高比能主線演進，需求外溢效應不斷凸顯。車用動力領域，高比能主線下，按照開發難度與體系變動呈正相關的邏輯，能夠梳理出

相對清晰的演進路徑。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；負極方面，碳基材料因優勢的導

電及承載作用將貫穿于硅基、金屬鋰等高比容負極的漸進開發之中。但必須注意，動力電池一味的追求長續航既遭遇技術難點，又難滿足其他性能要求。高

鎳體系適用城際長續航，而鐵鋰體系更滿足市內短途，同時還有快充等細分市場。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

體的材料體系演進相對多元，呈現綜合性能螺旋升級的情形；鋰電技術升級產生的替代效應正在發生，推動體系向其他場景持續滲透。鋰電池從小容

量的醫藥航空領域導入，再逐漸替代鉛酸、鎳氫體系等成為車用動力領域的主流，伴隨

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

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

生材料給予的性能潛力空間。據我們測算，具備高安全長循環優勢的方形鐵鋰電芯不含稅售價已降至

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，鐵鋰等高性價比鋰電體系正在向電動工具、兩輪電動等低帶電量領域滲透。我們認為，體系性能指標仍將持續改善，

應保持多樣場景導入的積極預期；同時正向反饋將是體系革新的重要動力，因此不容忽

視固態等前沿技術的進展，產業進程可能超預期推進。材料體系迭代升級，電池成本持續下降動力電池能量密度與成本管控問題對應新能源汽車兩大焦慮，我們認為未來關鍵焦慮有望逐

步消除。1）首先動力電池的能量密度直接關系到電池包的體積、續航里程等。動力電池能量

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

解構電池包，其由多電芯組成模組后，多個模組排列而成。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、導電劑、粘結劑等構成，其中活性材料是電化學反應的主

要參與者。正極開發主旋律：高比能為主線，多維性能漸進革新正極是電池發揮性能的基石之一，針對正極材料的開發十分關鍵。但材料的研制方向相對繁

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

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

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

個動態過程，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用價值。總體上，

正極開發遵循產業化優先，體系兼容性優先的理念，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及應用方向：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，商業進展最快的類型。但動力

領域要求較好的綜合性能，高鎳正極開發仍需關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業進程前

期是重點的關注方面，但隨著續航提升、電動車其他性能提高的訴求增強，未來并不會

一味的追求比能。但同樣要認識到，產業推進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，無鋰正極的應用將使體系發生較大革新：正極比容提升相比負極比容提

升更為關鍵，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

正極的開發意味著傳統電池體系的較大變動，涉及負極、電解液等多組分和結構的改進。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態，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，最明確的產業研發方向正極的改性方向包括高鎳化、富鋰化、高電壓等，其中高鎳正極推進商用進展較快。高比能長續航的需求推動下，正極材料性能的提升主要通過提高比容和工作電壓。材料研發主要圍

繞三個方面：（1）研發低電位下能實現高比容的正極材料，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，是相對明確的產業開發方向。正極材料高鎳化是降本增效的重要路徑，主要是調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

等產品，隨

Ni含量增加，材料實際放電比容量由

160mAh/g提高到

200mAh/g以

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

型

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

的氫氧化鋰作為鋰源材料）、生產設備（需在純氧環境中制造）、生產環境（需要專用除濕、

通風設備，嚴格的磁性物控制）等方面的變動。因生產環節要求的提升，高品質、高一致性

的材料量產難度加大，整體合格率偏低。傳統多晶三元正極改性提升比容的過程中面臨材料循環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時比容為

