水系電池，會成為下一代電池候選嗎？

報告核心觀點：

技術(shù)導(dǎo)向：國內(nèi)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(shù)導(dǎo)向型賽道，技術(shù)門檻高、研發(fā)難度大、商業(yè)化路徑不清晰，企業(yè)是否有對應(yīng)的研發(fā)團隊、產(chǎn)業(yè)化團隊支持尤為關(guān)鍵。

行業(yè)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(yè)化量產(chǎn)，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(xiàn)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(wǎng)儲能場景，長期爆發(fā)在動力運輸場景。

機遇和挑戰(zhàn)：水系電池從性能、成本、安全性、環(huán)保性都突破了現(xiàn)有商業(yè)電池的問題，是備受矚目的新型電池。由于產(chǎn)品處于非常早期的階段，當前的性能參數(shù)都停留于實驗室內(nèi)，在大量產(chǎn)業(yè)化后未必能夠符合現(xiàn)有預(yù)期。

以下為本文目錄，建議結(jié)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(shù)背景

02. 市場背景

03. 一級市場概況

04. 行業(yè)總結(jié)

01.技術(shù)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。

在新能源成為趨勢的今天，電池已廣泛應(yīng)用于新能源汽車、消費類電子設(shè)備以及各式儲能電源系統(tǒng)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(wěn)定的電池結(jié)構(gòu)，以犧牲部分能量密度為代價達到安全、低成本、無毒的目的。

問：水系電池是如何發(fā)展起來的？

我們發(fā)現(xiàn)電池電解液的發(fā)展路徑本身就是從水系出發(fā)，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(shù)和材料的迭代。

在傳統(tǒng)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(shù)量級的離子電導(dǎo)率，因此通?？商峁└叩墓β拭芏?。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。

在鋰離子電池中，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(tǒng)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(yīng)，鉛酸電池的環(huán)境污染及低循環(huán)壽命、鋰電的易燃易爆等。因此，開發(fā)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(tài)電池并列的安全技術(shù)路線。

問：為什么存在了多年的傳統(tǒng)水系突然有新的發(fā)展和突破了？

傳統(tǒng)的技術(shù)背景下，水系電池的技術(shù)瓶頸主要有兩點：

一是因為水系溶劑的電壓窗口優(yōu)先導(dǎo)致的電池能量密度低;

二是新電池結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性導(dǎo)致的電池循環(huán)性差，電池壽命有限。

多年的技術(shù)累積和發(fā)展，現(xiàn)有的水系電池已經(jīng)通過電壓窗口拓寬和電極設(shè)計的技術(shù)突破來解決。

技術(shù)的突破有望帶來一絲量產(chǎn)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(zhì)材料以及隔膜現(xiàn)有技術(shù)路徑對比和成本分析：

與現(xiàn)有的電池技術(shù)來對比，水系電池的主要優(yōu)勢在于其安全性和環(huán)保性，劣勢也很明顯，在于能量密度和電池壽命。

//主流技術(shù)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(fā)展最快的屬于金屬離子型ABs。我們也對該類型下的細分產(chǎn)品做了一定的參數(shù)對比。

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

在眾多技術(shù)路徑中，我們發(fā)現(xiàn)水系鋅離子電池格外受到關(guān)注。

其主要原因是鋅的儲備豐富，具有成本方面的優(yōu)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(yōu)勢。由于鋅具有很好的電化學(xué)可逆性，除鋅負極之外，大多數(shù)金屬在水系介質(zhì)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(yīng)問題（鋅枝晶、腐蝕以及生成堿式硫酸鋅等副反應(yīng)產(chǎn)物），容易有隔膜穿刺的問題造成短路。

//新型水系技術(shù)發(fā)展趨勢Mapping

02.市場背景

前面主要是技術(shù)側(cè)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(yè)驅(qū)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(nèi)政策對新型儲能的推動。

需求側(cè)：行業(yè)內(nèi)部加快了對資源儲備更豐富、成本更低、更安全環(huán)保電池體系的研究和量產(chǎn)進程。水系電池能夠?qū)崿F(xiàn)電池全生命周期的降本增效且增強安全性與環(huán)保性。水系電池可以在現(xiàn)有的鋰離子電池工廠生產(chǎn)，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(tǒng)。

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

? 2020年，工業(yè)和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(fā)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(guī)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(fā)展改革委和國家能源局發(fā)布了最新儲能政策《關(guān)于加快推動新型儲能發(fā)展的指導(dǎo)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(zhì)量安全。

從整個產(chǎn)業(yè)鏈的角度來看，水系電池的整體產(chǎn)業(yè)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(xiàn)在上游正、負極材料的設(shè)計與電解液的不同。而現(xiàn)有工藝流程基本類似，因此不涉及到大范圍的硬件設(shè)備變動。水系電池的制備過程中不需要真空、無水環(huán)境，從而降低了生產(chǎn)成本。

