锂电池研究方向

锂电池研究方向

1、电池材料

电极材料电极片隔膜电解质

2、内部结构

杂质褶皱/绕面错位/偏差

3、电化学性能

容量倍率循环储存自放电高低温

4、安全性能

热稳定性针刺/挤压过充热失控绝缘发热量导热系数电芯比热容

5、机理研究/失效分析

脱嵌锂机制相变结构转变结构坍塌表界面反应SEI膜副反应产气析锂力学热学安全

[来源：先进电池技术创新中心]

动力电池新技术深度研究：锂电技术升级加速，新趋势新机遇

（报告出品方：东吴证券）

1 电池厂引领行业技术进步，材料体系+封装工艺为核心

锂电技术持续升级，电池龙头引领行业发展

8-10年内依旧在现有电化学体系内持续升级，龙头引领行业发展。 电化学产业严格意义上属于配方试错中平缓发展的行业，需要底层的长期试错积累。因此过去30年锂电池的基础体系基本保持。我们判断未来8-10年目前的电化学体系我们预计不会发生颠覆性改变，目前电池企业所触及的技术布局仍将存在延续性。电池龙头公司引领全行业技术发展。

龙头公司技术进步的四大创新体系：材料体系创新、系统结构创新、极限制造创新、商业模式创新。 材料体系创新，需要深入地理解材料内禀性质及其界面性质，帮助材料体系实现根本创新；系统结构创新，包括 CTP、CTC等，主要是通过优化系统，实现系统能耗降低、效率提高、成本降低；极限制造创新，六西格玛的基础上，产品缺陷率由PPm级（百万分之一）做到PPb级（十亿分之一），同时保障全生命周期的可靠性。

2 材料体系升级：正极为核心，超高镍与锰铁锂为趋势

1. 三元正极：超高镍化、单晶化为主要方向

三元材料：能量密度高于铁锂，符合长续航需求

三元材料兼备高能量密度、高电压平台、相对较低的成本，成为正极材料的主流。 常见的锂离子电池正极材料有层状钴酸锂、橄榄石结构磷酸铁锂、尖晶石结构的锰酸锂以及层状三元材料，三元层状金属(Co, Mn, Ni/Al等)氧化物(LiNi1-x-yCoxMnyO2)以其高理论比容量(>250mAh/g)及较高工作电压(~3.65 V)的特点，成为正极材料的主流。但三元材料随着镍含量的提升，热稳定性会降低，安全性较差于铁锂。

三元正极三种金属元素作用： 根据Ni、Co、Mn三种元素比例的不同，可以分为523、622、811型。镍为电池活性元素，提升电池能量密度的关键（能量密度）；钴作为正极支架结构坚固，但价格昂贵，并对环境造成污染（循环性能）；锰/铝提高材料的导热性，是热稳定性关键（安全性）。

高镍化：

2020年为高镍元年，2021年高镍渗透率提升至30%+，高镍技术逐渐成熟。 2020年为高镍元年，宁德时代高镍电池开始起量，容百绑定宁德成为绝对龙头，随着高镍技术趋于成熟，21年高镍占宁德装机占比提升至 30%，亿纬、蜂巢、比亚迪等陆续有高镍电池出货，且高镍三元材料占比提升至40%+，且二线厂商开始突破，实现大规模量产。

着高镍技术趋于成熟，超高镍为未来必争之地，电池能量密度天花板进一步提升，且为降成本的有效方式。 超高镍方向的优势一是随着Ni含量越来越高，容量越高，价格越便宜；二是烧结温度随Ni含量升高而降低，成本降低；目前高镍三元电芯能量密度有望达到300wh/kg，成组后pack能量密度有望突破200wh/kg，超高镍三元正极，配合硅碳负极应用，能量密度有望达到350wh/kg-400wh/kg。

单晶化：单晶三元材料稳定性更强，更耐高电压

单晶正极材料结构稳定性更好，同时前驱体制备难度更高： 在多晶正极材料中，锂离子充放电时，锂离子进出使单个晶体膨胀和收缩，在晶界中产生应力，造成晶界撕裂，从而使晶体分解，电池循环性能不断下降；而单晶正极材料中，因为内部排列取向一致，不存在晶界，因此结构稳定性更强，循环性能更好，热安全性能也更优，在高电压时更稳定，从而提升能量密度。

