文|經緯創投

最近幾年，隨著電動車普及率大幅提高，動力電池迎來全面爆發時刻。電動車中最重要的零部件非動力電池莫屬，寧德時代、比亞迪、容百科技等多家上市公司大漲，一級市場也頻現巨額融資，甚至最上游的鋰、鈷、鎳等金屬原材料也因需求大而暴漲。

經歷了多年技術革新，動力電池經歷了多條技術路線混戰，最終磷酸鐵鋰和三元勝出，過度依賴政府補貼的電池公司都難再生存，也推動整個行業步入了新的階段。

但動力電池沒有摩爾定律，不會像半導體那樣飛速迭代。動力電池的技術基礎是電化學，元素周期表在100多年前就已經基本定下，它需要通過排列組合不同的化學元素，以及解決一個又一個工程學問題，來漸進式升級迭代。

這種迭代主要分為材料升級和結構革新，其中正極是決定動力電池能量密度的核心。目前的技術格局中，正極材料成熟且優化空間較小，短期突破點聚焦在負極材料上，而對固態電池顛覆式創新的期望，正推動很多冒險者激流勇進。

在材料升級上，正極已形成磷酸鐵鋰和三元材料并行的局面，離理論極限還有空間，這個局面中短期不會改變；負極處于突破期，正在從石墨向硅基演進。

在結構革新上，則是對電芯、模組、封裝方式等改進和精簡，以提升電池的系統性能，例如比亞迪的刀片電池、寧德時代的CTP和特斯拉的4680等等。

其他技術路線：例如鈉離子電池、氫燃料電池等等，各自有優劣勢，可能會覆蓋適合的應用場景。

固態電池的可能性：固態電池相比于液態電池，在能量密度和安全性方面都更好，但這項技術并不容易突破，量產時間越推越久，還有待觀察。

我們在此刻，想結合歷史梳理與對未來的展望，來全面分析動力電池。如今動力電池產業鏈已經形成了專業化程度高、分工明確的產業鏈，鋰、鈷、鎳礦等等在上游，隔膜、電解液、正負極等等廠商在中間（比如做正極的容百科技），匯聚到下游的電池廠（比如寧德時代、比亞迪），以及配套服務商例如電池回收（比如西恩科技）等等。

動力電池是一個長坡厚雪的大賽道。今天，我們這篇文章主要分析動力電池的兩大技術迭代路徑——正負極的材料升級與結構創新，我們會在另一篇中專門分析固態電池。歡迎從業或創業的小伙伴與我們交流，Enjoy：

 

01 第一種升級——用更合適的材料

正極材料混戰，最終還是堅定技術路線的人勝出

在2019年諾貝爾化學獎的頒獎臺上，來自美國、英國和日本的三位科學家獲得了這一年的化學獎，以表彰他們對“開發鋰離子電池”的貢獻。

其中斯坦利·威廷漢在70年代首次采用金屬鋰作為負極材料，制作出了首個鋰電池。而約翰·B·古迪納夫更是被稱為鋰電池之父，他使鋰電池體積更小、容積更大、使用方式更穩定，也是鈷酸鋰、磷酸鐵鋰正極材料的發明人，他們令電動汽車進入新能源時代。

如今，動力電池正極呈現了磷酸鐵鋰與三元材料并行的局面。如果看演進史，你會發現電池的技術升級周期比較長。這是因為電池屬于電化學行業相對穩定，更多是漸進式創新。

這就意味著，這個行業的推動力并不是依靠有人突然間合成了原來沒有的東西，而是通過對不同元素間的排列組合，或是加入一些輔助手段，來發現更好的性能。

比如三元鋰電池的正極材料，主要是鎳鈷錳酸鋰，以鎳鹽、鈷鹽、錳鹽為原料，其中鎳鈷錳的比例根據需要調整。我們常聽到的“8系”NCM811，NCM就是鎳鈷錳的化學元素符號，811是指鎳、鈷、錳的配比按照8：1：1。

