电池技术：锂硫电池2025

新兴技术研究电池技术：锂-硫电池 PitchBook Data, Inc. Nizar Tarhuni研究及市场情报部执行副总裁 保罗·康德拉全球私募市场研究负责人 詹姆斯·乌兰新兴技术研究总监 基于硫磺的电池显示出巨大潜力 机构研究组 PitchBook 是 Morningstar 公司，为在私募市场从事业务的专业人士提供最全面、最准确且难以找到的数据。 分析 乔纳森·格乌金克高级研究分析师，移动技术及供应链技术 jonathan.geurkink@pitchbook.com 关键要点 pbinstitutionalresearch@pitchbook.com 锂离子电池在过去几十年中取得了显著进步，随着制造规模的扩大，成本得到了降低，但物理限制使得行业正在寻找替代品。 出版设计者：茱莉亚·米迪克夫 发布于2025年3月26日 • 中国制造商在电池生产和供应链领域已经占据主导地位，并且将供应链扩展到其他国家寻求替代品。 目录 锂硫电池可以利用低成本、丰富的材料显著提高电池的能量密度。 关键要点1寻找传统...的替代方案2锂离子电池的替代品3电池仍处于初期阶段，硫磺电池尚未受到关注，但其中三种具有潜力。锂硫电池的挑战。4锂硫电池初创公司5取得进展 • 挑战限制了锂硫电池的开发和规模化。 • 几家初创企业已采用新型超材料，包括3D石墨烯和纳米技术，以克服这些挑战并推动商业化。 寻找传统锂电池的替代方案 任何替代方案都将面临重大挑战，在与现有的锂离子电池生产商竞争时，因为已安装的产能已经很大且成本效益高。 尽管锂离子电池因其高能量密度和可充电性而被广泛使用，但它们也存在一些限制。一个主要问题是它们的有限使用寿命，因为随着时间的推移，由于重复的充放电循环，电池会退化。此外，它们对极端温度敏感，过热和寒冷都会对性能和安全产生负面影响。安全风险，如热失控，可能导致过热、火灾，甚至如果电池损坏或不当处理，可能发生爆炸。锂离子电池还依赖于有限的资源，如锂和钴，这些资源在采矿和处置过程中带来了环境和道德挑战。此外，与新兴的电池技术相比，它们的充电速度相对较慢，限制了它们在某些应用中的效率。因此，持续的研究集中在开发能够解决这些缺点的替代能源存储解决方案。 任何替代方案在竞争现有锂离子电池生产商时都将面临重大挑战，因为已安装产能已变得庞大且成本效益高。截至2024年，全球锂离子电池制造产能显著增长，年产量超过100亿个电池单元。1这次扩张是由对电动汽车（EVs）和可再生能源储能解决方案的需求增长驱动的。中国继续在市场上占据主导地位。在2024年，中国继续保持其在锂离子电池制造方面的领先地位，全球供应量约占79%。2预测显示，到2030年，全球制造业产能可能达到约6.8太瓦时（TWh），中国将继续在该行业保持领先地位。3 传统锂离子电池的替代品仍处于起步阶段。 2023年春季，我们发布了：钠电池分析师报告概述了该替代电池化学品的潜力和挑战。迄今为止，其开发和采用速度比预期慢。2024年中国钠离子电池出货量的估计显示增长185%，达到20吉瓦时（GWh），但产量未能达到预期的30吉瓦时，并且仅占2024年整体锂离子电池产量超过1.4太瓦时（TWh）的一小部分。4高昂的成本持续抑制需求。尽管如此，对这一技术和成本降低潜力的预测仍然保持乐观，预计到2030年将有160吉瓦时的需求。5 最近，我们发表了以下内容：More recently, we published the 电池技术：固态电池的现状如何？ 分析师报告，调查了固态电池技术的近期发展和进步。虽然存在一些萌芽，但制造挑战和高昂的成本继续限制该技术在近期对现有锂离子技术构成重大挑战的能力。 硫电池仍被忽视，但具有潜力 近期在纳米技术、电解质化学和固态设计方面的突破提高了硫电池的性能，使它们更接近实用化。 本报告聚焦于硫——一种相对被忽视但潜力巨大的替代电池技术。