专题

全球新型电池发展趋势及应用场景分析

作者: admin 来源:本翼资本 时间:2021-04-20

[摘要]预计未来3-5年还是以锂离子电池的研究发展为主

一、电池发展史

01.从伏特堆到锂离子电池


1799年,意大利物理学家Alessandro Volta发明了第一款电池(Vlotaic Pile伏特堆),他利用锌片(阳极)和铜片(阴极)以及浸湿盐水的纸片(电解液)制成了电池,以证明了电是可以人为制造出来的。

大约40年后,以为英国化学家John Frederic Daniel通过变换电池形式,解决了伏特堆放电时产生的氢气气泡问题(由于发生化学反应产生了氢气,从而导致电池内部接触不良),此时电池可以达到1V电压。

1850年,法国物理学家Gaston Planté发明了铅酸电池(阳极为铅、阴极为铅氧化物、硫酸溶液为电解质),利用铅不仅仅做到了极低的成本,还能够提供12V的电压,且能够充电循环使用。这类电池被广泛使用,车载蓄电池、早期亚博网址登录不上 等都采用这类电池,截止2014年,全球约售出了4470万块铅酸电池。

1899年,瑞典人Waldemar Jungner发明了镍镉电池(镍为阴极、镉为阳极,采用液体电解液),也就是小时候经常会用到的随身听、四驱车所用的充电电池,为现代电子科技打下了基础。不过这类电池有个巨大的缺点,也就是老一辈人经常会告诉你充电池必须用完才能充电的原因,由于其化学特性的原因,如果未用完电量就充电,会发生“镉中毒”现象,导致电池“记忆”了“最低电量”,导致下次充满电量缩小,所以渐渐就被市场淘汰了。

1950年前后,加拿大工程师Lewis Urry发明了现在非常常见的碱性电池(锌为阳极、镁氧化物为阴极,氢氧化钾为电解液,也就是碱性电池名字来源),就是平时生活中常用的一次性电池,绝大多数都是不可充电的,当然也有特殊设计的碱性电池能够充电,甚至还能够通过按压电池表面显示当前电量。全球售出超过100亿颗。

1989年,第一款商业镍氢电池问世(阳极为金属氢化物或储氢合金、阴极为氢氧化镍),耗时超过20年研发,由戴姆勒-奔驰和德国大众赞助。通过新的配方,镍氢电池相较于镍镉电池提高了能量密度,并且污染减少。更重要的一点,镍氢电池没有“记忆效应”,所以不必像镍镉电池一样担心使用问题。除了大量被使用于数码产品之外,还被早期的丰田Prius混动车所采用。

1991年,索尼公司推出了第一款商业锂离子电池(阳极为石墨,阴极为锂化合物,电极液为锂盐溶于有机溶剂),由于锂电池的高能量密度和配方不同能够适应不同使用环境的特点,被现在广泛使用。



图一:电池发展时间线
(资料来源:公开资料,本翼资本整理)

上述多种电池历经近200年的发展才走到锂电池阶段,其目的就是为了更为轻便、小巧、能量更高,锂离子电池在能量密度、循环寿命方面以及高、低温性能显著的提升,弥补了其他二次电池在消费电池领域的痛点。



表一:二次电池性能对比
(资料来源:公开资料,本翼资本整理)

近年来,随着对可再生能源利用的巨大需求和对环境污染问题的日益关注,二次电池(又称可充电电池或蓄电池)这种能够将其他形式能量转换成的电能预先以化学能的形式存储下来的储能技术,在新一轮能源变革中迎来新的发展机遇。

02.锂离子电池的前世今生


锂离子电池于二十世纪七十年代在欧洲开启研究,1991年在日本实现商业化,目前,全球锂离子电池的生产制造规模达到了空前水平,2019年的诺贝尔化学奖给予了锂离子电池极高的肯定。

能够可逆循环的锂离子电池正极材料有锰酸锂、钛酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂等一系列三元衍生体。但由于大部分能量性能相对较低,三元锂电池和磷酸铁锂电池相对其他种类有较大优势,是动力电池的良好选择。



图二:锂离子电池的分类
(资料来源:公开资料,本翼资本整理)