单晶正极材料稳定性更好，更适合高电压，从而提升电池能量密度： 常规的二次颗粒团聚体三元正极材料由许多小单晶一次颗粒构成，在循环过程中，由于颗粒不断膨胀收缩，会导致整个二次球开裂、破碎，导致循环寿命缩短；单晶三元正极材料可以较好地规避上述问题，材料经压实和高温循环后，不易发生破碎，从而获得更加优异的高温循环稳定性；同时，由于大单晶一次颗粒的尺寸较大，具有更好的结构稳定性和耐高温性能，因而具备更好的安全性能。单晶正极比多晶正极更耐高电压，可以使用更高的电压去充电，从而使更多的锂离子脱嵌，有效转化嵌入负极中，提高锂离子的活性，从而提升能量密度。（报告来源：未来智库）

2. 铁锂正极：锰铁锂2023年落地，M3P提供新方向

磷酸铁锂：安全性高、成本低，但能量密度天花板低

磷酸铁锂电池具有安全性高、高温性能好、使用寿命长、原材料成本低的优点。 磷酸铁锂电池正极材料分解温度在700℃左右，安全性较高；循环寿命2000次以上，而三元一般1000次；且其原材料不含金属钴，目前成本低于三元近20%。

能量密度天花板低，但成组效率较高。 铁锂振实密度与压实密度低，理论能量密度190Wh/kg，目前行业基本达到160wh/kg，成组效率85%以上，Pack后能量密度130-140wh/kg。三元理论能量密度高于 350Wh/kg，目前单体能量密度以200-250为主，成组销量75-80%左右，Pack能量密度140-160wh/kg，高镍三元可达180wh/kg。

低温性能差。 一块容量为3500mAh的LFP电池在-10℃的环境中工作，经过不到100次的充放电循环，电量将急剧衰减至500mAh，因此铁锂电池不适应冬季北方。

磷酸锰铁锂：保持铁锂稳定架构，同时提升能量密度

磷酸铁锂循环性能较好，能量密度较低。 磷酸铁锂具有橄榄石强架构，容纳锂离子的空位相对较少（能量密度较低），但结构强度相对较强（循环性能较好）。

三元循环性能较差，能量密度较高。 三元正极材料具有扁平的结构，能容纳更多的锂离子的空位（能量密度较高），但结构强度相对较弱（循环性能较差）。

磷酸锰铁锂保持铁锂稳定架构，同时提升能量密度。 磷酸锰铁锂（LMFP），可以保持磷酸铁锂稳定的橄榄石架构，从而保留电池循环性能，同时通过提高电压提升能量密度。但从结构框架上看，即使掺入其他元素，橄榄石架构所含的锂离子空位仍与片层结构有不小差距，因此能量密度提升有限（极限25%）。

3. 负极：硅基负极方向明确，4680电池打开空间

负极：起储锂作用，目前以石墨负极为主

负极材料在电池中起储锂作用，对电池性能有直接影响，成本占比10%左右。 锂电池负极是由活性物质、粘结剂和添加剂制成糊状胶合剂后，涂抹在铜箔两侧，经过干燥、滚压制得，是锂电池储存锂的主体，锂离子在充放电过程中嵌入与脱出负极。充电时正极锂被氧化为锂离子，通过隔膜到达负极，锂离子嵌入负极中。放电时锂离子脱出负极，在正极被还原为锂。

人造石墨为当前主流路线，硅碳负极引领新方向。 目前负极材料中应用最广的是人造石墨与天然石墨两类，其中，人造石墨渗透率逐年提升，为当前主流路线，2020年中国负极材料出货36.5万吨，人造石墨占比达到 84%，天然石墨占比16%，2021H1人造石墨出货量占比为85%。硅碳负极可提升电池能量密度，有望成为未来材料升级的方向。