三元材料的技術演進，就是從3系到5系（5:2:3）再到6系（6:2:2）、8系（8:1:1），直至現在的9系高鎳。這個演進的本質就是鎳的比例不斷提升、鈷的比例不斷下降、能量密度不斷提高的過程。

我們在投資容百科技時，行業主流正處于3系和5系，一些廠商在布局6系，那時容百押注技術變革，想直接跨越到8系，因為8系是相對終極的解決方案。容百的創始人白厚善是行業老兵，并且有足夠大的視野與格局。

容百還在很早就押注了動力電池的高鎳化，高鎳化是近幾年里出現的新趨勢。高鎳也就意味著去鈷，最早之所以要加鈷，是為了防止電池自燃、爆炸。在動力電池沒有普及之前，鈷是夠用的，主要用在手機等消費電子電池里。但一輛新能源車，動力電池的用鈷量，相當于上千臺手機，導致對鈷的需求激增。

但鈷的產量嚴重不足，鈷在地球上的總儲量不是很大，且主要集中在非洲剛果等地。如今鈷已經成為限制動力電池成本下降的重要原因。馬斯克就曾表示，鈷的比例必須下降，不然電動車的成本永遠降不下來。

在車企和電池廠商的推動下，2020年成為了高鎳元年，寧德時代高鎳電池開始起量，而容百作為正極材料供應商，綁定了寧德成為該領域絕對龍頭。隨著高鎳技術越來越成熟，2021年高鎳在寧德時代的總裝機量中，占比提升至30%。

高鎳在工程上并不容易做到。像NCM811等高鎳三元正極材料，其工藝流程對于窯爐設備、匣缽、反應氣氛等均有特殊要求，且往往涉及二次甚至更多次的燒結，成本較高。比如所需的氫氧化鋰原料，要在氧氣氛圍燒結，還要去離子水洗滌。但常規三元正極材料則只需要碳酸鋰原料，空氣氛圍燒結，也無需去離子水洗滌。

另一方面，與三元材料的優缺點互換，幾乎就是另一條技術路線——磷酸鐵鋰。如今磷酸鐵鋰和三元并駕齊驅，成為當下動力電池的另一大帝國。

磷酸鐵鋰電池的優缺點十分明顯，優點包括安全性高、高溫性能好、使用壽命長、原材料成本低等。

磷酸鐵鋰的橄欖石結構，非常穩定。本身磷酸根就能構成一個三維結構，鋰脫出去之后，它自身還能保持結構的穩定性，不會坍塌。但很多三元材料，在鋰脫出去之后，自身的結構穩定性會受到一定程度的破壞。所以磷酸鐵鋰的循環壽命很長，在2000次以上，而三元一般在1000次。

磷酸鐵鋰正極材料的分解溫度，高達700℃，非常安全；且其原材料不含金屬鈷，這就讓成本低于三元近20%。

與優點相對，磷酸鐵鋰的兩大缺點也十分明顯，首先是能量密度天花板低，理論能量密度在190Wh/kg，遠低于三元的350Wh/kg。

并且在低溫下的性能衰減很大，那些一到冬天電量就瘋狂掉的電動車，多數用的都是磷酸鐵鋰電池。一塊容量為3500mAh的電池，如果在-10℃的環境中工作，經過不到100次的充放電循環，電量將急劇衰減至500mAh，因此鐵鋰電池不適合北方的冬天。

不過當鐵鋰電池連在一起，成組效率高達85%以上，如今Pack后的能量密度在130-140wh/kg。而三元雖然單體能量密度在200-250為主，但成組效率低一些，只有75-80%左右，Pack后的能量密度普遍在140-160wh/kg，高鎳三元在180wh/kg左右。

但相比于成本優勢，磷酸鐵鋰漲價了才60-70元/公斤，三元幾乎貴了三倍，要在180-190元/公斤，是它的3倍了，這些能量密度的損失在某些場景下也可以接受。

2017-2018年，當國家補貼高能量密度材料時，三元是很有優勢的。但自補貼退坡以后，磷酸鐵鋰的價格優勢就完全體現了出來。從2021年開始，磷酸鐵鋰的裝機量一直在增加，從幾年前的只剩20%左右，增長到今天的一半一半，與三元分庭抗禮。

