汽車動力電池技術路線圖——固態風口，核能終結！

最新 07-20

中國製造 2025 要求 2020 年 300 Wh/Kg，2025 年 400 Wh/Kg，目前量產動力電池單體能量密度在 230±20 Wh/Kg，對目前各類電池技術體系全面分析後，我們提出汽車動力電池技術路線圖：

2020 年高鎳正極+准固態電解質+硅碳負極實現 300 Wh/Kg

2025 年富鋰正極+全固態電解質+硅碳/鋰金屬負極電池實現 400 Wh/Kg

2030 年燃料/鋰硫/空氣電池實現 500 Wh/Kg

核聚變是人類社會終極能源方式

動力電池命名體系——正極-中間層-負極命名體系

工信部、發改委、科技部 2017 年 4 月印發《汽車產業中長期發展規劃》提出：到 2020 年，新能源汽車動力電池單體比能量（能量密度）達到 300 Wh/kg以上，力爭實現 350 Wh/kg，系統比能量力爭達到 260 Wh/kg；到2025年，動力電池系統比能量達到 350 Wh/kg。

按照《中國製造2025》確定的技術目標，2020年鋰電池能量密度達到 300 Wh/kg，2025 年能量密度達到 400 Wh/kg，2030 年能量密度達到 500 Wh/kg。

2. 目前量產 200 Wh/Kg，實驗室實現 300 Wh/Kg

基於國產高鎳正極材料，尤其 NCM622 材料，目前方殼電池單體能量密度超過200 瓦時/公斤，全部電池單體能量密度在 230±20 瓦時/公斤，系統能量密度接近 160 瓦時/公斤。

寧德時代、力神、國軒承擔新型鋰離子動力電池項目，採用高鎳三元正極和硅碳負極，軟包電池能量密度都達到 300 瓦時/公斤。

我們認為，基於高鎳三元+硅碳負極材料，現有體系的鋰電池的能量密度很難突破 300 Wh/kg。

技術原理

三元正極材料通過 NiCo-Mn/Al 的協同作用，結合了鈷酸鋰循環性能好，鎳酸鋰高比容量和錳酸鋰成本低安全性能好的優點。在三元材料的各個組分中鎳決定電量，鈷決定充放電速度，錳決定穩定性，隨著鎳含量的增加，電池的放電比容量也隨之增加，熱穩定性和容量保持率有所降低，但隨著三元電池安全性得到提高與工藝演進，更高鎳三元材料是大勢所趨。

傳統石墨負極克容量較低（372mAh/g），硅理論比容量高達 4200 mAh/g，是石墨的10倍以上，但其在嵌脫鋰循環過程中具有嚴重的體積膨脹和收縮，造成材料結構的破壞和機械粉碎，從而導致電極表現出較差的循環性能。

結合碳材料和硅材料的優缺點，將兩者複合為硅碳負極使用，以最大化提高其實用性。

准固態電解質採用硫化物、氧化物、聚合物等固態電解質部分替代當前有機電解液和隔膜，可提升電壓平台，內部串聯可提高系統能量密度。

優勢

能量密度高：層狀結構 NCM中，鎳是主要的氧化還原反應元素，提高鎳含量可以有效提高 NCM的比容量，高鎳含量 NCM 材料(Ni的摩爾分數≥0.6) 具有高比容量，硅理論比容量高達4200mAh/g，能量密度非常高

成本低：鎳價格遠低於鈷

高電壓：固態電解質比有機電解液普遍具有更寬的電化學窗口，有可能達到5V，適應於高電壓型電極材料

技術難點

循環性能差：Ni元素含量較高，晶格結構不穩定，Ni主要以+2價為穩態，循環過程中Ni離子在+2、+3、+4價之間進行氧化還原反應，Ni會緩慢的趨向+2價從而導致結構坍塌，Li+不能正常嵌插與脫出，結果使得電池電化學性能衰減較快

高溫性能差：振實密度低，表面包覆改性等技術可有效減少副反應，改善其電化學性能和熱穩定性

工藝控制難：高鎳 NCM材料的性能和結構與製備工藝緊密相關，不同的製備過程與條件直接影響產品的最終結構和性能

硅體積膨脹問題：硅在嵌鋰過程中體積膨脹效應高達340%倍，目前主要從硅的改性、硅的合金化、硅的多孔化、硅的納米化、電池結構設計、硅的核殼結構、三明治結構等方面進行改進