硅基负极：硅负极高能量密度优势明显

石墨的理论能量密度是372mAh/g，目前应用的石墨比容量已经接近极限。而硅负极理论能量密度高达4200mAh/g，为目前已知的能用于负极材料理论比容最高的材料，硅碳复合材料能大大提升单体电芯的容量。

硅负极安全性能优于石墨： 硅电压平台高于石墨，充放电过程中硅表面不容易析锂，提高电池安全性。

硅材料成本较低： 硅材料来源广，储量丰富，制作成本较低，对环境友好。采用

3 封装工艺改进：4680大圆柱落地，CTP/CTC体系升级

不同封装形式各有优劣，高集成化为大趋势

不同封装形式各有优劣，国内以方形电池为主导。 方形、圆柱和软包为三种分装形式，国内以方形电池为主导，欧洲以软包电芯为主导，特斯拉使用21700圆柱电池，圆柱电池工艺成熟度和生产效率高，过程控制严格，但BMS复杂，使用门槛较高；软包电芯能量密度高，对电芯的保护程度高，但是成组效率较低；方形电芯制造工艺相对简单，成组效率高，为国内电池主流。

4680电池及CTP/CTC技术加速落地。 CTP技术全称为Cell To Pack，CTP电池包即是电芯直接集成到电池包内，这种电池由于省去了电池模组，可以使体积利用率提升15％－20％，同时刀片电池、4680电池均通过增大单体电池容量，进一步提升电池空间利用率，降低电池成本。

1）方形电池：CTP/CTC技术升级，刀片电池

宁德时代：CTP技术2019年推出，布局领先行业

原理： 宁德时代CTP电池与比亚迪刀片电池类似，不同点在于其应用“大模组”概念，仍保留部分模组，但是通过减少模组的使用，增加电芯数量或体积，提升集成效率。

CTP铁锂大批量应用，CTP三元逐步切换，CTP布局领先行业： 宁德时代CTP技术受多方认可，其中特斯拉铁锂电池采用宁德时代CTP技术，成组能量密度达150-160wh/kg，成本方面将低于三元电池15%左右。此外三元电池中CTP也逐步切换，北汽EU5、哪吒等车型率先应用，大众MEB平台也采取高镍811大模组方案，进一步提高能量密度，降低电池成本。

比亚迪：刀片电池提升安全性，大幅提升空间利用率

刀片电池是一种长电芯CTP方案 （基于方形铝壳的叠片电池），对电芯的厚度减薄，并增大电芯的长度，跳过模组由电芯直接阵列在电池包中充当结构件，从而增加整个系统的强度。

单块刀片电池是由多个并联的电芯组组成（电压3.2V），两个相邻的极芯组之间设置有隔板，将电芯的空间分隔成若干个容纳腔，这些容纳腔形成类似的蜂巢结构，并且具备密封和注液通道。

优点： 增加了安全性，提升空间利用率，降低电池成本； 1）边梁内含排气管道，防爆阀开启后内部一旦有火焰、烟雾等，可以通过排气管道排出，避免对单体产生二次伤害；2）扁平化设计，大大增加了散热面积，内部回路长；3）磷酸铁锂失控温度高，产气量少；4）陶瓷阻燃层；

缺点： 增加电池内阻（铜/铝箔被迫加厚），维护成本高，磷酸铁锂能量密度上限较低，生产效率低。

2）4680大圆柱：22Q1率先量产，远期规划庞大

大电芯+全极耳+干电池技术，改善电池性能

4680电池为特斯拉推出的直径为46mm，高度为80mm的新一代圆柱电池。对于电池来讲，能量密度提升时，功率密度会下降，直径46mm是圆柱电池兼顾高能量密度和高功率密度的最优选择。

4680电池核心创新工艺为：大电芯+全极耳+干电池技术， 4680电池大幅提升了电池功率（6倍于2170电池），降低了电池成本（14%于2170电池），优化了散热性能、生产效率、充电速度，能量密度、循环性能有进一步的提升空间，根据特斯拉测算，4680尺寸更大结构强度更高，其作为结构电池成为车结构的一部分，既提供能源，也用作结构起支撑作用，节省了空间也减少了重量（10%），续航里程有望提升（14%）。