(1)钴酸锂电池:高比能量使钴酸锂成为手机,笔记本电脑和数码相机的热门选择。钴酸锂的缺点是寿命相对较短,热稳定性低和负载能力有限。钴酸锂采用石墨负极,其循环寿命主要受到固体电解质界面(SEI)的限制,主要表现在SEI膜的逐渐增厚,和快速充电或者低温充电过程的负极镀锂问题。

(2)锰酸锂电池:锰酸锂的功率大但是容量小,容量大约比钴酸锂低三分之一。同时远比钴酸锂电池更安全,通常与锂镍锰钴氧化物(NMC)混合,以提高比能量并延长寿命。

(3)钛酸锂电池:钛酸锂的标称电池电压为2.40V,可以快速充电,并提供10C的高放电电流。循环次数高于常规锂离子电池的循环次数。钛酸锂是安全的,具有出色的低温放电特性。

(4)镍钴锰酸锂电池(NCM):最成功的锂离子体系之一是镍锰钴的正极组合。与锰酸锂类似,这个体系可以定制用作能量电池或功率电池。NMC是电动工具,电动自行车和其他电动动力系统的首选电池。镍基系统比钴基电池具有更高的能量密度,更低的成本和更长的循环寿命,但是它们的电压略低。

(5)镍钴铝酸锂电池(NCA):NCA是锂镍氧化物的进一步发展,加入铝赋予电池更好的化学稳定性。高能量密度以及良好的使用寿命使NCA成为EV动力系统的候选者。高成本和低安全性却有负面的影响。

(6)磷酸铁锂电池:磷酸锂具有良好的电化学性能和低电阻。这是通过纳米级磷酸盐阴极材料实现的。主要优点是高额定电流和长循环寿命;良好的热稳定性,增强了安全性和过充承受能力。磷酸锂具有比其他锂离子电池更高的自放电,这可能会引起老化进而带来均衡问题。



表二:锂离子电池性能对比
(资料来源:公开资料,本翼资本整理)

二、新型金属电池技术发展

01. 锂离子电池的进一步发展


1991年索尼推出第一款商业液态锂离子电池后,液态锂离子电池进入快速发展阶段。处于对更高能量密度和更高安全性的追求,各国都在加紧对新型电池技术的研发以期占领技术高地。动力电池作为锂电池最大的应用场景,2020年中国车用动力电池出货量为80GWh,同比增长12.7%,占中国锂电池市场56%的份额,远超其他应用终端。锂电池虽为目前最佳选择,但能量密度其实已经接近极限,所以对于液态电解质的锂离子电池的改进主要集中在提高电池空间利用率和降低成本上,其中对于三元锂离子电池,还要集中处理热失控引起的爆炸问题。

1.1 三元锂电池热失控问题改进

三元电池由于密度更高,热稳定性相对差,某些极端环境下容易发生热失控起火,成为电池企业安全技术必须迈过的一道坎。所以在动力电池安全技术开发上,车企和主流电池企业开始将目标集中投向“三元电池系统不起火”。

宁德时代:2020年10月,宁德时代表示已开发出“只冒烟不起火”三元电池,通过高安全电解液、热扩上隔离技术,直击高能量密度、高安全性的痛点,可以确保电池包不燃烧,即便一个电芯起火,整个电池包只冒烟。

蜂巢能源:2020年12月,蜂巢能源在其电池日上对外发布了热失控系统性解决方案——冷蜂,通过材料、电芯、电池包、监控系统四大层级的原创技术彻底解决电池系统的热失控问题。

广汽埃安:3月10日,广汽埃安发布新一代动力电池安全技术——弹匣电池系统安全技术,搭载该技术的电池包成功通过针刺热扩散试验,实现三元锂电池整包针刺“不起火”。弹匣电池从电芯、系统、散热、BMS各个层级,打造三元电池包的安全、高效保护。弹匣电池相对于同类普通电池,体积能量密度提升9.4%,重量能量密度提升5.7%,成本下降10%。根据计划,弹匣电池今年将在广汽埃安全系列车型上陆续搭载。

领湃新能源:3月12日,领湃新能源“四个零战略”,即零风险、零衰减、零焦虑、零误差。其中,打造“零风险、高安全”电池被放在首要位置。领湃新能源将从材料、电极、电芯、系统等多个维度进行创新设计与研发,颠覆原始设计,杜绝热失控,实现零风险、高安全电池。

