鋰電池技術(shù)變革 2023：與不確定共舞

PhotobyPhotobyKevinPeschkeKearney,ChicagoKEARNEY3,9393,0262,32024%22%1,00520%30%1,7731,35966%68%+39%7704712763,9393,0262,32024%22%1,00520%30%1,7731,35966%68%+39%770471276 1931691259860%低端乘用車場景追求成本可控條件下更佳的續(xù)航里程與系統(tǒng)需求呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，未來市場需求年增速將維持2016201718’19’20’21’22’23E’24E’25E’26E’27E’28E’.儲能電池動力電池9%9%43%43%30%30%來源：科爾尼，案頭研究固態(tài)化+新型正Li/s-Mxs傳統(tǒng)鈕電路線之爭（三元鈕vs磷酸鐵鈕)鈉電低端替代600kmEVstar-stop混合固態(tài)(固態(tài)化+新型正Li/s-Mxs傳統(tǒng)鈕電路線之爭（三元鈕vs磷酸鐵鈕)鈉電低端替代600kmEVstar-stop混合固態(tài)(10~1wt%）全固態(tài)(0wt%）LMO/C-si@LiLMO/C-si@LiLFP/C-si@Li2LFP/C液態(tài)(25~10wt%）3升級迭代（如超高鎳三元與磷酸錳鐵鋰等持續(xù)進(jìn)行成解質(zhì)搭載能量密度更高的新型正負(fù)極形成的固態(tài)電池是的鈉離子電池有望在短期內(nèi)作為低端替代切入儲能應(yīng)用能量密度（Wh/kg)600550500450400350300250200150100500Li-rich/LiLi-rich/LiNM9010/C-si@Li1000kmEVElec1000kmEVElectricaircraftNCM811/siO@CNCA/siO@CLi-rich/C-si@LiNCA/C-si@LiNaCuFeMnO/CokeNaCuFeMnO/Coke20152020202520302035來源：科爾尼，案頭研究及長循環(huán)壽命的特征成為首選。2016年新增電池能量密鋰的競爭與市場份額。電池或?qū)⒃趩挝焕m(xù)航里程成本上獲得優(yōu)勢更高的技術(shù)壁壘。磷酸錳鐵鋰是磷酸鐵鋰路線的技術(shù)升級方向。磷酸鐵鋰比磷酸鐵鋰具有更高的電壓平臺，理論能量密度可提升對比高鎳低鈷三元鋰電池和磷酸錳鐵鋰電池的成本結(jié)構(gòu)，單位里程成本上逐步形成反超磷酸鐵鋰電池的價格優(yōu)勢。主動維持磷酸鐵鋰采購量以降低成鐵鋰采購量，以分散單一技術(shù)路線依賴導(dǎo)致的大幅成本續(xù)影響三元鋰與磷酸鐵鋰的競爭與市2023-2026技術(shù)路線~750~7502023-2026技術(shù)路線~750~750圖3電池價格曲線（元Ikwh)1NCMx:~70元/kmLFPx:~80元/kmNCMx15001200900600300012,00090,00060,00030,0000~1,250~1,050~1,050~1,000~800NCM622NCM811NCALFPNCMx2LFPx2來有更大的單位成本下降空間30040050060070080080%40%20%80%40%20%份額50%2018201920202021202220232024202520262027202820292030三元鈕電池磷酸鐵鈕電池來源：科爾尼，案頭研究圖6全球其他地區(qū)鈕電技術(shù)路線競爭格局（不含新化學(xué)體系)外國家的市場份額80%80%40%201820192020202120222023202420252026202720282029203020%三元鈕電池磷酸鐵鈕電池來源：科爾尼，案頭研究能等對電池體積與重量敏感度低的應(yīng)用場景成為低成本密度較低，但原材料成本與高低溫性空間（相比磷酸鐵鋰電池，鈉離子電池成本將繼續(xù)下探80-140Wh/kg，寧德時代公布第一代鈉密度為160Wh/kg，二代產(chǎn)品將提升至200Wh/kg，遠(yuǎn)高性能介于鋰電池和鉛酸電池之間。動車、A00低端電動車等領(lǐng)域。預(yù)測2025年鈉電池市場酸電池70~80%及磷酸鐵鋰20~30%合計約140GWh2.鈉離子電池三種技術(shù)路線并行發(fā)性亟待提升。在技術(shù)上可通過摻雜及包覆改性，預(yù)期Na-Cu-Fe-Mn路線可憑借成本優(yōu)勢率先量產(chǎn)。未來更適合A00級電動車、兩輪車等低端動力和對循環(huán)次數(shù)這也會折損能量密度。研判未來適合穩(wěn)定性要求高且成本敏感的大型儲能場景來將發(fā)揮其相對性能優(yōu)勢競爭A00級電動車、兩輪車低端動力電池和儲能電池領(lǐng)域與鋰電池錯位競爭。