行业动态信息
研究者系统分析电池“理论性能边界”
我国研究者Wenzhuo Cao、Jienan Zhang、Hong Li等分析了高质量能量密度/体积能量密度的动力电池材料理论上可能选用何种体系，以Batteries with high theoretical energy densities 为标题2020年发表在Energy Storage Materials上。
材料体系模拟：从1683个氧化还原反应，到几十个“潜力”电池体系
研究者从反应吉布斯自由能出发，系统筛选了多达1683个氧化还原反应作为电池候选体系。此后，以理论质量能量密度在1000Wh/kg进行首轮淘汰；对非气态正极（单独考虑氧气、空气等）以理论体积能量密度800Wh/L进行第二轮淘汰；以反应电压大于1.50V进行第三轮淘汰；以成本、环境影响等进行第四轮、第五轮淘汰。最终，研究者获得了51个“潜力”电池体系。
路径与前瞻：锂不失为优选，铝可能是奇兵
研究者归纳：同时考虑质量、体积能量密度，锂-水、锂-硫、铝-水、镁-水、镁-硫、锂-氟化铜、锂-氟化铁、锂-二氧化锰、锂-三氧化钼等体系的综合潜力最高。研究者同时认为，电解液-混合固液电解质-全固态电解质逐步进化是高能量密度电池实现过程中的助力。
总结与评论：不需要退路，只有勇往直前一条路
我们认为，仅从性能角度出发，锂仍是绝大多数场合的优选，铝也有部分可能以“机械可充”（更换铝板）等方式在部分不需要高功率密度的场合发挥作用。我们还认为，当前的液态锂离子电池提供了“合格”的保底高性能电池选项。仅从能量密度占优，综合性能可接受的标准出发，高镍+硅碳体系可能是下一个成熟概率较高的体系；考虑综合性能与成本，三元、磷酸铁锂电池相当程度上都仍位列长期选择之中。
电池科技的创新是一个长期过程。作为技术革命的骄子、能源革命的宠儿，置身于漫长的赛道之中，高性能电池已经是、在相当长的一段时间之内仍将是底层科技、高端制造的共同旗帜。
行业动态信息评述
1、研究者系统分析电池“理论性能边界”
在电池领域，锂离子电池是高性能的代表。但是当前的“摇椅式”锂电池至少在理论上远远不是高能量密度电池的全部。我国研究者Wenzhuo Cao、Jienan Zhang、Hong Li等从氧化还原反应的吉布斯自由能出发，分析了高质量能量密度/体积能量密度的动力电池材料理论上可能选用何种体系，以Batteries with high theoretical energy densities 为标题2020年发表在Energy Storage Materials上。
研究者认为，锂离子电池的能量密度提升幅度自1990年以来每年实际不足3%。当前，动力电池单体质量能量密度在240-250Wh/kg附近，体积能量密度在550-600Wh/L附近；3C电池单体质量能量密度在260-295Wh/kg附近，体积能量密度在650-730Wh/L附近。当前的锂离子电池还不足以满足电动车、便携式设备等的要求，更高能量密度的电池仍然是急需的。一方面，优化现有体系很重要；另一方面，现有体系想取得大幅度的性能提升难度也高。所以，从理论出发，寻找高质量、体积能量密度的电化学体系仍然有其必要性。
研究者归纳，锂电池的成功应用，其本质仍然离不开金属锂的低电位（-3.040V）和高容量（3860mAh/g）。那么，类似的高还原性金属，如钠、钾、镁、铝、锌等，就可以和锂一起作为备选负极。与此对应，相变反应储能（而非“摇椅式”机制）是超高能量密度电池得以实现的关键。
2、材料体系模拟：从1683个氧化还原反应，到几十个“潜力”电池体系