欣旺达:欣旺达宣布公司成功研发“只冒烟不起火”电池包,并可通过“加热触发电芯热失控实验”,即单个电芯在被触发发生热失控之后,整个电池包只冒烟不起火。

岚图汽车:3月17日,东风旗下岚图汽车在线举办三元锂电池安全技术分享会,三元电池在热失控触发并发出热事件报警信号后,无冒烟、无起火、无爆炸现象发生。

1.2 无模组化电池通过提高空间利用率提升能量密度

模组主要是单体电芯通过串并联方式,加保护线路板及外壳后,构成能够直接供电的组合体,是单体电芯与PACK的中间产品。模组导致电池包成组效率降低和成本增加、重量增加、成组效率低带来系统能量密度低。模组与PACK材料在动力电池系统的成本占比超过20%。无模组化精简模组与PACK端结构,减重降本效果显著。

宁德时代推出CTP技术,有望提升能量密度并降低成本。CTP技术注重电池包轻量化设计,提升能量密度并降低成本。高工锂电数据显示,宁德时代CTP电池包体积利用率提高了15%-20%,电池包零部件数量减少40%,生产效率提升了50%,电池包能量密度提升了10%-15%,可达到200Wh/kg以上,大幅降低动力电池的制造成本。

比亚迪推出刀片电池,具备高体积能量密度与高安全性。刀片电池是比亚迪提出的无模组化电池包方案。刀片电池的实质是省略了电芯-模组的步骤,省去了横梁、纵梁以及螺栓等结构件,将电池包壳体内部的空间利用率由原来的40%-50%提升到60%-80%。根据高工锂电数据,在电芯制备过程的良率和一致性达到稳定状态后,生产成本相比传统磷酸铁锂电池包预计下降30%。

1.3 掺硅补锂:硅负极的应用难度大,补锂的安全与技术成熟度是瓶颈

掺硅和补锂是两个技术,负极掺硅是为了提升能量密度,补锂则是为了提升循环寿命。他们都有助于提升动力电池性能,在较高能量密度的产品上,已经广泛应用。

掺硅:硅基负极材料的理论克容量是4200mAh/g,是石墨负极10倍有余。以现在技术水平,要将电池做到300Wh/kg,硅基负极是必不可少的。硅负极充放电膨胀可达300%左右,而普通石墨仅为10%左右。硅和石墨在充电嵌锂的时候膨胀状态不一致,电芯膨胀收缩的次数多了,结构就会坍塌,锂就没法进出了。也就是说采用硅后,虽然克容量提升了,但是循环寿命却缩短了。因此,实际应用中的硅负极材料,硅含量都非常低。采用纳米硅以后,电池能量密度可以提升5%-10%。整体来看,硅基负极制备工艺复杂,无标准化工艺,技术壁垒高,难度主要在于硅材料纳米化及与硅碳复合材料的制备工艺,属于各企业的核心技术。

补锂:一般来说,锂离子电池首次充电时,会造成大量锂损耗,且是不可逆的。为了保障电池的容量,就需要把损失的锂补回来一些,这种技术就是补锂,也叫预锂,目的是补偿锂损耗,延长循环寿命,从而达到减缓衰减的作用。研究发现,现有的石墨材料有5%~10%的首次不可逆锂损耗,而对于高容量负极材料,首次锂损耗甚至更高;硅的不可逆容量损失达15%~35%。补锂技术包括正极补锂、负极补锂和利用金属锂粉预锂化,补锂技术安全性与技术成熟度都很低,产业化难度很大。

不过,目前很多企业都官宣掺硅补锂技术可以看出,两种技术的产业化难点应该得到一定程度上的解决。或许近两年内,采用掺硅补锂技术的电池产品将会大规模上市,同时也是300Wh/kg电池产品的普及阶段。

1.4 固态电池

固态锂电池与传统锂电池最大的不同在于电解质,传统锂电池采用隔膜+电解液中间含有液态物质,而固态电池则是用固体电解质。相比传统锂电池,固态锂电池的安全性更好,能量密度更高。目前已经在使用或接近商用的固态电池的电解质有:聚合物、硫化物和氧化物三种,其中氧化物电解质性能最优。氧化物和硫化物电解质的固态电池能量密度高于采用相同正负极材料的传统锂电池。