176mAh/g左右，電壓增大至

4.5V和

4.7V時比容分別可達

201.3

和

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

現為容量保持率及熱穩定性的下降。主要原因是當下商業化的三元正極大多是由納米級別一

次顆粒團聚形成的

10

微米左右的二次球型多晶材料，其內部存在大量晶界，循環過程中因

各向異性的晶格變化，易出現晶界開裂，顆粒破碎等現象，電池阻抗上升，性能快速下降。單晶三元的開發能夠較好解決多晶材料面臨的結構穩定性問題。單晶材料直接由直徑

2

-5

微

米的獨立晶體構成，內部沒有晶界，具備更高的結晶度、更穩定的層狀結構、各向異性特征，

因此單晶材料無論是在循環性能，還是在熱穩定性，以及產氣量等指標上都要優于傳統的二

次顆粒

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

過渡型產品。相比

523、622

等傳統正極，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。產業化推進

上，我們認為，短期技術安全性待提升、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

系等型號產品，主要系單晶相比二次顆粒材料，容量的發揮能力較低，

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。應用層面，已有

多款車型搭載高電壓

Ni55

電池技術（如蔚來

100kWh電池包）。LG化學作為全球優質電池企業，2020

年裝機量位居全球第二，其關鍵的優

勢之一在于自產正極，并且在正極材料開發層面具有：1）前驅體設計及生產的技術儲備；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包括先進的摻雜及表面涂覆工藝

等。基于較強的正極材料開發能力，LG化學持續推出優質三元正極，包括

NCM111、424、

523、622

及

712

正極產品，趨勢是高鎳化。在動力領域，LG化學當下主要的產品是

NCM622

電芯，但圍繞高鎳商用正進行全球化的布

局：1）中國區域，特斯拉

Model3

部分車型曾采用圓柱

NCM811

電池，未來

ModelY或將

應用

NCMA電池；2）歐洲區域，新一代

NCM712

電池由波蘭工廠生產，已向大眾、雷諾等供應，大眾

ID.4

和雷諾新一代

Zoe將采用該款電池；3）美國區域，2021

年起計劃開始生

產

NCMA電池，搭載在通用汽車生產的皮卡上。全球化的高鎳電池技術拓展初顯成效。正極“無鈷化”是高鎳的終極演進目標，“代鈷”元素的引入是關鍵高鎳的下一步是“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

以提高結構穩定性的作用。盡管鈷在三元電池中承擔關鍵作用，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；用

Al或

Mg替代鈷仍可抑制鋰鎳混排，提高穩定性；摻雜

Al或

Mg均可抑制材料的

H2-H3

相變，改善循環性能；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業化難度。鎳錳酸鋰材料開發已久，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，因此難以獲得高的電池活性，從而使其商業化進程受阻。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構破壞，通常只能可逆脫出約

0.65

個鋰。富鋰正極材料

xLi2MnO3·(1-x)LiMO2（M=Ni、Co、Mn等）由

Li2MnO3和

LiMO2

兩種層狀結構按不同比例

復合而成，因含更多的鋰而具有高的理論比容量（320-350mAh/g）。富鋰錳基結構復雜增加機理研究的難度，倍率及循環性能差，阻礙材料的商業化。因為富鋰

正極材料組成的復雜性，對于其結構和脫嵌鋰機制的認識存在分歧，同時也增大了機理研究

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

過程放電電壓平臺衰減方面仍存在問題，性能較差，因此也阻礙了材料自

1991

年被開發以

來的產業化進程。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。為保持材料的結構

穩定，容量、電壓穩定，以及盡量減少電壓和容量衰減過程中伴隨的微孔、裂紋和位錯等結

構缺陷，可以通過表面改性、元素摻雜、預循環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應用，缺乏合適的負極材料是另一個挑戰。考慮到傳統的

碳酸脂類電解液在高工作電壓下不穩定，還需要開發全新的電解液來提升材料的循環穩定性。開發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）。

