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水系電池,會成為下一代電池候選嗎?

璞躍中國 ? 來源: 璞躍中國 ? 作者: 璞躍中國 ? 2023-01-17 10:31 ? 次閱讀

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報告核心觀點:

技術導向:國內水系電池的賽道融資2020年、2021年才拉開序幕,真格、軟銀中國等已相繼出手。水系電池是技術導向型賽道,技術門檻高、研發難度大、商業化路徑不清晰,企業是否有對應的研發團隊、產業化團隊支持尤為關鍵。

行業與市場:水系電池的需求方向比較明確,水系電池一旦完成商業化量產,在動力運輸方面將替代同系的鉛酸電池與鎳系電池,在儲能方面將替代現有的有機電池大面積鋪開。市場切入順序與鋰電相反:短期在用戶儲能、電網儲能場景,長期爆發在動力運輸場景。

機遇和挑戰:水系電池從性能、成本、安全性、環保性都突破了現有商業電池的問題,是備受矚目的新型電池。由于產品處于非常早期的階段,當前的性能參數都停留于實驗室內,在大量產業化后未必能夠符合現有預期。

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以下為本文目錄,建議結合要點進行針對性閱讀。

本篇行研將分為4個部分闡述:

01. 技術背景

02. 市場背景

03. 一級市場概況

04. 行業總結

01.技術背景

問:什么是水系電池?

水系電池是指以水為電解液溶劑的蓄能電池。

新能源成為趨勢的今天,電池已廣泛應用于新能源汽車、消費類電子設備以及各式儲能電源系統中。電池的封裝形式有所不同但基本組成一致,主要包括正極材料、負極材料、電解液以及隔膜四個部分。

? 廣義上的水系電池,包含了鉛酸和鎳氫、鎳鐵等強酸強堿的水電解液電池。

? 狹義上的水系電池,是指在近中性水系電解液中尋找到合適的電堆材料形成穩定的電池結構,以犧牲部分能量密度為代價達到安全、低成本、無毒的目的。

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問:水系電池是如何發展起來的?

我們發現電池電解液的發展路徑本身就是從水系出發,在動力電池上迭代到有機溶劑體系。當前的水系電池是對早期電池的一次技術和材料的迭代。

在傳統電池中,通常使用水作為無機溶劑的電解液體系,相較于有機電解液,水系電解液具有高出兩個數量級的離子電導率,因此通常可提供更高的功率密度。但由于水的理論分解電壓為1.23V,以水為溶劑的電解液體系的電池電壓最高也只有2V左右(例如鉛酸電池),無法提高能量密度。

鋰離子電池中,電池的工作電壓通常高達3~4V,必須采用非水的有機電解液體系。

由于傳統水系電池與鋰電池仍存在許多不足,如鎳氫電池的強堿性電解液及高昂的價格,鎳鎘電池的毒性及記憶效應,鉛酸電池的環境污染及低循環壽命、鋰電的易燃易爆等。因此,開發采用近中性水系電解液和低毒電極材料的水系電池(如水系鋰、鈉離子電池) 成為近期研究的熱點。

問:為什么要研究新型水系電池?

水溶劑具有低成本、不可燃性與無毒性,是與固態電池并列的安全技術路線。

問:為什么存在了多年的傳統水系突然有新的發展和突破了?

傳統的技術背景下,水系電池的技術瓶頸主要有兩點:

一是因為水系溶劑的電壓窗口優先導致的電池能量密度低;

二是新電池結構的不穩定性導致的電池循環性差,電池壽命有限。

多年的技術累積和發展,現有的水系電池已經通過電壓窗口拓寬和電極設計的技術突破來解決。

技術的突破有望帶來一絲量產的希望,但是要知道,水系電池雖然理論上積累時間較長,在實際落地仍處于早期階段,對于雙極金屬材料的選擇、電解質材料以及隔膜現有技術路徑對比和成本分析:

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與現有的電池技術來對比,水系電池的主要優勢在于其安全性和環保性,劣勢也很明顯,在于能量密度和電池壽命。

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//主流技術路徑

水性電池(ABs)可以分為分為兩類:金屬離子型ABs和非金屬離子型ABs。

當前發展最快的屬于金屬離子型ABs。我們也對該類型下的細分產品做了一定的參數對比。

各種金屬離子AB,如Li+、Na+、K+、Zn2+、Mg2+、Ca2+和Al3+,已經在金屬離子嵌入化合物的基礎上被證明(發展路徑:如Li、Na、K、Mg、Ca、Al、Zn)。目前主流在發展的為水系鋰、水系鉀、水系鈉和多價的水系鋅離子電池。