图三:传统液态锂离子电池于固态电池结构区别
(资料来源:左图:Polymer Electrolytes for Lithium Polymer Batteries.右图:Fast Charging Lithium Batteries: Recent Progress and Future Prospects.,本翼资本整理)

氧化物电解质的稳定性好,循环寿命长(可达1000次)以上,能量密度较高,倍率性能较好,同时成本较低。主要缺陷是界面接触问题尚未完美解决。氧化物电解质比较适合动力电池,其制造工艺和改性水平也在稳步提升。氧化物固态电池电解质物料价格低廉且电芯易组装,封装成本低。只要解决氧化物电解质大规模量产的技术问题,固态电池的量产成本可以与液态电池相媲美。

1.5 分析

由于锂元素特性的限制,目前锂离子电池的能量密度已接近极限,现有研究的主要成果是无模组化(CTP技术和刀片电池)、掺硅补锂和固态电池。随着人们对里程焦虑的缓解,磷酸铁锂电池的市场份额会逐渐增加,高端车仍会使用三元锂电池保证高续航里程。



表三:传统锂离子电池与新技术对比
(资料来源:公开资料,本翼资本整理)

通过研究发现在储能技术方面,研究人员都在寻求效用、成本、安全性和应用场景这四个层面的最优解。能量密度(≥260表三标红)、循环寿命(≥1500表三标红)都是效用问题,安全性问题包括爆炸和易损问题,成本问题不只考虑电池本身的成本,还要考虑环境成本,如铅酸电池对环境污染太大。①当电池储能效用不足、安全性较高而成本较低时,可以应用在对移动性、便携性要求较低的场景,例如5G基站、家庭/工业储能、数据中心等;或者应用在对能量密度要求不高的场景,例如电动自行车、低速亚博网址登录不上 、公共汽车、电动船舶等。②当电池储能效用好、安全性较高但成本高时,可应用在对移动性便携性要求较高的场所,例如手机、汽车、机器人等,③当储能效用和安全性极高,但是成本也极高时,可以应用在航空航天领域。

锂离子电池作为目前世界上市场容量占比最高的电池,在新能源动力汽车和储能领域都有很大的应用,但因为三元锂电池的安全问题以及磷酸铁锂电池的能量密度不高,所以在传统的锂离子电池基础上,很多公司对其结构进行了改进。同时由于锂电池的资源以及分布不均的限制,仅靠锂离子电池这一项储能技术并不能全面改变传统能源结构,难以同时支撑起电动汽车和电网储能两大产业的发展,因此研究以非锂金属或其他原料为材料的新型电池也成为各国竞争焦点。

02. 钠离子电池成本优势明显,有望在储能领域应用


在研究历程上,钠离子电池和锂离子电池的技术路线有着几乎同步的起点,但是上世纪九十年代锂离子电池商用化的顺利进行反向抑制了钠离子电池技术路线的发展。随着研究的不断深入,研究者发现钠离子电池不仅具有钠资源储量丰富、分布广泛、成本低廉、无发展瓶颈、环境友好和兼容锂离子电池现有生产设备的优势,还具有较好的功率特性、宽温度范围适应性、安全性能和无过放电问题等优势。且钠离子原理跟锂电池完全一样,工艺也基本一样,只是金属元素性质上存在一些差别,因此钠离子电池成为一个顺理成章的替代选择。



表四:钠离子电池与锂离子电池电池技术对比
(资料来源:公开资料,本翼资本整理)

中科海钠的唐堃表示,在2016年左右,找到了一款可以商业化的低成本的钠离子电池,其中包括了正极材料、负极材料和电解液组成的完整的电池体系,并已经开始在商业化路线探索。经过世界各研究组的共同努力,钠离子电池在电极材料、电解质材料、表征分析、储钠机制探索和电芯技术等方面不断取得突破,钠离子电池相关文章的发表数量迅速增加,专利的申请数目逐年递增。美国、欧盟都公布相关政策,明确钠离子电池发展的重要地位,钠离子电池已成为世界各国竞相发展的储能技术。

