科尔尼深度报告 | 锂电池技术变革：与“不确定”共舞

近年来，全球电动汽车及新型储能市场突破式爆发，推动锂电池需求快速上升并带动锂电池产业链上下游企业实现飞跃式增长。但是，当前三元锂与磷酸铁锂技术并非终局解决方案，上游原材料供应不稳定导致剧烈的价格波动、中游新电池化学体系技术持续进步、下游应用场景精细分化等因素，将驱动未来锂电池技术的持续变革。

前言

当前锂电池技术非终局解决方案，具有差异化特征的多技术路线同步演进

自20世纪末锂电池商业化以来，技术与产业化不断发展，应用逐步从消费领域拓展至动力、储能等新领域。日益精细分化的下游应用场景，对电池有着不同的性能与成本需求。

动力电池：全球汽车电动化趋势驱动下，动力电池已成为锂电池的关键应用领域，且未来市场需求仍呈现高增长态势。但同时，动力电池的应用需求在不断精细分化，主流中低端乘用车场景追求成本可控条件下更佳的续航里程与充电效率；高端豪华车、越野车、电动航空器等应用领域价格敏感度更低，追求极致的能量密度；低端A00电动车、两轮车等应用场景则追求更低成本的电池解决方案。

储能电池：新能源的电网调峰、峰谷套利等因素驱动储能系统需求呈现爆发式增长，未来市场需求年增速将维持40%以上，是锂电池发展最快的下游应用。储能电池对体积与重量敏感度低但经济性导向明确，追求低成本、高循环寿命的电池解决方案。

按锂电池正极材料分类，目前商业化的动力电池主要是三元锂及磷酸铁锂电池两大技术路线，并沿各自的技术路线升级迭代（如超高镍三元与磷酸锰铁锂等），持续进行成本与性能的综合竞争。同时，在高性能路线方面，由固态电解质搭载能量密度更高的新型正负极形成的固态电池是当前认为最具潜力的发展方向；在高性价比路线方面，因锂资源成本高昂，能量密度较低但成本与高低温性能占优的钠离子电池有望在短期内作为低端替代切入储能应用领域。

成熟路线之争 三元锂更具性能提升空间，但磷酸铁锂

成本相对稳定，仍具中期市场竞争力 

新能源汽车发展初期，磷酸铁锂电池因高安全性、低成本及长循环寿命的特征成为首选。2016年新增电池能量密度作为新能源汽车补贴参考指标后，三元锂电池因高能量密度的优势迅速占据更高的市场份额。近年来，随新能源汽车补贴退坡、磷酸铁锂电池包性能突破及三元锂原材料价格上扬，磷酸铁锂市场占有率反超三元锂电池。未来，性能升级与原材料价格波动，将持续影响三元锂与磷酸铁锂的竞争与市场份额。

01 技术角度，下一代高镍低钴三元锂电池或将在单位续航里程成本上获得优势

目前三元锂电池朝高镍化、低钴化甚至无钴化的技术方向发展，是能量密度与成本双重考量下的选择。高镍低钴可以提升电池的能量密度，降低原材料成本对钴价格的敏感度。电池企业在改善高镍三元体系稳定性的过程中，材料研发、制备工艺及生产设备的沉淀将形成比传统三元材料更高的技术壁垒。

磷酸锰铁锂是磷酸铁锂路线的技术升级方向。磷酸铁锂电作为正极材料，比容量已接近理论上限，磷酸锰铁锂相比磷酸铁锂具有更高的电压平台，理论能量密度可提升20%且低温性能更优，同时保持相较三元锂电池的安全性和成本优势，产业化布局加速。

对比高镍低钴三元锂电池和磷酸锰铁锂电池的成本结构，原材料镍价格成为两者性价比对比的关键影响因素。我们认为短中期内，镍价格有望回落至130元/kg甚至更低水平，驱动高镍三元锂电池的瓦时价格趋近于磷酸锰铁锂电池。

因能量密度高，搭载三元锂电池组电动汽车的电池模块更轻更小，可用更低的功耗驾驶相同的里程，在瓦时成本相同的情境下，三元锂电池的单位续航里程成本更低，将在单位里程成本上逐步形成反超磷酸铁锂电池的价格优势。

