（报告出品方/作者：中信建投证券，朱玥、张亦弛、马天一）

1、面向需求，复杂的储能指标体系

储能技术归根到底是面向需求的技术，其评价指标体系涵盖能量指标、功率指标、规模指标、寿命指标、 效率指标、自放率指标、成本指标、环境影响指标等等。随应用场景不同，储能技术对指标的需求类型与权重 也有所不同。

以消费电池、动力电池、储能电池为例，消费电池倾向于较高的体积、质量能量密度，以及较高的充电倍 率；动力电池要求均衡，成本权重高；储能电池的能量、功率相关指标可适当放宽，而对寿命、成本相关指标 要求很高。

各类储能技术中，二次电池（电化学可充的电池）是非常关键的组成部分。其应用范围很大，和可再生能 源电力的衔接能力也很强。从适用的能量和功率范围来看，多种二次电池覆盖了绝大多数储能应用的技术需求，普适性以锂离子电池为最。总体而言，能量相关指标在二次电池技术层面的重要性最大，高比能量（即质量能 量密度）二次电池的应用场景尤其是前沿潜在应用场景最多。

2、考虑供给，二次电池的电化学反应与载流子

二次电池的电化学可充能力对应了核心可逆电化学反应。反应过程中，需要载流子（离子或离子团）的运 动提供全电路的电荷平衡。

可逆电化学反应中的氧化剂-氧化产物构成电池正极的活性物质，还原剂-还原产物构成电池负极的活性物质。 电化学反应对应电极的比容量越高、电极间电势差越大，意味着电极的反应活性越高，则电池比能量越大。同 时，电极材料还需要有结构稳定性（对应充电态、放电态）和充放可逆性，界面稳定性（和电解质），化学稳定 性，热稳定性，相对稳定的电压平台，以及高电子电导和高载流子电导等性能特征，且这些性能最好在较宽的 温度范围之内可以有效保持。

对于载流子，我们需要其在电解液或固体电解质中具备良好的扩散迁移能力（最好在较宽的温度范围之内 也可以有效保持），具备较高的荷质比（或者较低的质荷比），具备适中的离子半径（半径过大导致在固体材料 中嵌入、脱嵌引起基体的体积变化太大，半径过小导致去溶剂化困难、电荷平衡困难）。同时，其对应的电解液 或固体电解质还需要具备较宽的电化学窗口，化学稳定性，热稳定性，界面稳定性等。所以，截至目前常见的 载流子种类寥寥。

当然，我们也希望能够大规模应用的二次电池具有低廉的成本。这对应着其使用的元素最好丰度较高，而 且基本材料体系廉价、电池生产工艺简便。

3、如果在多电子体系领域耕耘

高价金属的载流子，优势和不足都非常鲜明。 镁、铝等金属，其地壳丰度大幅高于锂。虽然对应单质的电极电势比锂高，比容量比锂低，但是容量密度 （单位体积的容量）高；锌金属丰度略高于锂，容量密度高。总之，高价金属具备用于构建低成本、高体积能 量密度、较高质量能量密度电池的潜力。

但另一方面，高价金属载流子带电量高、离子半径不大、溶剂化作用强，也不容易高效嵌入固态材料实现 电荷平衡。这使得高价金属载流子电池的电极（如果负极直接是对应金属的话，此处电极指正极）、电解质材料 体系构建难度比锂、钠等碱金属更高。 那么，镁、铝、锌二次电池，已经走到了哪一步？

1、材料体系构建，从高确定性的镁金属负极开始

如我们所知，二次电池的材料体系需要考虑载流子、活性物质和辅助组元。对镁电池而言，镁金属负极是 整个电池材料体系的“破局点”。

研究者归纳，除了地壳中元素丰度的天然区别之外，镁金属的容量密度（3833Ah/L）大于锂金属（2046Ah/L）， 远大于石墨负极储锂的容量密度，有利于构建高体积能量密度的电池体系；镁金属的比容量（2205Ah/kg）虽然 不及锂金属（3862mAh/g），但是也远大于石墨负极储锂的比容量；镁氧化还原电对的标准电极电势（-2.37V） 比锂高（-3V），但是也属于较低的金属；镁在空气中是稳定的（因为表面氧化），而且镁金属沉积过程中不产生 枝晶（和锂金属不同）。

2、镁电池电解质，定义里程碑

镁电池电解质既要保证对镁稳定，也要保证镁离子嵌入/脱出正极材料过程顺畅。当然，离子导通、电子绝 缘、宽使用温度范围、高安全性等指标同样需要。基于此，研究者从电解液和固体电解质等两条技术路线分别 展开镁电池电解质材料体系的研究。 最早的镁电解液探索使用强还原性的格式试剂 RMgX 配合乙醚溶剂，其时点可以上溯至上世纪 20 年代。 如我们所知，格式试剂的还原性太强，电化学窗口也窄，难以找到合适的正极材料与之相配；同时，格式试剂 在乙醚中的解离度低，所以电解液的离子电导也低。该体系并未实用化。

从上世纪 80 年代开始的，镁二次电池实用化探索的“第一个里程碑”，是镁有机硼酸盐-四氢呋喃构建的电 解液体系。镁盐的还原性相比于格式试剂大幅减弱，但是电化学窗口过窄（对镁电压<2V）的问题仍未解决。 此后，研究者又发现烷基镁-烷基氯化铝-乙醚溶液可以稳定于对镁电压 2.1V，此“第二个里程碑”导致了第一 个可用的镁二次电池的诞生。