如果從整個動力電池產業鏈來看，當下還有很多不夠成熟的地方。從理論上講，一個成熟行業會是下游最賺錢，就可能是整車的利潤率大于電池，大于材料，大于礦。但現在的實際情況是，由于整車發展速度很快，但上游礦的投資周期很長，一時間供給跟不上需求，現在鋰礦、鎳礦價格飆升，反而擠壓了下游，在一定程度上影響了正極材料的技術路線選擇。

負極突破有限已成拖累，從石墨到硅基？

隨著正極材料的磷酸鐵鋰與三元已經逐漸優化到極致，人們把目光投向負極。

目前，我們廣泛使用的負極材料是石墨，但石墨的理論能量密度是372mAh/g，現在已經優化到了350-360mAh/g，急需用新的材料來突破。

負極材料的工作原理是在電池中起到儲鋰的作用，鋰離子在充放電過程中嵌入與脫出負極，充電時正極鋰被氧化為鋰離子，通過隔膜到達負極，鋰離子嵌入負極中；放電時鋰離子脫出負極，在正極被還原為鋰。

下一步，我們想用的材料是硅。硅的理論容量高達4200mAh/g，是石墨的十倍多。但硅有一個問題，就是在電池的充放電循環過程中，隨著鋰離子的嵌入和脫出，硅的體積膨脹率非常大，純硅高達300%，這會引起電解液的消耗，進而導致電池使用壽命的急劇下滑。

石墨之所以好用，就是因為它的體積膨脹率比較低，只有10%-13%左右。目前，產業界想到的折中方案是，用5%-20%的硅來形成石墨+硅的復合負極材料，在可以接受的體積膨脹率之下，盡可能去提升容量。

不過，目前硅碳負極出貨量還不高，一方面一些技術難題還沒有被攻克，比如說石墨本來可以循環3000次，但加了硅就減半到1500次，同時硅碳的成本也居高不下。

人們對正負極材料曾經做過很多探索，其中最典型的非鈦酸鋰莫屬。2021年格力電器成為格力鈦新能源（原珠海銀?。┑目毓晒蓶|，而這家2008年成立的公司，就致力于探索鈦酸鋰技術路線。

鈦酸鋰是優劣勢都非常明顯的材料。優勢是倍率性能、循環性能特別好，電池的循環壽命幾乎是無限的，非常適合公交車等營運時間長，需要考慮循環壽命和成本的應用場景。

但鈦酸鋰的電壓平臺太高了，導致能量密度太低。這些問題決定了鈦酸鋰很難大規模商用，只能在一些特殊的場合，比如-40度的超低溫，需要特別高的功率。在政府補貼時代，鈦酸鋰紅極一時，但當補貼退坡后，還是很難自負盈虧。

一項技術從實驗室走向大規模商用并不容易，經常會出現技術路線斗爭，無論是磷酸鐵鋰和三元，還是石墨、硅、鈦酸鋰等等，但從結果來看，最終格局不一定是一邊倒的局面，而是各自找到了最適合的細分賽道。

02 第二種升級——不一樣的電池結構

當人們不斷嘗試新材料的同時，電池結構也是升級的另一大重點。

如何改進底盤電池包的設計？如何提升空間利用率？如何降低零件數量、降低電池包成本？都是提高動力電池綜合表現的重要手段。

在材料上，比如從3系減少了鈷，加了更多鎳，材料的變化導致理論容量產生了變化，從300mAh/g變到了500mAh/g，但這只是理論容量，在生產成最終安裝在車上的電池包時，需要各種結構設計，其中又會造成一些損耗，實際做完可能會從500降到400，這就變成了一個工程問題。

各家紛紛亮出了自己的“武器”，比亞迪研究出了“刀片電池”、寧德時代拿出了CTP/CTC技術、特斯拉祭出了4680……當然本質上，封裝路線其實只有三種：圓柱、方形與軟包。