元鋰離子電芯能量密度上限預(yù)估為350-400Wh/kg，且更好的下一代磷酸錳鐵鋰電池技術(shù)路線能量密度上限較度可高達(dá)>1000Wh/kg，已成為行業(yè)長期追求的下一代2022年，中國科學(xué)院院士清華大學(xué)教授歐陽明高在世界技術(shù)變革，2035年前一定會規(guī)模生產(chǎn)能量密度為500理論比容量超300mAh/g，有望突破傳統(tǒng)鋰電池體系性能差、倍率性能差等問題，經(jīng)多年研究仍未找到優(yōu)2600Wh/kg，預(yù)期初步商業(yè)化產(chǎn)品的能量密度可以突要求，需要抑制多硫穿梭降低電極活性材料的不可逆空氣中的氧氣或二氧化碳在正極側(cè)作為活性物質(zhì)被催化參與反應(yīng)。鋰空氣電池理論能量密度高達(dá)3500Wh/達(dá)500-900Wh/kg，商業(yè)化應(yīng)用需要解決循環(huán)壽命、的催化劑。面對傳統(tǒng)液態(tài)鋰空電池中有機(jī)溶劑揮發(fā)燃需要攻克諸多技術(shù)難點(diǎn)。點(diǎn)是否能突破也將直接影響未來市場格局。安全性保障，氧化物與硫化物技術(shù)路線持續(xù)競爭傳統(tǒng)鋰離子電池使用的液態(tài)電解質(zhì)在搭配更高性能正負(fù)當(dāng)前主流固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)路線可按電解質(zhì)材料體系劃分熱至60℃的高溫時才能將電導(dǎo)率提升至10-3S/cm，10-5~10-4S/cm，經(jīng)摻雜改性可提升至10-3S/cm，電環(huán)過程中體積變化也會導(dǎo)致裂縫和孔隙的生成，破壞電解質(zhì)被持續(xù)消耗導(dǎo)致電池失效。這也對電芯的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出全新挑戰(zhàn)。個階段：短期（-2025年有望實(shí)現(xiàn)半固態(tài)，用過渡的半固態(tài)料及硅碳負(fù)極，確保安全性的前提下將能量密度提升至300Wh/kg。中期（2028-30年有望實(shí)現(xiàn)全固態(tài)，待技術(shù)驗(yàn)證成熟密度可達(dá)400~500Wh/kg，高鎳三元/鋰金屬全固態(tài)電池能量密度突破500Wh/kg。長期（2030-35年有望實(shí)現(xiàn)全固態(tài)匹配高能量正負(fù)極，例如鋰硫電池、鋰空電池，博取大于1000Wh/kg的超高呈現(xiàn)多元化發(fā)展態(tài)勢。傳統(tǒng)三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池的技術(shù)升級主要體現(xiàn)在期技術(shù)儲備及創(chuàng)新突破能力建設(shè)為核心導(dǎo)向的管理體的合作模式為校企合作，撬動高校與科研院所的資源前沿發(fā)展變化的及時捕捉與靈活應(yīng)對。在鋰電池及電—資源配置聚焦：企業(yè)往往面對前沿創(chuàng)新的眾多技術(shù)方越的研發(fā)體系能有效識別核心技術(shù)并實(shí)現(xiàn)資源傾斜配場先機(jī)。產(chǎn)品開發(fā)與前沿研發(fā)差異化前沿研發(fā)前沿研發(fā)—涉及很多不同維度的共性基礎(chǔ)—研發(fā)組織需要具備更多的層次，需要有更專業(yè)化的部門負(fù)責(zé)立項(xiàng)評價及資源對接、2.目標(biāo)定義與過程把控—立足1-3年的近期市場—具備清晰的客戶需求、產(chǎn)品收入預(yù)期與目標(biāo)—著眼點(diǎn)長遠(yuǎn)，通常3-10年，產(chǎn)出不確定性強(qiáng)—目標(biāo)和過程指標(biāo)的定義與考核難度均較高3.資源配置與項(xiàng)目組合管理—比較容易確定資源投入、產(chǎn)出目標(biāo)與時間計劃—項(xiàng)目之間的投入、收益、風(fēng)險、參與方差異大，資源調(diào)配難度高4.研發(fā)管理—成熟的IPD研發(fā)體系，有章可循—多任務(wù)、多維度的柔性項(xiàng)目，不同的狀態(tài)對項(xiàng)目管理難度提出高要求—如何看待項(xiàng)目過程的成敗與價值，存在多維視角，需要把握關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)5.考核激勵—根據(jù)產(chǎn)品商業(yè)化的實(shí)際績效(如收入、毛利作為對應(yīng)用研發(fā)部門的考核—由于長期投入，缺少有效的過程指標(biāo)與數(shù)據(jù)支撐，較難在過程中準(zhǔn)確衡量研發(fā)績效—技術(shù)人才儲備不能忽視，需兼顧長短視角—商業(yè)化前景明確清晰，研發(fā)確定性高—前沿研發(fā)周期長、前期失敗風(fēng)險高6.