固態電解質電導率較低，電極/電解質固固界面問題等

目前進展

2017 年中國鋰電池硅碳負極材料產量已經超過 1500 噸，同比增長超過 130%，其中前五企業市場集中度佔比超過 90%,在全年鋰電負極材料總產量中佔比 1%。

高鎳正極+硅碳負極部分鋰電企業已實現量產，預計 2020 年將大規模產業化

技術原理

富鋰錳基固溶體正極材料的化學式為 xLi2MnO3·(1-x)LiMO2，其中 M 為過渡金屬Mn（錳）、Ni（鎳）、Co（鈷）、Ni-Mn（鎳-錳）等，其比容量高達 300 mAh/g，且熱穩定性高，遠高於目前三元的 200 mAh/g。

全固態電解質採用硫化物、氧化物、聚合物等固態電解質替代當前有機電解液和隔膜，由於不存在易燃的液態電解液，安全性能得以大幅提升，可提升電壓平台，內部串聯可提高系統能量密度。

關於固態電池（電解質）的詳細介紹，請持續關注我的個人公眾號。

優勢

高比容量：富鋰材料比容量高達 300 mAh/g，且熱穩定性高，遠高於目前三元的 200 mAh/g

成本低：錳元素價格遠低於三元中的鈷、鎳元素

高電壓：固態電解質比有機電解液普遍具有更寬的電化學窗口，有可能達到 5 V，適應於高電壓型電極材料

安全性高：液態電解質易燃易爆，鋰枝晶容易刺破隔膜，引起電池短路，固態電解質不可燃、無腐蝕、不揮發、不存在漏液問題，克服了鋰枝晶現象

技術難點

首次庫倫效率低：首次使用的過程中為了發揮出富鋰材料的高容量，要採用高電壓活化，在充電過程中Li2O從正極材料中脫出，大量的金屬離子從表面遷移至體相中佔據Li+和O2-留下的空位，導致晶格中空位消失，材料結構破壞，以至放電過程中Li+嵌鋰不能正常進入晶格中，從而造成較高的不可逆容量。

循環性能差：富鋰材料在循環過程中還存在著層狀結構向尖晶石結構轉變的趨勢，這也導致富鋰材料的電壓平台在循環過程中會持續的下降，容量不斷衰減。

固態電解質電導率較低，電極/電解質固固界面問題等。

目前進展

富鋰材料經過多年的研究，人們對於其電化學反應機理認識逐漸深入，通過材料結構調整、元素摻雜和表面包覆等手段，顯著改善了富鋰材料的結構和表面穩定性，配合活化制度的研究，目前富鋰材料循環穩定性和倍率性能都已經得到極大的提升，預計 2025 年開始規模化應用。

燃料電池

燃料電池（Fuel cell），是一種通過氧化還原反應將燃料（氫氣）轉換成電力的裝置，技術原理是使用純氫氣與氧氣反應，這樣在保證電池有較高能量密度的同時，還不會對環境有任何危害，電池反應式：2H2+O22H2O

燃料電池嚴格意義上不是電池，類似於傳統發動機，只要源源不絕地供給燃料，就可以源源不絕地產生電能，其放電特性是連續進行的，不可以充電

主要優勢

能量轉換效率高

真正清潔無污染

安靜無雜訊

能量密度高，功率輸出平穩

燃料補充方便

主要問題

成本過高：質子交換膜與鉑催化劑成本較高，近幾年開發出了新型的無鉑催化劑，使得電池成本有了明顯的降低，但是仍然沒有降到可以進行大規模普及的程度

配套設施建設成本高：主要是加氫站建設、氫氣運輸、存儲成本較高，存儲主要包括高壓氣態儲存、固態氫化物儲存、低溫液氫儲存等方式，運輸主要包括車船運輸和管道運輸等

氫氣製備成本高：現在仍然不能以較低成本的大量製取氫氣，現在主要主要包括煤氣化制氫、水電解制氫、天然氣重整氣制氫、甲醇裂解制氫等工藝

總體而言，燃料電池汽車正處在由技術研發向商業化推廣過渡的階段，燃料電池汽車的推廣，實際上是氫能在汽車產業大規模應用的問題，唯有對整個氫能產業鏈和汽車產業鏈進行綜合評估和系統規劃，方能在實現推廣目標的同時真正滿足社會的多元需求，預計 2030 年實現規模化替代。