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在眾多技術路徑中,我們發現水系鋅離子電池格外受到關注。

其主要原因是鋅的儲備豐富,具有成本方面的優勢;其次是鋅離子本身的金屬特性帶來的電池性能方面的優勢。由于鋅具有很好的電化學可逆性,除鋅負極之外,大多數金屬在水系介質中都不能直接用作負極。

同樣,水系鋅也面臨正極材料的選型問題和負極的副反應問題(鋅枝晶、腐蝕以及生成堿式硫酸鋅等副反應產物),容易有隔膜穿刺的問題造成短路。

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//新型水系技術發展趨勢Mapping

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02.市場背景

前面主要是技術側的問題,接下來看看新型水系電池的市場化進度。

水系電池的行業驅動主要來自兩方面,一是市場對更安全的電池訴求,二是國內政策對新型儲能的推動。

需求側:行業內部加快了對資源儲備更豐富、成本更低、更安全環保電池體系的研究和量產進程。水系電池能夠實現電池全生命周期的降本增效且增強安全性與環保性。水系電池可以在現有的鋰離子電池工廠生產,幾乎不需要改造,運營成本更低,并且不需要昂貴的干燥室、防火鎖和溶劑回收系統。

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政策側方面,中國從2020年起開始關注儲能&電池安全的問題,并在近兩年接連提出相關政策要求與安全標準。一系列政策也側面推動了新型、安全電池的發展。

? 2020年,工業信息化部組織制定的GB 18384-2020《電動汽車安全要求》、GB 38032-2020《電動客車安全要求》和GB 38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》三項強制性國家標準發布,并于2021年1月1日起開始實施。

? 2021年6月,在《新型儲能項目管理規范(暫行)(征求意見稿)》叫停動力電池梯次利用。

? 2021年7月23日,國家發展改革委和國家能源局發布了最新儲能政策《關于加快推動新型儲能發展的指導意見》。

? 2022年9月,工信部提出將高度重視電動自行車用鋰離子電池質量安全。


從整個產業鏈的角度來看,水系電池的整體產業鏈與有機離子電池類似(更類似于鈉離子電池),主要差異表現在上游正、負極材料的設計與電解液的不同。而現有工藝流程基本類似,因此不涉及到大范圍的硬件設備變動。水系電池的制備過程中不需要真空、無水環境,從而降低了生產成本。

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//新型水系電池的應用場景是什么?

我們對水系電池市場進入順序的判斷是:增量市場優先長時儲能場景,長期可以關注動力場景的替代,2030年水系電池國內市場規模大約在450億人民幣左右。

儲能場景:電池作為儲能系統中核心組成部分,成本占到儲能系統成本的50%,是儲能降本的關鍵。水系液流電池目前已成為安全儲能的較好選擇,但由于液流電池設備繁重,占地較大更適用于大型儲能場景,同時液流電池的度電成本也較高,平均在0.7元-1.2元之間。

水系電池由于其能量密度與性能限制,將主要應用于替代、延伸后備電源及風能太陽能構成的中小離、并網儲能系統(如戶儲),理想情況下整體儲能系統的成本可與蓄水儲能相比(0.2元/kwh vs 0.25-0.3元/kwh)。

以2019-2025全球中小型光伏儲能市場來計算,目前以鋰電為主的新型儲能方式占市場份額12%,按照目前市場推廣情況預計,2025年,全球水系電池可應用的儲能市場規模在300億人民幣。

動力電池:由于和商用鋰離子電池相比,水系電池整體上在能量密度方面并不具有優勢,其最大的特點是安全性和低成本,因此該技術在動力運輸領域的應用場景長期發展有可能會按照二輪電動車電池(替代)、船舶航運(增量)、汽車啟停電池(非鋰電電池)的順序。

柔性穿戴設備:相比于鋰離子電池,水系鋅的彎曲度(bending)會有更大的提升,因此從全球的技術發展水平來看,目前水系電池的產品商業化進度還處于非常早期的階段,全球第一款非實驗室級別的產品為東芝于2020年開發的水系鋰離子電池。全球來看整體水系電池研發進度水鈉系的電池海外研發進度更快,而水鋅系則是國內快于海外。