钠离子电池不仅能够在构建能源互联网中发挥重要作用,满足新能源领域低成本、长寿命和高安全性能等要求,还能够在一定程度上缓解由于锂资源短缺引发的储能电池发展受限问题,是锂离子电池的有益补充,同时可逐步替代环境污染严重的铅酸电池,推动我国清洁能源技术应用迈向新台阶,为我国能源安全和社会可持续发展提供保障。

钠离子电池能量密度不如锂离子电池,但是安全性强,高低温性能好,适用于对便携性、移动性要求低的场所,例如:5G基站、家庭/工业储能、数据中心等,或者应用于对能量密度要求不高的电动自行车、低速亚博网址登录不上 、公共汽车、电动船舶等场景。

03. 钾离子电池研究处于起步阶段,短期无法技术突破


钾离子电池由于其低成本、高能量密度,电解液中快的离子传导性以及高的工作电压近年来引起了极大的关注。



图四:钾离子电池特性及不足
(资料来源:Approaching high-performance potassium-ion batteries via advanced design strategies and engineering Wenchao Zhang, Yajie Liu, Zaiping Guo, Science Advances 10 May 2019, Vol. 5, no. 5, eaav7412,本翼资本整理)

不足:在循环过程中,固体电极中的离子扩散性差可能导致反应动力学迟缓,这会影响电池的离子迁移和速率。此外,循环过程中的大体积变化可能会损坏电极的完整性并导致粉碎,这可能导致由于在新产生的固体电解质界面(SEI)层的形成而导致的进一步严重的副反应。就金属电极而言,由于不均匀的电子分布会加速副反应,这将导致枝晶生长并因此进一步导致SEI的破裂。SEI层将在电极表面上不断的连续形成从而消耗电解质,增加反应过程中的极化,并最终导致容量衰减。

对钾离子电池的研究仍处于起步阶段,仍需进一步探索合适的电极材料和发展钾离子电池技术至关重要。钾离子电池成本低,但是能量密度不足以支撑新能源亚博网址登录不上 运行,和钠离子电池类似,可以应用在低速亚博网址登录不上 和规模储能等场景中。

04. 金属空气电池


金属-空气电池是以电极电位较负的金属如镁、铝、锂等作负极,以空气中的氧或纯氧作正极的电池。

4.1 锂空气电池潜力巨大,在新能源、储能以及航天军事领域有广泛的应用价值

锂空气电池是一种非常有潜力的高比容量电池技术,理论能量密度高达11680Wh/kg,是现有的可充电电池体系中最高的,远超过锂电池目前200+Wh/kg的实际能量密度,因此得到了学术界和工业界的热捧,被广泛认为是一项电池领域中未来的颠覆技术。

尽管锂-空气电池具有最高的理论能量密度,但目前存在诸多的问题,如循环寿命、倍率性能、环境适应性等限制了其实用化进程,暂时还无法实用化。国际上对锂空气电池的研究已经实现了锂空气电池的可逆反应、在密闭的空气环境下运行、实现了产物由过氧化锂到氧化锂的转变。

可以预见,随着锂-空气电池研究的深入与发展,将会推动其性能不断提高,并推进其实用化进程。如此高的理论容量密度使得锂空气电池不仅在新能源汽车领域、储能领域非常具有吸引力,在航天、军事、移动电子等也存在广泛的应用价值。

4.2 锌空气电池能量密度高,但技术突破困难

锌空气电池是利用活性炭吸附空气中的氧气或者纯氧作为正极的活性物质,以金属锌作为电池负极,以氯化铵或碱性溶液作为电解质。锌空气电池能量密度高(1350Wh/kg),目前实际利用可以达到300-400Wh/kg。锌原材料丰富,成本低,是除铁外价格最低的金属,此外锌空气电池还具有放电电压平稳、安全性好、环境友好、质量轻、循环稳定性高等优点。虽然一次碱性锌空电池已经实现商业化,成功应用于医疗和通信应用领域,如微型助听器和无线信息传递装置。

