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化学电池行业深度报告:缘起,挑战与机遇(上)

2022-12-14 15:07
光锥智能
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作者|李佳林、丁秀金、赵江宇
本报告由势乘资本和光锥智能联合发布
一、摘要

1.化学电池基础原理为基于电荷转移的氧化还原反应,反应本身受材料和制造工艺影响;

2.材料决定电池的理论性能上限,其发展原理遵循“量变”到“质变”逻辑。现有锂离子电池材料体系框架确立已有40余年,期间主要材料在既定框架下进行渐进式迭代,并衍生出各类型细分组合。固态电池支持材料的颠覆式改进(负极改为金属锂),可极大提升能量密度,是可推测的下一次重大产业变革;

3.电池性能受制造工艺影响,是材料约束下产业资本权衡投入产出后的结果。同时,制造工艺除单点层面的进步外,也依赖产业链各细分环节的协同努力;4.不同终端应用场景对电池性能需求存在差异,由此衍生出能量型、功率型、循环型等单一性能凸出的型号,反馈在技术路线上即难存在“赢家通吃”的局面;

5.能源消费电气化、电力生产清洁化是电池产业的核心驱动。锂离子电池产业化最为成熟,是目前化学电池中的应用主流,中短期内钠离子电池,液流电池在细分场景可实现初步商用化;

6.锂离子电池主要应用场景为动力领域,提升能量密度其核心目标。材料方面,LFP,NCM两大体系均存在渐进式创新,其中高镍产业化进展较快,富锂锰基、磷酸锰铁锂等次之;工艺方面,制造技术迭代是受材料体系约束的一个边际改善的过程,在材料进展缓慢时具备较高的投入价值;电池与下游应用也在进行深度耦合设计,体现为动力系统结构的集约化设计,以提高能量单元占比;

7.近2年锂矿价格高位波动,叠加部分中游环节产能受限,共同驱使锂电产业链进行合纵连横。长协,锁单,联动定价等模式提高了锂电中下游厂商的供应链管理难度。同时锂矿开始在全球范围内得到战略层面的重视,加剧了上游资源博弈,提高了我国企业海外获取资源的难度。中长期内,积极的下游需求将持续推动上游矿企的产能释放,但经过2019-2020产能过剩打击、面对更加确定的下游需求以及锂期货的诞生后,上游将更审慎进行产能扩张,预期锂矿供需维持紧平衡趋势,博弈将更加动态化;

8.新型化学电池如钠离子电池、液流电池的优势和挑战并存。钠离子电池因钠矿材料价格低廉,宽温区及安全性较好,具备部分替锂潜力;液流电池本征安全,循环性能优,在储能领域与锂电错位竞争。但由于二者技术层面仍在持续突破,成本、寿命等方面缺少规模化验证,真正商用化起量还需时日;

9.储能行业确定性与景气度双高,但终端需求差异化明显,各类技术路线需要物尽其才而非削足适履。未来储能市场从政策驱动转向为市场驱动后,对化学电池而言,其在短时调峰,工商业峰谷套利等场景具备竞争优势,但在其他细分场景将面临新兴技术的强力竞争(调频:飞轮;中长时调峰:压缩空气,抽蓄,氢能),当前一家独大的局面难以长期维系,更可能与其他技术路线搭配使用。

二、电池原理、诞生及演进

1.化学电源原理及构造

电池定义:电池是具备存储和转换能量功能的装置,借助于某些变化(化学或物理变化)将某种能量(化学能或光能等)直接转换为电能。

注:通过化学反应直接将化学能转换为电能的装置称为化学电源,是本报告重点讨论的范围

电池分类:一般可以根据能量转化方式、电解液种类、工作性质和贮存方式、正负极材料等对电池进行分类。按照电池的工作性质和贮存方式,可分为一次电池、二次电池、燃料电池、液流电池(一种可充电燃料电池)、贮备电池等。其中二次电池概念应用较多,指可充放电反复多次循环使用的电池,如铅酸蓄电池锂电池等。

电池结构:一般由5个部分组成,包括由正负极、电解质、隔膜和外壳。

(1)电极:分为正(Cathode)极和负(Anode)极,由活性物质、导电骨架和添加剂等组成。其中,活性物质参与电极反应,决定电池基本特性。对于电极的基本要求是具有高比容量、不易与电解液反应、材料便于获得和制造。注:比容量指电池容量(一定放电条件下电池可放出的电量)与电池重量或体积的比。