鋰硫電池

技術原理：單質硫完全得電子後的克容量高達 1675 mAh/g，以金屬鋰做電極的能量密度高達 3860 mAh/g，將二者結合：正極為硫單質、負極為金屬鋰，就形成了鋰硫電池。其充放電進行的是金屬鋰與硫的氧化與還原反應。

兩大優勢

能量密度極高：鋰的理論比容量為3860mAh/g，硫的理論容量是1673 mAh/g，當硫與鋰完全反應生成硫化鋰（Li2S）時，對應鋰硫電池的理論質量比能量為2600 Wh/kg

成本低：硫在全球儲量頗豐，因而硫鋰電池相對於鋰離子電池而言有著很高的成本優勢

主要問題

穿梭效應：充放電過程中產生的中間產物多硫化鋰可溶解於電解液，到達鋰負極以化學方式還原，並形成低價態化合物，部分低價化合物能夠再次回到硫正極，並被再一次氧化，多硫化物在正負極之間來回穿梭，在循環期間降低降低庫倫效率使電池容量迅速衰減，在靜置期間導致嚴重自放電。

目前鋰硫電池產業化研發尚處於起步階段，除電池正極材料的比容量和穩定性需要進一步提高外，電池安全性等關鍵問題也亟待解決，預計在 2030 年可大規模商業化。

鋰/鋁空氣電池

技術原理：以純氧氣為正極，以金屬鋰/鋁為負極，放電及充電時分別發生金屬鋰的氧化及還原反應，具有高達 11500 Wh/kg 的理論能量密度

兩大優點

高能量密度

價格低廉

問題點

一系列副反應：空氣中廣泛存在的各種其它成分，除了惰性氣體，幾乎都會與鋰產生不利的化學反應，金屬Li單質比較活潑，如何在空氣中使用防止空氣中的水與二氧化碳進入電池

正極蓄積固體反應生成物：阻隔了電解液與空氣的接觸，導致停止放電等問題

催化劑問題：氧氣在空氣電極的還原非常緩慢，為降低正極反應過程的電化學極化，可添加催化劑，目前的催化劑主要為酞靑鈷、鉑金，價格比較昂貴。

電解質材料：電解質容易揮發從而影響離子電導率、氧溶解性

金屬鋰負極：也就是業內一直研究的鋰枝晶問題

鋰/鋁空氣電池從概念提出到現在已有二十多年的歷史，但目前的研究工作依舊主要集中於高校及少數企業，副反應的抑制及高昂材料成本的控制實在過於勉為其難，預計 2030 年能實現規模化量產。

超級電容

技術原理：超級電容是利用活性炭多孔電極和電解質組成的電化學雙層電容器（EDLC），雖然它是一個電化學器件，但它的能量儲存機制卻一點也不涉及化學反應，本質上是物理電池，因此充放電循環次數達十萬甚至數百萬次，並且可以在數秒內完成充放電。

超級電容器在充放電過程中進行的僅是電子和離子的物理遷移、並沒有發生化學反應，因此其可以經得起數十萬次的循環測試，並且可以在數秒內完成充放電。

三大優點

功率密度高：充電速度快，充電10秒～10分鐘可達到其額定容量的95％以上，可達300W/KG~5000W/kg，相當於電池的5~10倍。

循環壽命長：深度充放電循環使用次數可達1~50萬次，沒有「記憶效應」。

超低溫特性好：溫度範圍寬-40℃～70℃。

問題點

能量密度是超級電容器的致命短板，目前多以活性碳為電極，由於是物理儲能，因此超級電容的能量密度僅能達到5~10Wh/kg，並且後續提升空間有限

泄漏：超級電容器安裝位置不合理，容易引起電解質泄露問題，破壞電容器的結構性能；

針對超級電容器的長循環、高倍率特點，目前其產品主要集中於車輛起停及能量回收電源、風力發電的臨時儲能裝置，能量密度的短板決定了不是動力電池的主流技術方向。

鎂離子電池

技術原理：一個鎂離子可以攜帶兩個電荷，因此在其它條件完全一致時，鎂離子電池的體積能量密度將達到鋰離子電池的兩倍左右。金屬鎂在形成時不會產生枝晶，因此可以單獨作為負極從而提升能量密度。