硫电池的历史可追溯至19世纪，早期研究探讨了硫作为储能材料在电化学方面的潜力。然而，重大的进步发生在20世纪，尤其是锂硫（Li-S）电池的出现。锂硫电池的概念最早在1960年代被提出，最初的研究突出了硫的高理论能量密度。尽管有这一承诺，商业化进程却因硫的较差导电性、因多硫化物溶解导致的快速容量衰减以及有限的循环寿命等重大挑战而受到阻碍。随着对高能量密度、轻质和可持续电池替代品的需求增加，尤其是电动汽车和航空航天应用，对硫电池的兴趣在21世纪重新涌现。在纳米技术、电解质化学和固态设计方面的最近突破改善了它们的性能，使它们更接近实际应用。 硫磺是一种有潜力用于电池的吸引材料，因为它具有高能量密度且丰富。实际上，它是许多工业过程的副产品，在某些情况下，生产商甚至需要付费来将其移除。Li-S电池的理论能量密度高达2,600瓦时/千克（Wh/kg）——比目前生产的最佳传统锂离子电池的能量密度高出10倍以上。高能量密度对于重量敏感的应用，如电动航空和长途卡车运输至关重要。Li-S电池使用硫磺作为正极材料，在其中硫磺与锂离子结合，形成理想的反应生成硫化锂（Li S）。2 对于充放电循环。在实际操作中，这种组合可能会更复杂，因为会形成锂多硫化物（Li S），这可能会更具挑战性。2 x 为了管理，因此，开发者目前正针对300能量密度进行目标定位。 Wh/kg至500 Wh/kg——不是数量级的变化，但相较于现有电池，仍是一个显著的提升。 在电池的负极一侧，与大多数传统锂离子电池中常见的纯石墨不同，Li-S技术通常使用锂金属。在传统锂离子电池中，锂离子存储在高纯度石墨负极的层中，这一过程被称为嵌入。实际上，石墨在锂离子电池的质量和体积上占最大比例。在充放电循环中，离子通过电解质在正极和负极之间来回移动。石墨之所以效果良好，是因为它的体积改变（膨胀和收缩）相对较小，因为它在这些循环中吸收和释放离子。因此，它对电动汽车电池所需的数千次充放电循环来说，相对耐用。然而，石墨在其比容量，也就是它所能持有的电量方面是有限的。相比之下，锂金属负极在理论基础上具有一个数量级的比容量——再次提供了高能量密度的潜力。9 锂硫电池，配备硫正极和锂金属负极，具有实现更高能量密度的潜力，这不仅可以开启电动交通的新应用，还可能颠覆过去十年中国竞争对手所发展起来的供应链和制造主导地位。 另外，对于西方、日本和韩国的电池生产商来说，石墨阳极的一个不利因素是，中国已经锁定了供应链，占据了电动 vehicle 电池阳极高纯度石墨生产的约 98% 市场份额。10因此，如果成功，配备硫 cathode 和锂金属 anode 的锂硫电池有望实现更高的能量密度，这不仅可以开启电动汽车的新应用，还可能打破中国竞争对手在过去十年中发展起来的供应链和制造业的主导地位。 6: “俄罗斯入侵乌克兰对全球镍贸易的影响”，美国国际贸易委员会，大卫·古伯曼，2024年4月。7: “钴之谜：净零需求 vs 供应链担忧”，哈佛法律学校公司治理论坛，斯博德·米什拉，2022年10月18日。8: “示例 – 炼油厂的硫”， consequential LCA，鲍·维德马，无发表日期，查阅日期：2025年3月20日。9: “克服高能量电池锂金属负极的障碍”，ScienceDirect，电化学通讯，裘嘉乐等人，2023年8月。10: “ graphite 由中国主导，需要增加最大的任何电池矿物产量”，能源研究研究院，2023年7月7日。 锂硫电池的挑战 锂硫电池的重大挑战或许正是这一技术未得到更广泛关注和发展的原因。导电性在电池材料中非常重要。电池中材料的良好导电性可以确保高效的电子流动、高功率输出和均匀的反应。不幸的是，硫是一种较差的导体。它是非金属的，其电子局限于共价键中，因此无法自由流动。石墨也是非金属，但其碳原子在六角片（石墨烯）中的原子结构允许非定域化或自由电子在其上流动，使其成为一种优异的导体。锂硫电池还受到多硫化物溶解和“穿梭效应”的影响。