(2)电解质(Electrolyte):正负极间用于传递电荷的载体,有液态、半固态和固态类型,无论何种电解质,都要求具有高电导率、成分稳定、使用方便。

(3)隔膜(Separator):位于正负极之间,用于传递电荷及防止正负极活性物质直接接触(将导致短路)的薄膜。隔膜需要具备一定的机械强度及抗弯曲能力,同时对电解质离子运动的阻力越小越好,且自身具备化学稳定性。

(4)外壳:即电池的容器,具有高机械强度、耐高低温环境、能经受电解质腐蚀等特点。

化学电池行业深度报告:缘起,挑战与机遇(上)

锂离子电池结构示意图(LiCoO2正极和石墨负极)

来源:J.B. Goodenough,K.-S.Park,Journal of the American Chemical Society, 135(2013)1167-1176.

工作原理:电池本身是一个电化学体系,简单来说就是有电荷转移的氧化还原反应。一般氧化还原反应基本是同时在同一位置发生,而对于电池来说,氧化还原反应分别在两个电极上发生,存在一定空间距离,这两个反应也被称为电池的半反应。对于处于放电过程中的电池,阳极(负极)发生氧化反应,阴极(正极)发生还原反应,并根据下面的的半反应方程式可以知道,在放电过程中电池的负极失去电子和离子,而在电池正极得到电子和离子。

化学电池行业深度报告:缘起,挑战与机遇(上)

锂离子电池工作原理

来源:Scale Partners收集整理

2.电池诞生与演进

电池诞生的驱动本源:人类经济社会的发展提升对能量的需求,电能作为转化各类能量的中间载体被推广普及,使用电池存储和利用电能成为必然。

  • 电能主要由一次能源驱动电磁感应发电机组产生(除太阳能发电的光伏电池技术和燃料电池发外),使用时再通过各类电器设备转为其他形式的能量加以利用。因此电能作为转化各类能量的中间载体,随着人类活动对能量的需求提升而被推广普及。

  • 电能主要有三大类存储模式,除化学能存储(电池)外还包括电磁能存储、机械能存储。电池因高效,便携、低成本等特点,应用最广泛。

  • 电池演进过程:整体演进过程遵循认识电→利用电→伴随便携、重复使用的需求升级换代。

化学电池行业深度报告:缘起,挑战与机遇(上)

三、电池进化的推动力

需求端:生产力进步提升了能量总量需求,电气化渗透率加深丰富了能量使用场景,合力推动电池性能、使用便捷度性的不断升级。

供给端:电池作为一个工艺产品,其性能主要受基本原材料与制造工艺影响。

(1)材料:原材料的演进基于电化学原理,主要为渐进式革新模式,是由“量变”到“质变”的过程。

  • 质变:破坏式创新,在电池的演进过程中,科学家以元素周期表为基础,挑选理论性能较好的元素开展了大量的材料组合实验,以选取综合性能最优的材料。例如,在锂元素应用之前,历史上经历了从银锌电池、铜锌电池、铅酸电池、锌锰电池、镍类电池(镍镉电池、镍铁电池和镍氢电池)等过程,最终形成目前的锂离子电池体系。

  • 量变:渐进式创新,在确定的基础技术框架内进行各组件的性能迭代升级,例如锂电体系下,正负极材料以及隔膜、电解液持续优化并互相适配。

  • (2)生产制造工艺:制造工艺的创新是在原材料基础上进行的框架式革新,即在特定的基础材料限定下,进行诸如工艺优化,电池内部结构优化等改进。当基础材料发生颠覆性变革时,针对旧材料的特定制造工艺大概率会被完全取代,产生基于新材料的制造工艺,并与通用性工艺一同构成新一代产品制造架构。

  • 工艺创新:在既有的材料体系下,进行生产工艺的渐进式优化,如三元正极材料由低镍转向高镍过程中,正极材料的煅烧制备、表面涂覆等工艺也随之进步;又例如,在电芯封装过程中,同样的材料,叠片工艺相比于卷绕工艺提升了电芯的性能。

  • 结构创新:由于电池最终以系统的形式在终端应用,因此在电芯既定的情况下,结合实际的应用场景进行系统层面的结构创新也可提升电池性能,如各电池厂商在动力电池场景内进行的无模组结构创新,通过减少电池非发电组件的占比,提升电池整体的能量密度。

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