02 商业角度，下游客户短中期内仍将主动维持磷酸铁锂采购量以降低成本波动风险

尽管高镍低钴三元锂电池具有单位里程成本优势，但其仍存较高的镍原材料成本与技术发展不确定性，故科尔尼认为，未来短中期内，下游汽车主机厂客户将主动维持磷酸铁锂采购量，以分散单一技术路线依赖导致的大幅成本波动风险。

至2025年，具有成本优势的磷酸铁锂电池将持续回归，并在中国动力电池市场短中期持续与三元锂分庭抗礼，长期市场份额逐步下滑。而海外市场除通过进口中国磷酸铁锂电池弥补需求缺口外，亦在逐步推动部分磷酸铁锂的本地化产能建设。

钠离子电池商业化在即，作为高性价比解决方案适配低端应用

锂电池的爆发式市场需求增长对其供应造成压力，锂资源成本激增。而钠资源储备丰富、成本极具吸引力，将在储能等对电池体积与重量敏感度低的应用场景成为低成本替代方案。

01相比锂离子电池，钠离子电池能量密度较低，但原材料成本与高低温性能更具优势

锂、钠同属碱金属元素，物化性质类似。得益于钠资源丰富、正极原材料价格友好、正负极集流体均可使用更为便宜的铝箔等特点，钠离子电池相较锂离子电池均有显著的降本空间（相比磷酸铁锂电池，钠离子电池成本将继续下探20~30%，趋近铅酸电池0.3-0.5元/Wh）。

从能量密度看，钠离子电池能量密度集中分布在80-140Wh/kg，宁德时代公布第一代钠离子电池单体能量密度为160Wh/kg，二代产品将提升至200Wh/kg，远高于传统低端铅酸电池，趋近低性能磷酸铁锂电池。从安全性看，钠电热失控风险低，比锂电更为安全；从高低温性能看，钠电可以在-70~100℃的温度范围内工作，锂电尤其是磷酸铁锂电池仍需解决低温续航大打折扣的问题。从充电倍率看，钠离子溶剂化能更低、斯托克斯直径更小，具有比锂电池更快的充电速度。从循环寿命看，钠离子半径比锂离子电池更大，反应过程中脱嵌更容易损伤电极结构，循环性能介于锂电池和铅酸电池之间。

鉴于钠离子电池可预期的成本优势明显，但能量密度天花板偏低，将在低成本、低能量密度需求的细分场景中率先应用，进入铅酸电池、磷酸铁锂电池主导的储能、两轮电动车、A00低端电动车等领域。预测2025年钠电池市场规模可达17GWh，并持续提高渗透率，至2030年替换铅酸电池70~80%及磷酸铁锂20~30%合计约140GWh的市场需求。

02 钠离子电池三种技术路线并行发展，分别适配不同细分下游应用场景

钠离子电池有层状金属氧化物、聚阴离子化合物及普鲁士蓝类化合物三种主流技术路线，各有利弊，预期分别适配不同的下游应用场景，并行发展。

✦  层状氧化物

与锂电三元正极工艺类似，产业化速度相对领先。在关键指标上，比容量高、倍率性能好，综合性能优异。但结构容易变化、空气稳定性不佳导致稳定性亟待提升。在技术上可通过掺杂及包覆改性，预期Na-Cu-Fe-Mn路线可凭借成本优势率先量产。未来更适合A00级电动车、两轮车等低端动力和对循环次数要求不高的家用储能。

✦  聚阴离子化合物

稳定性好，同时可预期成本具有显著优势。但电导率较差，在技术上需要包覆和纳米化改性，这也会折损能量密度。研判未来适合稳定性要求高且成本敏感的大型储能场景。

✦  普鲁士蓝类化合物

理论比容量高，但制备工艺尚不成熟。从材料结构看，具有开放的钠离子传输通道的普鲁士蓝类化合物理论性能好，但因空位缺陷和结晶水等问题导致在实际应用中容量、倍率、库伦效率及循环寿命不佳，需要解决制备工艺的难题产业化进度较缓慢；未来将发挥其相对性能优势竞争A00级电动车、两轮车等场景。

总结而言，钠离子电池性能全面优于低端应用领域的铅酸电池，与锂电池对比，其能量密度和循环寿命存在差距但成本优势显著；未来将全面替代铅酸电池低端应用，并在低端动力电池和储能电池领域与锂电池错位竞争。

固态电池 具备性能飞跃想象空间，技术实现仍需长期探索

当前成熟锂离子电池能量密度提升空间有限：液态高镍三元锂离子电芯能量密度上限预估为350-400Wh/kg，且高镍低钴的稳定性问题悬而未决，安全隐患增加；安全性更好的下一代磷酸锰铁锂电池技术路线能量密度上限较低，估测仅为250Wh/kg。