研發(fā)模式—可依靠內(nèi)部研發(fā)團(tuán)隊(duì)完成大部分工作—資金需求可控，可從企業(yè)收入中劃定一定比例作為研發(fā)費(fèi)—資源消耗巨大，單靠企業(yè)自身實(shí)力較難承擔(dān)全部資源要求—涉及不同領(lǐng)域的技術(shù)儲備，需要內(nèi)外部資源緊密協(xié)作和匹配—主要根據(jù)業(yè)務(wù)、產(chǎn)品維度定義組織—強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品體系內(nèi)的有效開發(fā)、內(nèi)部服務(wù)以及BU間如何高效協(xié)同1.組織能力產(chǎn)品開發(fā)vs來源：科爾尼表征技術(shù)合作模式—企業(yè)與高校簽訂橫的高價值表征檢測設(shè)備檢測材料樣品專利轉(zhuǎn)讓模式—企業(yè)直接購買高校既有技術(shù)成果知識產(chǎn)權(quán)項(xiàng)目合作模式高校按照企業(yè)設(shè)想進(jìn)共同研發(fā)模式—針對有量產(chǎn)機(jī)會的入企業(yè)團(tuán)隊(duì)做共同于企業(yè)較深孵化模式—與高校研究團(tuán)隊(duì)建立長期穩(wěn)定合作關(guān)高校研究團(tuán)隊(duì)持續(xù)提供實(shí)驗(yàn)思路和技術(shù)支持等術(shù)研發(fā)方向和過程現(xiàn)成果難以產(chǎn)業(yè)化其他合作模式：海外前沿技術(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果復(fù)現(xiàn)—企業(yè)通過知識產(chǎn)權(quán)中介機(jī)構(gòu)搜羅海外前沿技術(shù)成果，從海外獲取關(guān)鍵配方或材料樣品后，依托高校/研究院所進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果復(fù)現(xiàn)，確定結(jié)果能夠滿足性能要求則投入進(jìn)一步研發(fā)—案例:2020年德克薩斯大學(xué)的某課題組宣稱成功研發(fā)可穩(wěn)定硫化物循環(huán)的體系，寧德時代得到合成配方和相應(yīng)的判斷分析方式后，交由中科院進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，并基于復(fù)現(xiàn)結(jié)果決定將該成果作為儲備技術(shù)潛在合作高校院所—國內(nèi)一線院所：—中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所—中科院過程工程研—其他主要國內(nèi)院所：—廈門大學(xué)(培根化學(xué)實(shí)驗(yàn)室）—哈爾濱工業(yè)大學(xué)課題分包給不同院?；蛲盒５牟桓咝ＹY源驗(yàn)證技術(shù)和提高效率端量產(chǎn)條件與高校團(tuán)隊(duì)的專業(yè)能力相續(xù)穩(wěn)定地獲取研發(fā)思路和知識產(chǎn)權(quán)晶體生成原理電導(dǎo)率研究化學(xué)穩(wěn)定性......基礎(chǔ)研究......基礎(chǔ)材料設(shè)計模擬多孔電極結(jié)構(gòu)模擬電芯力學(xué)、熱學(xué)模擬仿真平臺電化學(xué)檢測：Cv，GCD，EIS……檢測平臺晶體生成原理電導(dǎo)率研究化學(xué)穩(wěn)定性......基礎(chǔ)研究......基礎(chǔ)材料設(shè)計模擬多孔電極結(jié)構(gòu)模擬電芯力學(xué)、熱學(xué)模擬仿真平臺電化學(xué)檢測：Cv，GCD，EIS……檢測平臺鈕電池技術(shù)洞察概覽核心問題界面電導(dǎo)率差、電解質(zhì)副反應(yīng)接觸丟失、CEI生成、正極滲率鈕枝晶問題、SEI核心問題界面電導(dǎo)率差、電解質(zhì)副反應(yīng)接觸丟失、CEI生成、正極滲率體積變化、孔隙生成電解質(zhì)正極材料負(fù)極材料對應(yīng)材料電解質(zhì)正極材料負(fù)極材料界面修飾制膜工藝制膜工藝界面修飾界面修飾制膜工藝制膜工藝復(fù)合改性材料結(jié)構(gòu)設(shè)計摻雜改性技術(shù)研發(fā)通道結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)合改性材料結(jié)構(gòu)設(shè)計摻雜改性技術(shù)研發(fā)晶體設(shè)計有機(jī)物設(shè)計活性物質(zhì)設(shè)計：硫碳材料體系設(shè)計