然而,电化学可逆的可充电锌空电池由于面临诸多挑战,目前仍处于实验室研发阶段。

从电池化学的角度来看,强碱性电解质是阻碍可充电锌空电池商业化进程的关键。2021年新发的Science发明了高度电化学可逆的非碱性锌空电池。为了打破碱性电解质对锌空电池的束缚,该项突破性工作为后续研发高可逆的二次金属空气电池提供了新的理解和研究思路,但锌空电池仍存在很多问题没有解决,如充放电效率低(该工作一个充放电周期的时间长达20个小时)、充放电过程中枝晶的析出与生长、电池的发热问题。

锌空气电池由于其高能量密度、环境友好等优点而成为下一代最有希望的新能源电池,由于低成本与安全性好的优势可能应用在对移动性、便携性要求不高的场所(5G基站、家庭/工业储能、数据中心等)。

05. 氢燃料电池技术有产业性突破,前景光大
金属离子电池与金属空气电池的能量密度有限,充电时间长,与燃油车有很大差距。氢燃料电池基础能量密度是汽油的3倍,能量密度是锂离子电池的100多倍,加氢时间仅需几分钟,且绿色清洁,被誉为“21世纪的终极能源”。



表五:氢燃料电池与锂离子电池对比
(资料来源:公开资料,本翼资本整理)

当前氢的储存分为高压气态储氢、低温液态储氢、化学储氢及吸附储氢等多种方式。液氢作为最有潜力的一种储运方式,液态氢的密度是气氢的780倍,使得氢可以高效地储存和运输。在欧、美、日等地区和国家,液氢技术的发展已经相对成熟,液氢储运等环节已进入规模化应用阶段,而我国由于液氢技术仍处于起步阶段,氢液化系统核心设备仍然依赖进口,主要应用于航天领域,且产能较低、成本过高,民用领域应用仍处于空白状态,仅在西昌、文昌航天101所有4台液化系统。

目前国内多个氢能示范城市在相关发展规划中明确了未来燃料电池汽车推广的阶段性目标。氢能产业已成为我国能源战略布局的重要组成部分。《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》指出,要有序推进氢燃料电池供给体系建设,包括提高氢燃料制储运经济性和推进加氢基础设施建设。

根据国际氢能委员会预计,到2050年,氢能将承担全球18%的能源终端需求,创造超过2.5万亿美元的市场价值,燃料电池汽车将占据全球车辆的20%-25%,届时将成为与汽油、柴油并列的终端能源体系消费主体。根据中国石油勘探开发研究院的预测,2050年液氢将占所有储氢方式的45%。液氢技术将有力促进我国氢能产业的可持续发展。对氢燃料电池汽车来说,液氢的进场极有可能促进全产业链降本,是当前阶段难得的重大利好。

当前氢的储存分为高压气态储氢、低温液态储氢、化学储氢及吸附储氢等多种方式。液氢作为最有潜力的一种储运方式,液态氢的密度是气氢的780倍,使得氢可以高效地储存和运输。在欧、美、日等地区和国家,液氢技术的发展已经相对成熟,液氢储运等环节已进入规模化应用阶段,而我国由于液氢技术仍处于起步阶段,氢液化系统核心设备仍然依赖进口,主要应用于航天领域,且产能较低、成本过高,民用领域应用仍处于空白状态,仅在西昌、文昌航天101所有4台液化系统。

据中国科学院院士欧阳明高在中关村氢能与燃料电池技术创新产业联盟成立大会的报告,中国车用燃料电池技术近年来取得产业化突破,2020年各种技术指标大幅度提高,安全技术提高了300%。而且与过去十年比的锂离子电池下降成本过程相似,燃料电池发动机成本在今后十年会大幅度下降,进入一个快速下降的区间,但尽管如此,短期内氢燃料电池汽车的成本跟新能源电车比较仍不具竞争力,因此氢能源燃料汽车虽然潜力巨大但短期内只能作为新能源亚博网址登录不上 的补充,在储能领域的应用会更广泛;在长期为达到碳中和的要求,随着关键技术的突破和产业链规模化,燃料电池会成为大趋势。

06. 核电池成本极高,不适用于民用领域


核电池有很多种,都是利用放射性同位素的衰变来发电(并非反应堆),但航天器上用的主要是钚238核热电池,它的原理很简单:芯部的钚238衰变产生热量,通过换能器也就是热电转换器件,利用温差将热能转化为电能,所以也叫同位素温差电机RTG。



