寻找动力电池材料适合的细分赛道

最近几年，随着电动车普及率大幅提高，动力电池迎来全面爆发时刻。但动力电池没有摩尔定律，不会像半导体那样飞速迭代。动力电池的技术基础是电化学，元素周期表在100多年前就已经基本定下，它需要通过排列组合不同的化学元素，以及解决一个又一个工程学问题，来渐进式升级迭代。

这种迭代主要分为材料升级和结构革新，其中正极是决定动力电池能量密度的核心。目前的技术格局中，正极材料成熟且优化空间较小，短期突破点聚焦在负极材料上，而对固态电池颠覆式创新的期望，正推动很多冒险者激流勇进。

正极材料的混战

如今，动力电池正极呈现了磷酸铁锂与三元材料并行的局面。

其中，三元锂电池的正极材料主要是镍钴锰酸锂，以镍盐、钴盐、锰盐为原料，其中镍钴锰的比例根据需要调整。三元材料的技术演进的本质就是镍的比例不断提升、钴的比例不断下降、能量密度不断提高的过程。

以我们投资的容百科技为例，容百科技还在很早就押注了动力电池的高镍化，高镍化是近几年里出现的新趋势。高镍也就意味着去钴，最早之所以要加钴，是为了防止电池自燃、爆炸。

然而，钴在地球上的总储量不是很大，且主要集中在非洲刚果等地。如今钴已经成为限制动力电池成本下降的重要原因。马斯克就曾表示，钴的比例必须下降，不然电动车的成本永远降不下来。

在车企和电池厂商的推动下，2020年成为了高镍元年，宁德时代高镍电池开始起量，而容百科技作为正极材料供应商，绑定了宁德时代成为该领域的龙头。随着高镍技术越来越成熟，2021年高镍在宁德时代的总装机量中，占比提升至30%。不过高镍在工程上并不容易做到。

与三元材料的优缺点互换的另一条技术路线是磷酸铁锂。磷酸铁锂电池的优点十分明显，包括安全性高、高温性能好、使用寿命长、原材料成本低等。

比如，磷酸铁锂的循环寿命很长，在2000次以上，而三元锂电池一般在1000次；磷酸铁锂正极材料的分解温度，高达700℃，非常安全；磷酸铁锂原材料不含金属钴，这就让成本比三元锂电池低了近20%。

与优点相对的是，磷酸铁锂的缺点也十分明显。磷酸铁锂理论能量密度在190Wh/kg，远低于三元锂电池的350Wh/kg，尤其是在低温下的性能衰减很大，那些一到冬天电量就疯狂掉的电动车，多数用的都是磷酸铁锂电池。

不过，这些能量密度的损失在某些场景下也可以接受，比如磷酸铁锂涨价后才60～70元/公斤，三元锂电池价格约180～190元/公斤，是磷酸铁锂的3倍，所以说可以接受。

2017～2018年，当国家补贴高能量密度材料时，三元锂电池是很有优势的。但自补贴退坡以后，磷酸铁锂的价格优势就完全体现了出来。从2021年开始，磷酸铁锂的装机量一直在增加，从几年前的市场只剩20%左右，增长到今天的50%，足以与三元分庭抗礼。

如果从整个动力电池产业链来看，当下还有很多不够成熟的地方。从理论上讲，一个成熟行业会是下游最赚钱，就可能是整车的利润率大于电池，大于材料，大于矿。但现在的实际情况是，由于整车发展速度很快，但上游矿的投资周期很长，一时间供给跟不上需求，现在锂矿、镍矿价格飙升，反而挤压了下游，在一定程度上影响了正极材料的技术路线选择。

负极材料的探索

随着正极材料的磷酸铁锂与三元材料已经逐渐优化到极致，人们把目光投向负极。目前，我们广泛使用的负极材料是石墨，但石墨的理论能量密度是372mAh/g，现在已经优化到了350～360mAh/g，急需用新的材料来突破。

下一步，我们想用的材料是硅。硅的理论容量高达4200mAh/g，是石墨的十倍多。但硅有一个问题，就是在电池的充放电循环过程中，随着锂离子的嵌入和脱出，硅的体积膨胀率非常大，纯硅高达300%，这会引起电解液的消耗，进而导致电池使用寿命的急剧下滑。

石墨之所以好用，就是因为它的体积膨胀率比较低，只有10%～13%左右。目前，产业界想到的折中方案是，用5%～20%的硅来形成石墨+硅的复合负极材料，在可以接受的体积膨胀率之下，尽可能去提升容量。

不过，目前硅碳负极出货量还不高，一方面一些技术难题还没有被攻克，比如说石墨本来可以循环3000次，但加了硅就减半到1500次，同时硅碳的成本也居高不下。

人们对负极材料曾经做过很多探索，其中最典型的非钛酸锂莫属。2021年格力电器成为格力钛新能源（原珠海银隆）的控股股东，而这家2008年成立的公司致力于探索钛酸锂技术路线。

钛酸锂是优劣势都非常明显的材料。优势是倍率性能、循环性能特别好，电池的循环寿命几乎是无限的，非常适合公交车等营运时间长，需要考虑循环寿命和成本的应用场景。

但钛酸锂的电压平台太高了，导致能量密度太低。这些问题决定了钛酸锂很难大规模商用，只能在一些特殊的场合，比如零下40度的超低温，需要特别高的功率。在政府补贴时代，钛酸锂红极一时，但当补贴退坡后，还是很难自负盈亏。

一项技术从实验室走向大规模商用并不容易，经常会出现技术路线之争，无论是磷酸铁锂和三元材料，还是石墨、硅、钛酸锂等等，但从结果来看，最终格局不一定是一边倒的局面，而是各自找到了最适合的细分赛道。

（作者单位：经纬创投）