研究結果表明當

x=0.5

時，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，材料性能相對優異，如尖晶石

LNMO的理論放電比容量為

146.7mAh/g，

比能量可達

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

LNMO具有高達

4.7V的工作電壓，超過當下商業化的傳統有機電解液

4.5V的電壓極限。高電壓下電解液發

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

Mn3+，

會發生歧化反應，生成的

Mn2+會被

HF還原成金屬錳沉積到負極鋰片表面，形成鈍化層，同

時也造成活性物質的溶解，影響電池的循環性能。通過摻雜或包覆等方式能夠提升性能，但為達到商用，還需進一步改善。（1）通過一些金屬

離子對

Ni、Mn元素部分取代，達到穩定晶體結構，調控材料的

Ni/Mn無序程度，進而改善

性能的目的。Chen等研究

Al摻雜對材料的影響，發現摻雜后晶體結構改變，循環和倍率性

能提高，

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

在

55

℃

下

其

100

次

循

環

容

量

保

持

率

達

98%

，

LiNi0.475Mn1.475Al0.05O4在

10C放電時仍保持

114mAh/g比容量。（2）通過表面包覆，保護材

料免受

HF的侵蝕，提升循環性能。主要的實驗包覆材料有

ZnO、Al2O3、SiO2等。但在商用

化進程中，5V級尖晶石

LNMO尚處于研發和小批量生產階段，針對高溫循環穩定性、倍率

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

具備小的電化當量、高的電極電位，將更有作為正極的潛質。依據元素周期表可知，F、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。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，可制成氣體擴散電極或制成氧化物

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

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

根據熱力學計算，可以篩選出具備應用前景的高比能無鋰正極，如

S、MnO2、FeS2、CuF2

和

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

使用固態電解質情形下，電池能量密度可達

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轉換反應機理與金屬鋰發生反應，而非傳統

的鋰離子嵌入脫出機理，轉化反應下可充分利用材料所有的化合價，因而循環過程交換電子多，電池電壓高。無鋰正極開發已有

50

年歷史，但電池其他組分匹配問題及本身理化性質缺陷使其暫不具備

商用條件。二十世紀七十年代早期，無鋰正極匹配金屬鋰負極的二次電池開發受到關注，但

對鋰負極的認識和有效改善策略的缺乏，造成該類電池循環差、安全性低，逐漸轉向含鋰正

極研究。而從材料本身實際的電化學性能來看，依然存在共性的問題：第二次循環后容量快速衰減，倍率表現差，并且電壓滯后顯著，與低電子電導率、低鋰

離子擴散系數和緩慢的相變動力學有關；轉化反應型材料具有嚴重的過電位，主要受歐姆極化、電化學反應極化和濃差極化影響。

對于轉換反應，本質上是與不對稱反應路徑和主體原子緩慢擴散有關；Li+或

Li+

-溶劑在正負極之間的穿梭通常會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，所有活性物質在

100%DOD下產生體

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優化，有望使其更快推進產業化。硫化物是無鋰正極開發熱點，無人機應用測試順利推進在無鋰正極產業化之路上，以硫為基的正極開發是重要熱點。硫的理論比容量達到