图五:RTG示意图
(资料来源:硬核小螺号公众号,本翼资本整理)

放射性同位素在衰变过程中,会持续不断的放出具有热能的射线。利用半导体换能器将热能转换为电能的装置即为核电池。以原子自然衰变释放的能量为动力。

核电池按放射性元素的不同可分为高电压型和低电压型。高电压型应用在航天与军事用途上。低电压型体积可以制造的很小,通常在医学领域应用。

核电池因为充足的能量超长的寿命,不受外界环境的温度,压力,化学反应,电磁反应等影响持续释放能量的特性,而拥有化学电池不可比拟的优势,只要空间存在,就可以工作的能力,简直是太空飞行的最佳电源。

核电池的优点非常多,但是受限于热能转换材料的性能,只有10%-20%的热能被利用,其余的能量被浪费无法转换。受限于热能转换率,电流有限,如果要提供足够的功率,大体积随即会产生高辐射。但是,在民用领域,核电池的推广和普及有极大的难度。首先是价格问题。电池原料使用的钚,钋等都很难获得,有些甚至需要在核裂变乏材料中提取。价格注定非常昂贵。其次是安全性问题。美苏都发生过电池破裂烧毁丢失的事故。虽然现在的核电池已经做的极度安全,但是一旦出现破裂摔坏,内部的放射性元素会直接暴露在空气中。这会引起民众极大的担忧。

三、分析及结论


锂离子电池是目前市场占比最大的电池。对于锂离子电池的研究发展,很多公司针对三元电池起火的问题提出了解决方案,除此之外,更多的是针对提高能量密度的研究,如无模组化、掺硅补锂、固态电池等;但随着能源革命的推进,由于锂的特性限制(锂离子电池的能量密度将接近极限)及资源限制,锂离子电池可能无法全面改变传统能源结构,难以同时支撑起电动汽车和电网储能两大产业的发展,故对非锂材料新型电池的研究也是各国研究的重点,包括钠离子电池、钾离子电池、金属-空气电池、氢燃料电池、核电池等。在储能技术方面,研究人员都在寻求效用、成本、安全性和应用场景这四个层面的最优解

。对于储能效用好,安全性稍好,成本稍高的电池,可以应用在对便携性移动性要求强的应用场景,例如汽车、机器人等;对于储能效用不那么高、安全性好、成本低的电池,可以应用在对空间、便携性没有限制的应用场景,如5G基站、工业储能;对于储能效用和安全性极高,但是成本也极高的电池,可以应用在航空航天领域。



表六:新型电池技术对比 
(资料来源:公开资料,本翼资本整理)

因为新型电池大多尚在研究阶段,所以很多需要实践才能验证的数据缺失(如成本、安全性等),因此在分析他们的应用场景时,主要聚焦他们的优势维度上。



图六:新型电池及应用场景
(资料来源:公开资料,本翼资本整理)

(1)钠离子电池安全性强,高低温性能好,适用于对便携性、移动性要求低的场所或者应用于对能量密度要求不高的场景;

(2)钾离子电池目前尚处于研究起步阶段,技术突破后可以应用在低速亚博网址登录不上 和规模储能等场景中;

(3)锂空气电池由于其超高的能量密度,被誉为被认为是一个未来可以颠覆电池领域的技术,技术突破后不仅在新能源汽车领域非常具有吸引力,在航天、军事、移动电子等也存在广泛的应用价值;

(4)锌空气电池由于高能量密度,清洁等特性有机会成为下一代新能源电池,由于低成本与安全性好的优势可能应用在对移动性、便携性要求不高的场所;

(5)氢燃料电池的研究目前已经取得产业性突破,预计成本在未来十年也会进入快速下降区间,在新能源汽车领域,氢燃料电池汽车的能效要比纯电动和混动汽车高很多,潜力巨大,长期看可能会成为主流;其次,氢能也是集中式可再生能源大规模长周期储存的最佳途径;

(6)核电池具有能源充足、寿命极长、不受外界环境影响等优势,是太空飞行的最佳能源。但由于其安全性和成本的问题,在民用领域普及推广具有极大难度。

 

 

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