研究者从反应吉布斯自由能出发，系统筛选了多达1683个氧化还原反应（负极如前所述；正极有多种氧化性较高的物质选择，去除稀有气体和大分子）作为电池候选体系。此后，以理论质量能量密度在1000Wh/kg进行首轮淘汰；对非气态正极（单独考虑氧气、空气等）以理论体积能量密度800Wh/L进行第二轮淘汰；以反应电压大于1.50V进行第三轮淘汰；以成本、环境影响等进行第四轮、第五轮淘汰。最终，研究者获得了51个“潜力”电池体系。不乏常见的氧化还原组合（铝-氧、镁-氧、镁-二氧化碳、钠-硫，等等），多种金属-空气电池、金属-水电池、金属-硫电池、金属-金属氧化物电池、金属-金属氟化物电池等榜上有名。
在计算了不同体系的理论能量密度之后，作者进一步分析了从理论能量密度到“实践能量密度”的过程。如部分电极材料兼具相变/插层反应方式，可能会有多步反应等；暂不考虑电极的体积变化，而仅考虑电极、电解质、集流体的厚度，电极的孔隙率、粘结剂含量，以及电极材料的NP比等。可以看出，上述基本假设仍然是相当理想的，而这种仍然理想的“实践能量密度”相比于理论能量密度，仍有约50%（不同材料体系区别较大）的降幅，质量能量密度下降至约1000Wh/kg或以内，体积能量密度下降至3000Wh/L以内（不考虑电极体积变化会引入相当程度误差）。此计算的结果显示，质量能量密度部分由锂硫电池拔得头筹，镁硫电池，锂、镁、铝等金属-多种金属氧化物/氟化物电池紧随其后；体积能量密度部分锂硫电池已经不在前20名范围内，相比之下铝、镁、锂等金属-多种金属氧化物/氟化物电池排名居前。一句话概括上述结果：质量能量密度锂最优，镁铝入列；体积能量密度铝最优，镁锂入列；正极材料至少是较强的氧化剂。
3、路径与前瞻：锂不失为优选，铝可能是奇兵
研究者归纳：同时考虑质量、体积能量密度，锂-水、锂-硫、铝-水、镁-水、镁-硫、锂-氟化铜、锂-氟化铁、锂-二氧化锰、锂-三氧化钼等体系的综合潜力最高。锂、镁、铝的理论性能都较高，但是镁、铝在反应动力学方面缺点明显。
研究者同时认为，电解液-混合固液电解质-全固态电解质逐步进化是高能量密度电池实现过程中的助力。
研究者最后表示，质量能量密度达1000Wh/kg、体积能量密度达800Wh/L的电池是有可能实现的，利用相变反应的电池也是高能量密度电池的长期目标。
4、总结与评论：不需要退路，只有勇往直前一条路
我们认为，从理论上构建高能量密度电池的材料体系框架重要性很高。一方面，更高的理论性能本身就极具诱惑；另一方面，更高的理论性能也意味着更多的试错空间和可能性。
我们认为，仅从性能角度出发，锂仍是绝大多数场合的优选，铝也有部分可能以“机械可充”（更换铝板）等方式在部分不需要高功率密度的场合发挥作用。
我们还认为，当前的液态锂离子电池提供了“合格”的保底高性能电池选项。仅从能量密度占优，综合性能可接受的标准出发，高镍+硅碳体系可能是下一个成熟概率较高的体系；考虑综合性能与成本，三元、磷酸铁锂电池相当程度上都仍位列长期选择之中。
我们最后认为，电池科技的创新是一个长期过程。产、学、研、用各个环节的无数参与者皓首穷经、身体力行，不断探索电池理论性能上限、不断推升电池工程参数边界、不断拓展电池实际应用领域。作为技术革命的骄子、能源革命的宠儿，置身于漫长的赛道之中，高性能电池已经是、在相当长的一段时间之内仍将是底层科技、高端制造的共同旗帜。
风险分析
电池科技进步速度不及预期，成本降幅不及预期。
报告信息
证券研究报告名称：《特斯拉：铁锂登堂》
对外发布时间：2020年6月15日
报告发布机构 中信建投证券股份有限公司
本报告分析师：杨藻 张亦弛
执业证书编号：S1440520010003，S1440520040001
研究助理：张鹏
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