1672mAh/g，以硫為正極金屬鋰為負極理論比能可達

2600Wh/kg。并且硫儲量豐富（地殼中

豐度為

0.048%），價格低廉，僅為

LCO的

1/60，性價比高。因此以硫為基的正極成為研究

熱點。鋰硫電池基于轉化反應，理論工作平均電壓為

2.1V，放電時

Li+從負極通過隔膜自發

地擴散到正極，與硫材料發生化學反應。反應中通過

S-S鍵的斷裂和生成實現化學能與電能

的轉換，期間會生成多種硫化鋰中間產物。統計

2009-2020

年

2

月

2

日與鋰硫電池相關的文

章發表數量，達到

5000

件以上，主要由中國、美國和韓國貢獻。文章發表逐年增加，體現

領域熱度的提升。實際應用中鋰硫電池循環性能差、容量衰減快，主因硫正極存在較多缺陷。（1）室溫下，單質硫和最終還原產物（Li2S2

和

Li2S）為電子/離子絕緣體，導致硫的利用率較低；（2）產生

“穿梭效應”，多硫化物溶于電解液中，在正負極間來回穿梭，擴散至負極形成自放電，降低庫

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

破壞電極結構，循環穩定性降低。以硫為基作為正極，應從多維度考慮性能改善的方式，來推進產業化，其中硫正極改善是關

鍵。硫正極應與鋰負極來配合形成高比能電池，因此需從硫電極、電解質及金屬鋰保護多方

面協作開發出更具優勢的鋰硫電池體系。而在改善策略中，對于硫正極的改善至關重要：提升正極導電性，維持穩定的離子/電子導電網絡。例如硫碳復合材料，納米碳材料形成

高效的正極導電骨架結構，改善硫和硫化鋰低電導率的問題；適當提高硫載量、硫利用率，降低電解液用量。如開發具有導電能力的粘結劑可降低導

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部的潤濕性，導致內部極

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

發聚合物、固態電解質；負極提升均勻性和穩定性，改善鋰枝晶及“死鋰”等不良現象。對于鋰硫電池體系的實驗室研究結論往往不適用產業化，主要系材料及關鍵指標存在差異。

1）科研領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

10C，循環壽命可超

1000

次；但產業化下的軟包體系更為復雜，倍率更低，循環壽命難以突破

300

次，主要系

產業化過程中需要平衡材料用量，如電解質中添加

LiNO3將提升循環性能，但過量則帶來安

全問題；2）針對

S的溶解穿梭以及導電性差等問題，實驗室可以采用匹配先進碳材料、電

極表面設計涂層等方式來改善，但產業化將面臨成本與工藝可實現性等問題。鋰硫電池產業化漸有成效，有望在無人機等細分領域實現應用突破。英國

OxisEnergy是鋰

硫電池開發的先驅，新款鋰硫電池能量密度已達

471Wh/kg。公司長期為歐美和日本客戶提

供

400Wh/kg的鋰硫電池，產品可滿足無人機等領域的輕量化訴求。在產業化推進上，公司

于

2019

年

6

月宣布計劃建立首個用于批量生產鋰硫電池電解質和陰極活性材料的工廠，并

于

2020

年

5

月宣布將在巴西建設首個鋰硫電池制造廠，目標是

2023

年投產。公司的電池

技術已經在飛機電池系統中得到成功運用并進行地面測試。除

OxisEnergy之外，2020

年

9

月搭載

LG化學鋰硫電池的無人機完成超高空首秀。LG化學表示，將于

2025

年后量產能量

密度為現有鋰離子電池兩倍以上的鋰硫電池。相關產品有望在無人機等領域持續導入。循環性差等關鍵問題較難解決，限制鋰硫電池的應用，持續攻關鋰硫體系的

SionPower已

轉向其他體系的研發。據

OxisEnergy披露的產品信息，鋰硫軟包樣品有高功率及高能量兩

種類型，但循環壽命僅

60-100

次，因此難以實現大范圍的產業應用。另一家較早開發鋰硫

電池的美國電池企業

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、負極為金屬鋰）。SionPower能夠生產高比能鋰硫電池，并早在

2014

年便應

用于無人機上。但公司認為鋰硫體系在循環性等方面的缺陷限制應用，并于

2015

年開始轉

向

Licerion技術的研發。基于

Licerion技術的電芯循環次數可達

1000

次，并具有高比能。

因此持續開發鋰硫體系的同時，也應當注意中短期其他體系的替代性，無鋰正極在電池上的

商用進程仍然相對遙遠，特別是針對動力領域，體系還需繼續優化。負極突破主基調：研制更高比容低成本的材料負極的格局相比正極的格局更加清晰，傳統的石墨負極仍然是主流的應用產品。但是更高比