優點

蘊藏豐富，價格低廉

安全無污染且加工處理比鋰方便

電極電位較低，能量密度高。

主要問題

合適的負極材料：由於鎂的化學活性高，在絕大多數溶液中極易形成不傳導的鈍化膜，當電池開始放電，鎂要發生氧化反應時，鈍化膜阻滯了這種反應，需要時間撕破這層鈍化膜，反應才能順利進行，這種現象稱為「電壓滯後現象」

合適的正極材料：可像鋰離子一樣、自由且快速的嵌入和脫出鎂離子的正極材料還未找到

可靠的電解質：適合於鎂離子電池的電解質還未完成開發

鎂離子電池目前還處於理論和實驗室階段，想找到一款具有可逆脫嵌鎂離子能力且電壓平台合適的正極絕非易事，鎂離子無法在電解質中快速遷移的解決方案也並非一朝之功，目前非主流技術方向。

鈉離子電池

技術原理：鈉離子電池的工作原理與鋰離子電池類似，是利用鈉離子在正負極之間嵌脫過程實現充放電。充電時，Na＋從正極脫出經過電解質嵌入負極，同時電子的補償電荷經外電路供給到負極，保證正負極電荷平衡。放電時則相反，Na＋從負極脫嵌，經過電解質嵌入正極。

優點

Na原料資源豐富，成本低廉，分布廣泛；

鈉離子電池半電池電勢較鋰離子電勢高0.3-0.4V，既能利用分解電勢更低的電解質及電解質溶劑，電解質選擇範圍更寬；

相對電化學性能穩定；

沒有污染，易回收，環境友好；

主要問題點

鈉離子層狀化合物合成價格昂貴

安全性能差

比容量低，鈉離子原子半徑較大容易造成正極材料結構坍塌

鈉離子電池在原料成本等方面存在很大優勢，但能量密度的短板決定了不是動力電池的主流技術方向。

液流電池

技術原理：液流電池的核心結構是被分離存儲的正負極電解液以及用於正負極電解液進行反應的電堆。在循環泵的推動下，正負極電解液流經電堆處並發生反應，從而將化學能轉化成電能。目前最常見的液流電池為全釩液流電池。

液流電池的電壓普遍不高，如全釩液流電池的電壓僅為1.26V，帶來的好處就是可以使用水系電解液，進而大幅提高電池安全性能。此外，液流電池的循環壽命也很容易突破一萬次，從而減輕環保、回收的壓力。

技術難點：液流電池的離子交換膜及高濃度電解液是開發的難點。整個電池系統需要管路、閥件、電解液循環泵、換熱器等輔助部件，使液流電池結構頗為複雜，傳統液流電池能量密度較鋰離子電池也明顯偏低。

針對液流電池長循環、安全性特點，目前其產品主要集中於儲能領域，能量密度的短板決定了不是動力電池的主流技術方向。

技術原理：核聚變反應堆原理是使用超高溫度將氫的同位素氘和氚加熱成等離子體，然後依靠二者的高速碰撞生產氦，在這一反應中會發生質量損失，而損失掉的質量就由質能方程E=mc2轉化成了巨額能量。為了束縛住反應堆中的超高溫等離子體，需要製造一個環形磁場，托卡馬克「環」因此得名。

優點：海水中存在著巨量的氫同位素、核聚變釋放的能量絕非常規物理化學反應可以匹敵、核聚變產物也不存在污染

技術難點：

1. 需要瞬間上億度的高溫才能引起核聚變反應，怎麼將核聚變的原料加熱到這麼高的溫度？（怎麼點燃爐子裡面的燃料？）

2. 將核聚變的原料加熱到這麼高的溫度以後拿什麼來裝它？（怎麼讓燃料不把爐子燒穿了？）

3. 最大的難點就是如何同時實現高溫高密度和長約束時間？

為了解決第一個問題，需要將多個激光器的能量聚焦於同一點，這不僅需要每個激光器對準的方向控制地異常精確，也需要在這一極短的時間內每個激光器的能量大小需要嚴格控制。目前美國「國家點火裝置」目前正在實驗將192個激光器聚焦於同一點。而我國的「神光三號」項目目前則正在試驗將32個激光器聚焦，下一步目標是48個。