进一步提升性能需要研发新一代电池技术，固态电池体系具有高电化学窗口，可兼容高压正极材料，且固态电解质能抑制锂枝晶生长匹配高容量的锂金属负极，理论能量密度可高达>1000Wh/kg，已成为行业长期追求的下一代技术。

01 新兴高能量密度正负极：多技术解决方案竞争发展

2022年，中国科学院院士清华大学教授欧阳明高在世界动力电池大会上指出，“未来十年电池体系还会经历三次技术变革，2035年前一定会规模生产能量密度为500 Wh/kg的下一代电池。”其中富锂锰基、锂硫与锂空正负极体系是未来电池技术的热门选手。

✦  富锂锰基体系

富锂锰基一种层状结构的锂离子正极材料，是富锂锰酸锂与层状锂金属氧化物混排形成的超晶格结构，因高容量、低成本的优势得到关注。富锂锰基理论比容量超300mAh/g，有望突破传统锂电池体系350Wh/kg的瓶颈。同时以锰作为主要的过渡元素，无钴低镍，可预期成本低于三元锂接近磷酸铁锂电池。但实际应用中存在首圈库伦效率低、电压衰减严重、循环性能差、倍率性能差等问题， 经多年研究仍未找到优化的解决方案，尚待进一步突破。

✦  锂硫体系

以硫或其化合物为正极、以金属锂作为负极的电池体系，具有超高理论容量密度和成本低廉的优势。不同于通过锂嵌入工作的锂离子电池，锂硫电池通过锂多步转化工作，比容量显著提升，理论能量密度为2600Wh/kg，预期初步商业化产品的能量密度可以突破600Wh/kg。因硫储量丰富价格低廉，锂硫电池具有显著的成本优势。但循环稳定性及安全性尚不满足应用要求，需要抑制多硫穿梭降低电极活性材料的不可逆损失，提升电池循环性能与库伦效率；改善硫正极的导电性提高倍率性能；降低体积膨胀率，提升结构稳定改善循环寿命。因使用锂金属同样有锂枝晶的安全隐患，这也导致锂硫电池产业化进度同固态电池高度相关。目前技术上已有很多进展，LG研发处于前列，但距商业化落地仍有距离。

✦  锂空体系

以空气为正极、金属锂为负极的开放电池体系，空气中的氧气或二氧化碳在正极侧作为活性物质被催化参与反应。锂空气电池理论能量密度高达3500Wh/kg，具有二次电池中最高比容量，预期实用能量密度可达500-900Wh/kg，商业化应用需要解决循环寿命、实用容量、倍率性能的关键挑战，寻找价格低廉且高效的催化剂。面对传统液态锂空电池中有机溶剂挥发燃烧分解、正极副产物累积以及锂金属负极粉化问题，开发固态锂空气电池成为可行路径。锂空电池有望成为远期高能量密度的动力方案，但目前仍处于理论探索阶段，需要攻克诸多技术难点。

锂硫电池、锂空电池在能量密度这一关键性能上具有更高的想象空间，是未来固态电池发展的重要电化学体系，但新体系的研发产业化仍存在很大的不确定性，核心技术难点是否能突破也将直接影响未来市场格局。

02 固态电解质：高能量密度正负极的安全性保障，氧化物与硫化物技术路线持续竞争

传统锂离子电池使用的液态电解质在搭配更高性能正负极材料（如纯锂金属负极）时，易生成锂枝晶导致意外短路，引发热失控甚至导致自燃爆炸，因此热稳定性高的固态电解质可兼容高压正极材料、抑制锂枝晶生长以匹配高容量的锂金属负极。

当前主流固态电解质技术路线可按电解质材料体系划分聚合物、氧化物和硫化物三种。由液态电解液、聚合物与氧化物复合固态电解质组合的半固态过渡体系商业化进度较快，但高性能正负极承载能力有限，主要用于高安全性应用场景。而氧化物与硫化物全固态电解质是普遍追求的固态电解质终局解决方案。

✦  聚合物电解质

柔韧性好易于加工，与现有锂电池制备方式相近，工艺兼容性高，可实现规模化量产，是最早商业应用的固态电解质。但常温下离子电导率低，当加热至60℃的高温时才能将电导率提升至10-3 S/cm，同时低机械强度对锂枝晶的抑制作用差、电化学窗口窄也削弱了固态电池高能量密度的优势。故单纯聚合物电解质路线已基本出局，目前与氧化物固态电解质混合用于半固态电池。