多硫化物溶解发生在电池放电过程中，此时硫和锂离子形成溶解到液体电解质中的锂多硫化物。这会降低固态硫阳极的性能，多硫化物在阳极和阴极之间来回移动（穿梭效应），在它们不应反应的地方和时间发生反应。这导致电池中活性材料的损失、低效率、自放电和较差的循环寿命。 锂金属负极也存在问题。最显著的是锂枝晶形成的可能性。这些枝晶在充电过程中形成，当时锂离子在负极表面不均匀沉积，导致形成尖锐、类似树木的聚集物。随着时间的推移，它们可以生长并穿透负极和正极之间的隔膜，导致电池短路并可能引发火灾。它们还会在枝晶结构中捕获锂，这导致电池中活性物质减少，容量和循环寿命降低。最后，由于负极上枝晶形成导致的沉积不均匀，随着时间的推移限制了电池的充放电。另一个问题是，与石墨不同，锂金属负极在充放电过程中容易发生大的体积变化。这可能导致机械应力、破裂保护层，并引发不希望的副反应，消耗锂和电解质。在实验室中，这些挑战是显著的，但在尝试扩大生产并生产能够在各种环境和温度下运行数千次充放电循环的电动汽车电池时，这些挑战显得更为严峻。对于一些公司来说，这些挑战可能看似难以克服，但一些初创公司已经取得进展，并建立了走向商业化的合作伙伴关系。 对于一些公司来说，这些挑战可能看似难以克服，但几家初创公司已经取得进展，并与合作伙伴建立了通往商业化的路径。 锂离子电池初创企业取得进展 我们最近与Lyten公司的管理层进行了交谈。该公司成立于十多年前，最初的目标是开发从碳氢化合物中产生氢气的同时捕获和封存碳的新技术。今天，工业生产的大部分氢气都来自蒸汽甲烷（CH4）。4 改革，这会产生大量的二氧化碳（CO2）作为副产品。取而代之的方案是：2 在捕捉和储存固体碳方面，比CO更容易。 2公司预期该过程将产生无定形碳——本质上为烟灰或炭黑，用于轮胎生产和其他行业，但通常是一种低价值副产品。然而，在该无定形碳中，该过程却产生了其他物质。固体碳有多种形式，这取决于单个原子的排列。与无定形碳一起， 这些包括钻石，一种在高温高压下形成的由碳原子组成的3D四面体网络；石墨，由2D六角环碳原子层组成，通过较弱的范德华力结合在一起；最后是纳米结构，如石墨烯（石墨的单层），富勒烯（呈球形、足球状结构的碳），以及碳纳米管（石墨烯）。60 滚入一个圆柱形结构）。与钻石不同，Lyten的过程产生了一种在电池技术领域可能更具价值的物质。输出的是三维石墨烯，它具有独特的、可调的结构和导电性质。 公司通过一种可行且可扩展的3D石墨烯生产流程，转向专注于开发这种材料的独特应用。当3D石墨烯与硫混合作为正极材料时，它解决了上述提到的一些问题。3D石墨烯形成的笼状结构通过硫提供了导电晶格，增强了电荷的移动。晶格还为固态硫在分子层面上提供了支撑，否则在多硫化物溶解中硫会熔化，正如上述所提到的，这会弄脏电池的组件。Lyten发现3D石墨烯是一种可调材料，并已用它开发出各种应用，从传感器到高强度混凝土。 该公司最近加快了其规模化发展和商业化的步伐。2023年5月，该公司开始在加利福尼亚州圣何塞的试点工厂生产阴极活性材料和锂金属正极，并组装电池。2023年，Lyten在B轮融资中筹集了2亿美元，使其估值超过10亿美元。主要企业投资者包括Stellantis、Honeywell和FedEx。去年10月，公司宣布在内华达州里诺建设世界上首个Li-S吉瓦级工厂的计划。11第一阶段计划于2027年投产，并在占地125万平方英尺的设施中最终达到10 GWh的满产规模。 2023年，Lyten在B轮融资中筹集了2亿美元，使其估值超过10亿美元。 在2024年11月，随着瑞典电池初创公司Northvolt向破产边缘迈进时，Lyten收购了Cuberg的制造设施。Cuberg是一家Northvolt在2021年收购的公司。12 Cuberg已建成11.9万平方英尺的设施，用于生产采用更传统正极材料的锂金属负极电池。Lyten将投资以转换生产到Li-S，并将其湾区生产扩大