容負極的開發對于未來先進電池體系的推進仍然是有必要的，硅基負極、金屬鋰負極是研發

的熱點。總體來說，負極的開發方向是低成本、高比容。我們認為，碳材料無論是當下還是未來，仍然是重要的負極基體，在實現更高比容負極的過

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

業應用上，硅基負極則具備較大的推廣可能性，特斯拉的硅碳負極已經實現商用，但并非完

全的硅負極，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開發；長期來

看，金屬鋰負極因高比容低電位而具有應用潛力，但是在動力領域所面臨的困難需要較長時

間來解決，如鋰枝晶帶來的安全風險等，因此金屬鋰負極可能中短期在無人機等細分領域進

行推廣商用，在漸進式的演進前提下，在車用動力領域預計還需

5-10

年的產業化過程。負極當下格局：碳基是商用主流，鈦酸鋰因高安全應用于細分領域負極是儲鋰的主體，其中碳材料是負極商業化應用中的首選與主流。鋰二次電池負極材料在

充放電過程中實現鋰離子的脫嵌，選用時遵循比容高、電勢低、循環性能好、兼容性強、穩

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

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

理論比容為

372mAh/g）、循環性及安全性好，取代金屬鋰作負極，推動鋰二次電池商業化。碳基材料種類繁多，當下負極材料中人造石墨和天然石墨是主流產品。若按照結構劃分鋰離

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、技術成熟度高，但首效較低、倍率性能較差，主要用于消費

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，因此在動力領域份額不斷擴大。據

GGII，2020

年中國鋰電

池負極材料出貨量

36.5

萬噸，同比穩健增長，其中人造石墨占比

84%，份額逐年提升。石墨類產品應用中存在缺陷，通過改性來提高產品性能。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、

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

機械處理的手段對顆粒形貌進行球形化整形，處理后粒徑

D50

范圍

15~20μm，首效和循環

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

性不同于天然石墨，一般通過顆粒結構重組降低石墨晶粒取向度。具備某方面突出性能優勢的負極材料如鈦酸鋰，可滿足特定需求，適合在部分細分領域應用。

嵌鋰碳材料因本身理化性質具有以下缺陷：（1）形成

SEI膜，循環過程中造成

Li+損耗與碳

材料結構的破壞；（2）析出鋰枝晶，增加安全隱患。在公共交通領域電動化進程中對安全性

的訴求落實到負極材料，需要負極電位稍正于碳、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勢，在公共交通領域有一定應用：“零應變材料”，結構穩定。在循環過程中，鋰離子逐漸嵌入，最終形成深藍色的巖鹽相

Li7Ti5O12，晶胞參數由

0.836nm變為

0.837nm，體積變化小于

0.2%，“零應變”下材料

結構穩定，循環性好；

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生成

SEI膜，沒有

SEI膜被破壞脫落的隱患；循環過程中鋰離子擴散系數也高于碳負極體系，因此是具備高循環優安全的負極材料。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，電壓平臺較低，因此比能量較低；（2）導電性能差，導致其在大電流

放電條件下極化嚴重，容量衰減快，倍率性能差；（3）吸濕性強，導致高溫產氣嚴重，高溫

循環性能差；（4）材料制備工藝復雜，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。（1）改善材料形貌尺寸，

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

SEI膜；（2）金屬摻雜后的改性材料導電性提高，但循環穩定性可能會降低；（3）

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

礙。綜合看，尋找合適的離子、適當的摻雜比例、改性技術的結合是未來工作的重點。現有負極比容已接近上限，高比容潛力負極中硅基優勢顯著高比能訴求下，現有商用負極難以滿足需求，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

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）商業化負極尤其是碳負極材料，因嵌鋰電位低，在循環過程

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

硅基、氧化物、過渡金屬氮化物以及金屬鋰負極等。比較理化性質，硅基具備應用優勢：（1）

按照理論比容排序，硅基負極可達

4200mAh/g，而其他負極大部分在

900mAh/g左右；（2）

Si的嵌鋰電位高于碳，析鋰風險小；（3）Si與普遍應用的電解液反應活性低，嵌鋰過程中不

會引起溶劑分子與

Li+共嵌入的問題；（4）Si是地殼中第二豐富元素，價格低廉。硅基負極的規模應用需解決體積效應等關鍵問題：（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使硅發生