✦  氧化物电解质

热稳定性好，室温离子电导率可达10-5~10-4S/cm，经掺杂改性可提升至10-3S/cm，电化学窗口高可匹配高压正极材料。但氧化物电解质机械强度高，与电极材料接触差，孔隙率高，导致界面阻抗过大，且质地脆不易加工。由于氧化物固态电解质综合性能好、制备难度居中，是发展最快的固态电解质路线，欧美、中国均已布局，国内企业正在推动以氧化物固态电解质为基础的固液混合电池产品落地，有望在3年内率先量产。

✦  硫化物电解质

离子电导率高达10-3~10-2S/cm，可媲美液态电解质，同时具备良好的机械强度与柔性，界面接触好。但化学活性强，与高压正极材料与锂金属负极兼容性差，同时容易与空气中的水分反应生成剧毒气体硫化氢。综合来看，硫化物电解质是最具潜力的发展路线，中美日韩均有布局，但诸多的技术难点仍需5-7年突破。

03 固态综合体系：固态电池技术是体系化革新，需要面对主材本身与主材间匹配的诸多挑战

除上述固态电解质与新型正负极材料本身的体系变化外，固态电解质本身仍是体系化工程，亦需要解决各主材本身与主材间的界面问题，改善正负极和电解质的兼容性，缓解循环过程应力变化导致的性能衰减。

✦  固态电解质

固态电解质的晶界会导致离子的不均传输，与体相的离子电阻、电子电阻性能差异可能阻碍离子传输或促进锂枝晶生长。固态电解质可能与正极反应生成高阻抗界面，锂的低电化学势会引起固态电解质失效，形成离子电导率差的中间相，阻碍离子传输增加阻抗。除性能外，高昂的制备成本也限制了固态电解质规模化应用。

✦  正极材料

正极材料活性物质与固态电解质的不充分接触会对倍率性能及循环性能造成负面影响，在活性物质负载量高的高能量密度正极材料中更为明显。固态电解质占比少导致离子传输难度增大，限制了倍率性能。循环过程中体积变化也会导致裂缝和孔隙的生成，破坏既有的导电通道，导致不可逆的容量衰减。

✦  负极材料

以锂金属负极为例，充放电过程中锂的沉积溶解会导致明显的体积变化，导致SEI膜不可控和界面脱触问题。同时，充电过程中锂离子的不均匀沉积仍会产生锂枝晶造成短路，导致电池失效，在半固态电池体系中仍有自燃爆炸的风险。

✦  界面

从物理接触看，相较液态电池固液接触良好的浸润性，固固接触的接触面积较小界面阻抗高，引发应力堆积问题，导致性能衰减。从化学接触看，电化学势不匹配的正负极都可能与固态电解质自发发生化学反应，正极侧固态电解质可能被氧化阻碍阻碍离子传输，增大界面电阻，负极侧通常会生成同时导电子和离子的界面，电解质被持续消耗导致电池失效。

✦  包装

固态电池界面的良好接触依赖较高的外部压力，这也对电芯的结构设计提出全新挑战。

04 产业化道路任重道远，过渡性半固态解决方案有望短期内推出

固态电池产业化任重道远，技术层面，攻克性能优异且可规模化制备的固态电解质材料的同时，仍需构建兼容性良好的电池体系。商业化层面，苛刻的制备条件极大概率需要重新研发配套量产设备，新材料体系的导入将重构产业链以及关键材料价格等因素，也将影响产品性能、一致性与价格，决定固态电池的市场份额。

截至目前，固态电池在全球范围内均未进入到量产阶段，国内企业计划推出半固态电池作为过渡方案，分步迈向全固态电池的终局（如宁德时代宣传推出的凝聚态电池）。半固态电池仍保留隔膜结构与少量电解液，液体电解质质量占比10%以下，平衡安全性和电解质导电性。

结合电池主材发展速度，我们认为固态电池演进将分为三个阶段：

短期（-2025年）：有望实现半固态，用过渡的半固态电解质替代纯液态电解液，搭配主流的高镍三元或四元正极材料及硅碳负极，确保安全性的前提下将能量密度提升至300Wh/kg