3、镁电池正极，上下求索至今

虽然拥有了相对确定的负极、初见成效的电解质（主要是电解液体系），但镁二次电池的主要难点——正极， 尚未取得令人满意的突破。根据储镁原理的不同，我们可以将镁电池正极分为插层材料和相变材料两大类（正 如锂电池的三元/铁锂正极，硫正极），每类还有细分技术路径。 插层材料中，谢夫尔（Chevrel）相材料 MgxMo6S8-Mo6S8 是第一个体现出储镁容量的正极，具有三维的镁 离子扩散通道。研究者认为，镁离子的高可逆脱嵌是因为 Mo6S8 团簇可以有效平衡二价镁的电荷。当然，此正 极材料的对镁电压不高（电压平台约 1.2V），容量不大（x=2 时仅有 122mAh/g），框架结构中的钼不算廉价易得， 所以实际应用价值不大。

层状结构正极也有氧化物/复合阴离子的细分路径，如钒酸镁、氟掺杂钼酸镁正极等等。但是该类正极的容 量、电压表现也一般。

另外，开放式的框架结构如硅酸铁镁、镁基普鲁士蓝等，因为具备较大空位可以容纳镁造成的极化等负面 影响。但此类电极材料对应电池的能量密度也很低。 相变材料作为镁电池正极，最典型的例子是 α-二氧化锰。当其中嵌入的镁含量不高（每 mol 不超过 0.25mol） 时，镁的扩散能垒仅 0.3-0.6eV，和锂离子在典型的正极材料中的扩散势垒大体相当；但是镁含量一旦提升，α二氧化锰的结构不再稳定，镁扩散势垒就急剧升高。前述螯合剂电解液体系研究使用的正极就是 Mg0.15MnO（锰酸镁）正极。

所以，从容量、平均电压、倍率性能、适用温度、过电压、循环寿命和成本等方面综合考虑，镁电池正极材料尚未找到自己的“铁锂”、自己的“钴酸锂”、“三元”甚至自己的“锰酸锂”。插层材料对二价镁的“提防”， 相变材料因物相改变导致的种种动力学的“不适应”，使得镁（二次）电池至今没有走出实验室，迎来产业应用 爆发的灿烂黎明。

1、铝电池体系，也从铝金属负极着手

和其他二次电池材料体系构建类似，研究者同样需要找到以铝为核心的活性物质和辅助组元。考虑到我们 对铝金属的容量和电极电势的偏好，铝二次电池的负极选择铝是主流研究思路，并以此为基础构建整个材料体 系。

铝金属作为负极，其优点和缺点都非常鲜明。 优点除了容量、电压、元素丰度外，还包括更高的安全性（相比于嵌锂态石墨负极遑论锂金属，铝金属几 乎可以称为“绝对安全负极”）。缺点主要包括常规条件下铝金属表面会钝化形成三氧化二铝（导致电极电势实际 值远低于理论值，而且电压行为滞后），在非常多的电解液体系里新鲜的铝表面会发生腐蚀/铝枝晶生长（部分 合金体系正在试图解决此问题，但充电合金化也是难题）；以及 3 价铝离子有效沉积/剥离的动力学难度相对更 高等（其衍生原子团作为“真实载流子”正在试图减轻此影响）。

3、锌电池正极：锰、钒及其他

锌二次电池的正极体系主要分为相变型为主的锰基（二氧化锰）材料、插层型的钒基（五氧化二钒）、尖晶 石相复合氧化物等。 二氧化锰正极的结构类型丰富, 包括隧道结构（αβγ和斜方锰矿型结构 R 型），层状结构（δ型）以及 尖晶石结构（λ型），它们由锰氧八面体通过共棱或顶角长程有序连接。部分二氧化锰正极充分储锌/脱锌表现 出了很大的容量。但是在电化学循环过程中, 不同晶体构型的二氧化锰结构容易互相转化，伴随的应力会导致 晶体结构的破坏，进而造成电池在长循环过程中容量衰减。此外，储锌后降价得到的二价锰易溶解于水，二氧 化锰导电率较差也影响离子扩散和电极整体电化学性能。另外，部分体系存在氢离子和锌离子的共嵌入。

4、那么期待低成本路线突破

虽然正极比容量、电压限制了电池能量密度，但锌二次电池的进展总体而言领先镁、铝电池。如果有关体 材料与界面的研究取得有效进展，低成本锌二次电池可能取得一定建树。

3、昂贵的碳酸锂！单一资源依赖

2018 年下半年至 2020 年，锂资源经历周期底部，供给端谨慎扩张。2020 年四季度以来终端需求高增，中 游加速扩张，锂资源扩张滞后，供给出现明显缺口，价格大幅上涨创历史新高。未来，消费、动力、储能等领 域的确定性，又使得锂资源的长期需求旺盛。

碳酸锂价格大幅上涨，影响了锂电池成本下降的进程。如果我们试图以低成本的方式完成能源革命，质优 价廉的二次电池不可缺少。那么，业界一方面应该开发锂资源，另外一方面也必须积极发展竞争性技术路线。

所以，钠离子电池的发展是必要的；高价载流子电池纵使尚未崭露头角，仍然值得长期关注。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）

精选报告来源：【未来智库】。未来智库 - 官方网站