4 其他技术路线：钠离子电池、固态电池等

固态电池：高性能+高安全，各项指标领超液态电池

电池发展经历了由铅酸电池到镍氢电池再到液态电池的发展阶段，目前液态电池技术相对成熟，但能量密度即将达到上限（350Wh/kg）以及电池起火问题未能得到有效解决，新的电池时代即将到来。

固态电池是下一代电池发展方向。 从性能对比来看，固态电池在离子电导率、能量密度、耐高压耐高温、循环寿命等方面均优于液态电池，且固态电池安全性更高，解决了热管理问题，有效防止燃烧事故。自 2010年出现以来不断取得技术突破，因此固态电池有望成为下一代电池的发展方向。

固态电池制备流程简化，但技术尚未成熟

固态电解质既具有锂离子传导的能力又很好的将正负极阻隔，同时替代了电解液和隔膜，减少了隔膜、注液、冷却等步骤，制备流程简化；同时，不再受限于电解液的流动性，可设计为柔性电池，在外部形态和内部结构等方面具有较大设计空间。但目前制备技术尚未成熟，生产成本是传统电池2-3倍，因此固态电池在单体电芯容量、快充时长和成本等方面仍有较大改善空间，对空气敏感、与锂金属的相容性低等问题亟待解决。（报告来源：未来智库）

固态电池电解质及正负极发展方向

固态电池的核心是用固体电解质替代电解液和隔膜。 固态电解质主要有三类聚合物电解质、氧化物电解质和硫化物电解质，其中聚合物发展最为迅速，已开始小规模量产；硫化物电解质性能最优，最适用于电动汽车，商业化潜力巨大。固态电池正极材料需要满足高比能量、高比功率、长循环寿命等条件。目前氧化物正极在全固态电池中应用较为普遍，但界面抗阻严重；而5V尖晶石材料因其高容量、高安全性被视为最佳选择。在锂离子电池中石墨负极应用广泛，但理论容量较低，适配固态电池的可能性不大；高容量、低电位的金属锂负极被视为固态电池负极材料的最佳选择，加入其他金属合成新型合金材料可进一步改善性能。

5 新充电方向：800V高压平台加速应用

高电压快充：车用/充电桩高压部件供应链逐渐成熟

功率 = 电压×电流，因此提高充电功率（输出功率）可以从增大电流或提高电压的方式：1）采用更大的电流：以特斯拉为代表，但大电流对应发热增加，导线横截面积增大，对应整车耗电增加，重量增加，减少续航里程；2）采用更高的电压：以保时捷为代表，电压平台从400V提升至800V，提升整车的动力性能及续航里程，但需要串联更多数量的电池，并将相关高压部件重新适配。

高压零部件逐渐成熟，电池包需适配快充+高压BMS。 从电动车端看，高压架构下，电池包、电驱动、PTC 、空调、车载充电机等零部件都需重新适配，从全产业链角度看，目前PTC和空调已实现量产，高压OBC、 DCDC等其他主要高压零部件有望于2021年年底基本实现量产。从充电桩端角度看，高压零部件的成熟度比车端高，只有充电枪、线、直流接触器和熔丝等需重新选型，目前均有成熟产品。

高电压快充：快充系统架构方案共三种选择

纯800V电压平台： 电池包、电机以及充电接口均达到800V，车中只有800V和12V两种电压级别的器件，OBC、空调压缩机、DCDC以及PTC均重新适配以满足800V高电压平台。

双400V电池组串并联组合： 利用电池管理系统将电池组在串联、并联之间转换，在充电时，两个电池组可串联成800V平台高电压快充；在放电时，两个电池组并联成400V平台供汽车运行时使用，直接使用原有400V的高压部件。

纯800V电压平台+额外DCDC： 整车搭载一个800V电池组，在电池组和其他高压部件之间增加一个额外的DCDC将800V电压降至400V，车上其他高压部件仍采用400V电压平台。