國際上,美國、日本優先發展水系鋰、水系鈉離子電池;國內市場被高校背景的跨國科研創業公司占據,電池巨頭尚未入局。

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//案例分析:Aquion Energy 的滑鐵盧

任何技術的發展都不是一帆風順,在水系電池創業方面,Aquion Energy的破產并購或許能成為一個電池創業的“反面典型案例”。Aquion Energy是全球第一家批量生產水系鈉離子電池的公司。該公司是當年著名的明星團隊+明星資本的高起點團隊,但因為缺乏商業化思維且入場時機錯誤,導致成立10年后破產收尾。

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? AquionEnergy于2007年成立;2013年接受比爾蓋茨D輪投資5500萬美元;2017年3月因為資金鏈斷裂Aquion裁員80%并宣布破產。

? 2017年底接受泰坦能源注資916萬美元。

? 2017年正式宣布申請破產保護之前,Aquion一共獲得了近2億美元的融資,投資人包括比爾˙蓋茨,凱鵬華盈(Kleiner Perkins)和殼牌等。2016年,Aquion Energy還被《麻省理工科技評論》評為全球“最聰明的公司”第五名。

公司破產的原因很明顯:一方面是創業時間點撞上了2015年后鋰電池大幅降價造成了市場沖擊,水系電池在成本上失去了優勢;另一方面是公司對產能的規劃過早,產需不匹配。其成立后迅速在全球布點了200+的項目成為公司資金鏈斷裂的主要原因。

03.一級市場概況

除開AquionEnergy的坎坷,我們在新型水系電池的一級市場里也看到了一些新起的熱度。水系電池一級市場處于早期階段,公司多成立于2018年后,融資事件集中在2021年后,目前估值范圍在1億-3億內。可以看到整體賽道熱度還在爆發前期,估值處于VC輻射范圍內。

一級市場發展路徑多為高校項目組技術成熟后獨立出學校進行產品商業化,因此賽道技術人才集中,融資目的還是多為中試產線建。

水系電池可以在現有的鋰離子電池工廠生產,幾乎不需要改造,運營成本更低,并且不需要昂貴的干燥室、防火鎖和溶劑回收系統。

04.行業總結

賽道:

總的來看,水系電池目前還處于早期階段,行業剛剛完成0到1的產品成型,行業格局尚未形成,電池巨頭也尚未進入市場,預計市場內的參與玩家數量在2年內會持續增長。對于整個賽道的終局可以判斷得出當前的有機系電池為在儲能行業是過渡形式,新型水系電池也是對現有電池體系的挑戰,以圍繞水系電解質為中心重新構造電池結構的方式希望最終形成無污染、低成本、安全、高效率的儲能供能產品。

初創企業:

對于創業公司來說,項目人員配置是否完備是非常重要一點。團隊人員需要有能力進行水系電池正負極設計、電解液設計。璞躍中國移動出行團隊觀察到,創業團隊成員都有相應水系電池背景多年研發設計背景,且學歷均為博士及以上。同時產業化渠道也必不可缺,需要負責產業化的成員有相關水系電池產銷背景,來自如傳統鉛酸、鎳氫公司(國能等)。

2006年成立于硅谷的璞躍(Plug and Play)是全球科技創新平臺引領者,曾先后成功早期投資孵化了Google、PayPal、Dropbox 等多家互聯網行業科技巨頭公司,業務涵蓋:早期投資、企業創新服務、創新生態空間運營等。經過10余年的發展和超過20年的長期積累,目前在全球設立50多個創新生態空間和區域辦公室;累計投資超過1600家初創企業,為超過17000家初創企業進行孵化加速,為超過500家全球領先大企業提供聯合創新服務,年平均舉行初創企業和大企業間的對接交流活動1000余場。

2015年,在中國雙創浪潮下,璞躍入華,2016年“璞躍中國(Plug and Play China)”成立。

璞躍中國立足北京——中國總部,布局上海、深圳兩大區域創新中心,聯動南京、武漢、無錫等城市創新合作伙伴開展中國創新業務。

璞躍中國現開設有企業創新服務、城市創新服務、科技投資、創新空間四大業務板塊,構建了中國領軍的線上線下創新平臺,并為之配套構建了包括大企業、初創公司、城市伙伴、風險投資機構、高校科研院所、行業導師等多維度的創新生態伙伴體系。

迄今璞躍中國已服務100余家行業領軍企業,累計孵化加速1700余家創業公司,并投資了包括ApplyBoard、AutoX、非夕科技、縱行科技、銀基安全、大界機器人、海飛科、Authing、優時科技等超過150家科技創新企業。

審核編輯黃宇

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