中期（2028-30年）：有望实现全固态，待技术验证成熟切换至全固态，负极可选择金属锂负极，兼顾能量密度、安全性和循环寿命，预期高镍三元/硅碳全固态锂电池能量密度可达400~500Wh/kg，高镍三元/锂金属全固态电池能量密度突破500Wh/kg。

长期（2030-35年）：有望实现全固态匹配高能量正负极，例如锂硫电池、锂空电池，博取大于1000Wh/kg的超高能量密度。

技术趋势总结 短期内多技术路线精细分化发展，长期纯固态电池有望实现飞跃式迭代

总体而言，锂电池向着高能量、高安全性、低成本的发展方向，并且随着下游应用方向精细分化，不同技术路线将呈现多元化发展态势。

传统三元锂电池和磷酸铁锂电池的技术升级主要体现在正极材料，三元体系为兼具高能量与低成本，朝高镍化、无钴化、高压化、四元化的方向发展。磷酸铁锂体系在趋近现有工艺的能量上限后，研发更高能量密度的磷酸锰铁锂正极，因其电压平台与三元材料相近，磷酸锰铁锂可与三元材料复合使用融合优势。负极侧短期以石墨为主，硅基负极逐步提升占比。电解质溶质从主流六氟磷酸锂向双三氟甲磺酰亚胺锂等新型锂盐发展。隔膜无显著变化。

钠离子电池处于商业化初期，正极是制约电池性能的核心主材，层状金属氧化物、聚阴离子化合物、普鲁士蓝类化合物三种类型均有企业布局。负极有碳基材料、有机材料、金属氧化物材料、转化及合金化反应材料等，其中碳基材料的技术成熟度最高，硬碳负极因容量优势成为首选。电解质溶质以六氟磷酸钠为主，隔膜相较锂电没有根本性改变。

固态电池的核心在于电解质，短期组合使用液态电解质、氧化物和聚合物复合固态电解质用于半固态电池，氧化物和硫化物全固态电解质路线持续发展，预计5-7年后实现全固态电池商业化。其中半固态电池仍需隔膜，但全固态电池理论上可以复用固态电解质分隔正负极，不用搭载隔膜。未来随着固态电解质技术逐步成熟，可选择更高能量密度的正负极材料，搭载锂硫和锂空体系。

电池产业链企业应建立“开放创新型”研发体系，以在技术变革中抢占先机、获取竞争优势

电池技术的发展伴随着高度不确定性，因此产业链企业在开展研发工作时，将面临资源消耗巨大、技术方向多变、回报周期长等核心挑战；科尔尼认为，构建“开放创新型”的前沿研发体系是有效驾驭技术发展“不确定性”的有效方法，其通常具有四大核心特征：

✦  独立创新定位

区别于传统研发部门的“产品开发”定位，前沿研发体系在组织能力、目标定义与过程把控、项目资源匹配、研发管理模式、考核激励模式等方面均有显著差异化；企业应建立独立的前沿研发组织，匹配以长期技术储备及创新突破能力建设为核心导向的管理体系，并明确对于前沿研发工作的专项资源投入。

✦  生态体系开放

面对前沿创新的巨大资源投入需求与回报不确定性，企业应打造开放生态，突破自有资金和研发能力的边界，撬动更广泛的社会资源。其中最为常见的合作模式为校企合作，撬动高校与科研院所的资源与能力。

✦  技术洞察深入

电池技术发展日新月异，前沿创新组织应具有适时、深入的技术洞察核心能力，以保持对技术前沿发展变化的及时捕捉与灵活应对。 在锂电池及电池材料领域，深入技术洞察应包含不同材料电化学搭配、材料配方、生产工艺、基础理论、仿真模拟、检测平台与方法等多层次。

✦  资源配置聚焦

企业往往面对前沿创新的众多技术方向无所适从，资源投入“平均用力”，最终收效甚微；而卓越的研发体系能有效识别核心技术并实现资源倾斜配置。

前沿研发（Research）不同于下游需求牵引的产品开发（Development），两者在研发方法、研发周期、管理导向等各方面均有显著差异。电池产业链企业应建立 “开放创新型”前沿研发体系，与不确定性共舞，方能在新技术革命推动行业格局剧变时展现技术优势、抢占市场先机。

作者： 

滕勇 博士，科尔尼全球合伙人

王怿恺，科尔尼全球合伙人

梁岳明，科尔尼项目经理

原华 博士，科尔尼咨询顾问