比亞迪和寧德時代都走的方形封裝路線，特斯拉的4680則屬于圓柱型。圓柱型是最為成熟的技術路徑，從消費電子開始，采用鋼鋁把圓柱的電池包裝起來，一直是生活中最常見的電池。這種工藝成熟，良品率很高，但BMS復雜，使用門檻較高。而方形電池采用鋼鋁外殼，成組效率最高；軟包則是能量密度最高，但經歷了一系列安全事故和價格高昂，曾經遭遇挫折，但在2020年后隨著歐洲市場的放量滲透率大幅回升。

 

特斯拉的4680電池要面對什么難題？

2020年9月，馬斯克在特斯拉電池日上發布了第三代4680電芯。之所以叫“4680”，是因為它的直徑為46mm，高度為80mm。

4680的亮點是，相比于上一代2170，能量提升了5倍、續航里程提升16%、功率提升6倍、在電池組層面每千瓦時成本降低14%。

這意味著更少電芯數量，更高成組率。比如同樣用于75kWh的電動車里，需要4400個2170的電芯，若換為4680電芯僅需要950個；同時，更少的電芯數量降低了組裝時間，提升成組效率，帶來了成本優勢。

不過大家明知道電池尺寸大的好處，卻不敢往大了做，是因為需要解決很多非常難的挑戰。

第一，顯而易見的是當電池尺寸越大，發熱就越多，散熱也越難，從而影響充電速度和循環使用壽命。

這一次，特斯拉試圖通過全極耳技術，來搞定這個問題。極耳，是指從電芯中將正負極引出來的金屬導電體，是電池充放電時的接觸點。極耳間距越短，電池輸出功率越高。

傳統電池只有兩個極耳，分別連接正極與負極，而4680電池實現了全極耳，直接從正極/負極上剪出極耳，大大縮短了極耳間距，進而大幅提升了電池功率（6倍于2170電池）。而且電子更容易在電池內部移動，電流倍率提高，因此充放電速度更快。

第二，電池容量提升還會帶來電芯一致性的問題。電池組由一個一個電芯單體組成，它遵循的是“木桶原理”，即電池組的容量、壽命取決于容量最低、壽命最短的那根電芯。如果每個電芯的容量區別很大，會導致電池組整體的容量損失。

而內阻的不一致性，也會導致單個電芯的發熱量不同，相同的電流，大內阻電芯的發熱量更大，因此劣化速度更快，折損整個電池組的壽命。

第三，是生產工藝問題。全極耳電池生產起來并不容易，通俗理解就是如何把極耳折在一起的工藝。目前有揉壓極耳、切跌極耳、多極耳三種。揉壓極耳時，極耳形態不受控，容易短路，制造時兩段封閉，電解液滲入阻礙大。而如果切跌極耳，斜切成片卷起，比無規則擠壓好一些，占空間較小，但表面起伏度較大。多極耳很難折疊整齊，極耳位置誤差在外圈易被放大。特斯拉目前用的是切跌極耳路線。

全極耳也對焊接技術提出了更高要求。在傳統雙極耳中，與集流盤或殼體連接時，只需要點焊即可，但4680的全極耳要求面焊，激光強度和焦距都不容易控制，容易焊穿燒到電芯內部或者沒有焊到。所以以往2170電池只需要脈沖激光器點焊，但4680要求激光點陣焊接，需要連續激光器，在生產上也需要全面提升。

所以4680的量產還面臨難度。一般來說，90%的良品率是實現量產的要求，但在初期，4680的良品率只有20%，在經過不斷的技術改良后，才提高至70%-80%。

另一方面，特斯拉還為4680準備了CTC技術——電池既是能源設備，也是結構本身。

CTC（Cell to Chassis）直接將電池集成在電動車底盤上，取消了原來的電池蓋板，電池上表面的零件，通過一種兼顧結構膠+耐火阻燃膠的新型多功能膠，直接與車身結構連接，集成了座椅固定及車身橫梁的功能，同時承擔電池密封，增加了空間利用率。