1-3

倍的體積膨脹，材料產生裂紋直至粉化，帶來

容量的快速衰減，較大的應力下影響結構穩定性，安全風險提高；（2）體積的變化使

SEI膜

出現破裂與生成的交替，消耗活性物質與電解液，導致電池的內阻增加和容量的迅速衰減；

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

SEI膜穩定和提高首效三個方面。優化的方向包括：（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

性能，但同時也會面臨工藝的復雜性等問題；（2）制備復合材料。如制備結構穩定的硅碳負

極，提高導電性，增強機械強度。在開發過程中，碳源選擇和結構設計是造成性能差異的關

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，循環性能提升，但首效較低也限制在全電池中的應用。硅基負極產業化持續鋪開，“硅基時代”臨近硅基負極研發集中度高，中國、日本、美國和韓國為主要申請國。統計

2000-2019

年

6

月與

鋰離子電池硅基負極相關的專利數量，共計

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進行專利布局。日本申請人具有一定優勢，中國申請數量大，但仍需進一步發展。統計前

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量都占據絕對優勢，主要有松下、索尼、日立

等。韓國則主要由三星和

LG化學申請。中美分別有

23

家和

18

家申請人進入前

100

名。在

中國國內專利申請排名前

20

的申請人中，國外申請人依然占據較大比重，尤其是日本。中

國的企業中，比亞迪、貝特瑞、ATL和萬向集團進入前

20

名。硅基負極產業化持續鋪開，推動電池產品性能提升。特斯拉已將硅碳負極應用于

Model3，

在人造石墨中加入

10%的硅，負極容量提升至

550mAh/g，單體能量密度達

300Wh/kg；日

本

GS湯淺公司的硅基負極已成功應用在三菱汽車上。中國方面，寧德時代、國軒高科、萬

向集團、比亞迪等正在加緊硅負極體系的研發和試生產。負極企業貝特瑞已實現硅碳負極量

產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能力。CATL的高鎳三元+硅

碳負極電芯比能達到

304Wh/kg，力神的

NCA+硅碳負極電芯也已達到

303Wh/kg。產業化進程中，材料成本和生產工藝是兩大制約因素。盡管硅基負極材料的性能在持續提高，

但在優化材料性能之外，還要考慮到制約產業化的其他因素：（1）材料成本：各家工藝差別較大，產品尚未達到標準化，導致價格較高。此外制備過程中常用到納米硅粉，其生產對設

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

匹配的主輔材對負極性能發揮影響大，相應的工藝也需要進行優化改善。廣汽應用新型硅負極材料，推動續航再上臺階。2020

年

7

月

28

日，廣汽集團宣布采用新型

硅負極材料的方形硬殼電芯比能達到

275Wh/kg，將使電動車續航突破

1000km。2021

年

4

月

9

日的廣汽科技日再次強調長續航技術將于

2021

年量產，采用海綿硅負極片電池技術使

電芯比能超過

280Wh/kg（未來提升至

315Wh/kg），同時解決硅材料膨脹問題。這將是全球

首次將新型硅負極材料應用到大型動力電池電芯產品，使硅材料的動力領域實用化更進一步。負極預鋰化是硅基負極產業化的關鍵改性技術硅基負極的應用導致首次庫倫效率（ICE）下降，帶來不可逆的容量損失。硅基負極的體積應

變大，使

SEI膜更加不穩定，持續生長的

SEI膜不斷消耗鋰，造成電池的內阻增加和容量的

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

會有

5%~10%的首次鋰損耗，而硅的不可逆容量損失可達

15%~35%。因此，采用硅基負極

在提升容量的同時，循環壽命卻下降，實際一般是石墨的

1/5

左右。預鋰化技術通過補償首次鋰損耗，能夠延緩容量