綜合來說，4680是一款有潛力成為行業標準品的電池，它的材料體系應用激進，采取了超高鎳低鈷正極+硅碳負極的方案，疊加CTC提升布置效率，節省了370個零部件，為車身減重10%，將每千瓦時的電池成本降低7%，增加14%的續航，彰顯了特斯拉的野心。

比亞迪“刀片電池”與寧德時代CTP技術如何？

比亞迪刀片電池與寧德時代CTP電池，都是一種基于方形鋁殼的疊片電池。

CTP（Cell to Pack）技術，可稱為無模組設計，其靈感是直接將多個電芯布置于箱體，而無需先把多個電芯組裝成模組。這使得零部件數量大幅減少，底盤空間利用率也提高了很多，進一步降低了制造成本。

比亞迪的“刀片電池”在無模組設計上更加徹底，一刀片一電池，單塊刀片電池是由多個并聯的電芯組組成，兩個相鄰的極芯組之間設置有隔板，將電芯的空間分隔成若干個容納腔，形成類似的蜂巢結構，空間利用率極高。

當然，刀片電池也有其局限性。這種設計適用鐵鋰體系，三元比較難。原因是三元高鎳正極存在氣體膨脹，硅碳負極存在固體膨脹問題，而刀片電池導電路徑長，阻抗大不利于散熱，磷酸鐵鋰的失控溫度高，產氣量少，整體更加安全，但用不了三元導致能量密度天花板較低。

所以比亞迪主要走性價比路線，在便宜的同時令其最終產品的能量密度，不比三元電池包差太多。2021年比亞迪旗下電動車切換刀片電池，出貨量在快速提升。

寧德時代的CTP電池，與比亞迪刀片電池類似，不同點在于其仍保留了部分模組，但是通過減少模組的使用，增加電芯數量或體積，提升集成效率。

這種不那么激進的策略，令寧德時代CTP電池可以應用鐵鋰或三元，例如特斯拉的鐵鋰電池就是采用寧德時代CTP技術，成組能量密度達150-160wh/kg，成本方面低于三元電池15%左右。此外三元電池中CTP也逐步切換，北汽、大眾等很多車企，采取了高鎳三元811大模組方案。

CTP的技術難點，在于怎么把它們整合在一起，怎么保持電池的一致性。在生產過程中，每家電池廠的CTP技術也不完全一樣，各自有各自的專利布局，模仿難度很高。

在繼2019年提出CTP后，2020年寧德時代公布了電池結構的開發路線圖，除了第二代、第三代CTP電池系統以外，與特斯拉類似，還提出了從電芯直接跨越到底盤的集成化CTC電池系統，計劃在2025年左右推出。

從以上的技術細節中，我們不難看出動力電池的提升，是一種工程化的步步為營。無論是4680從多功能膠的使用、激光點陣焊接、全極耳的切跌、新型硅碳負極的應用，再到刀片電池富有創意的排布、CTP向CTC電池越來越集成化，每個環節都缺一不可，是現代工程學的結晶。

動力電池更強調步步為營，把每一步技術做扎實；這個行業也不喜歡投機者，過度依賴政策補貼是行不通的。

所以這個行業最終還是需要企業家，要有對技術路徑的嗅覺、要有解決一個又一個工程細節的執著，以及穿越產業周期的格局，才能在隘口突圍。

引用：

德勤：中國鋰電行業發展——“電池風云”

東吳證券：鋰電技術升級加速，新趨勢新機遇瑞信：中國燃料電池電動汽車行業

華安證券：三元高鎳化大勢所趨，四個維度考量盈利成本經濟性

天風證券：汽車行業特斯拉引領新技術系列一：4680電芯、CTC技術和一體化壓鑄技術

天風證券：高鎳+高電壓+大圓柱：放量拐點，看好硅負極及衍生新材料投資機會

遠川科技評論：磷酸鐵鋰的第二春