//新型水系電池的應(yīng)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(yōu)先長時儲能場景，長期可以關(guān)注動力場景的替代，2030年水系電池國內(nèi)市場規(guī)模大約在450億人民幣左右。

儲能場景：電池作為儲能系統(tǒng)中核心組成部分，成本占到儲能系統(tǒng)成本的50%，是儲能降本的關(guān)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(shè)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(yīng)用于替代、延伸后備電源及風(fēng)能太陽能構(gòu)成的中小離、并網(wǎng)儲能系統(tǒng)（如戶儲），理想情況下整體儲能系統(tǒng)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(yù)計，2025年，全球水系電池可應(yīng)用的儲能市場規(guī)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(yōu)勢，其最大的特點是安全性和低成本，因此該技術(shù)在動力運輸領(lǐng)域的應(yīng)用場景長期發(fā)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(shè)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(shù)發(fā)展水平來看，目前水系電池的產(chǎn)品商業(yè)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(chǎn)品為東芝于2020年開發(fā)的水系鋰離子電池。全球來看整體水系電池研發(fā)進度水鈉系的電池海外研發(fā)進度更快，而水鋅系則是國內(nèi)快于海外。

國際上，美國、日本優(yōu)先發(fā)展水系鋰、水系鈉離子電池；國內(nèi)市場被高校背景的跨國科研創(chuàng)業(yè)公司占據(jù)，電池巨頭尚未入局。

//案例分析：Aquion Energy 的滑鐵盧

任何技術(shù)的發(fā)展都不是一帆風(fēng)順，在水系電池創(chuàng)業(yè)方面，Aquion Energy的破產(chǎn)并購或許能成為一個電池創(chuàng)業(yè)的“反面典型案例”。Aquion Energy是全球第一家批量生產(chǎn)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(yè)化思維且入場時機錯誤，導(dǎo)致成立10年后破產(chǎn)收尾。

? 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(chǎn)。

? 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(chǎn)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(chǎn)的原因很明顯：一方面是創(chuàng)業(yè)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(yōu)勢；另一方面是公司對產(chǎn)能的規(guī)劃過早，產(chǎn)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(nèi)?？梢钥吹秸w賽道熱度還在爆發(fā)前期，估值處于VC輻射范圍內(nèi)。

一級市場發(fā)展路徑多為高校項目組技術(shù)成熟后獨立出學(xué)校進行產(chǎn)品商業(yè)化，因此賽道技術(shù)人才集中，融資目的還是多為中試產(chǎn)線建。

水系電池可以在現(xiàn)有的鋰離子電池工廠生產(chǎn)，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(tǒng)。

04.行業(yè)總結(jié)

賽道：

總的來看，水系電池目前還處于早期階段，行業(yè)剛剛完成0到1的產(chǎn)品成型，行業(yè)格局尚未形成，電池巨頭也尚未進入市場，預(yù)計市場內(nèi)的參與玩家數(shù)量在2年內(nèi)會持續(xù)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(yè)是過渡形式，新型水系電池也是對現(xiàn)有電池體系的挑戰(zhàn)，以圍繞水系電解質(zhì)為中心重新構(gòu)造電池結(jié)構(gòu)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(chǎn)品。

初創(chuàng)企業(yè)：

對于創(chuàng)業(yè)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(shè)計、電解液設(shè)計。璞躍中國移動出行團隊觀察到，創(chuàng)業(yè)團隊成員都有相應(yīng)水系電池背景多年研發(fā)設(shè)計背景，且學(xué)歷均為博士及以上。同時產(chǎn)業(yè)化渠道也必不可缺，需要負責產(chǎn)業(yè)化的成員有相關(guān)水系電池產(chǎn)銷背景，來自如傳統(tǒng)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(chuàng)新平臺引領(lǐng)者，曾先后成功早期投資孵化了Google、PayPal、Dropbox 等多家互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)科技巨頭公司，業(yè)務(wù)涵蓋：早期投資、企業(yè)創(chuàng)新服務(wù)、創(chuàng)新生態(tài)空間運營等。經(jīng)過10余年的發(fā)展和超過20年的長期積累，目前在全球設(shè)立50多個創(chuàng)新生態(tài)空間和區(qū)域辦公室；累計投資超過1600家初創(chuàng)企業(yè)，為超過17000家初創(chuàng)企業(yè)進行孵化加速，為超過500家全球領(lǐng)先大企業(yè)提供聯(lián)合創(chuàng)新服務(wù)，年平均舉行初創(chuàng)企業(yè)和大企業(yè)間的對接交流活動1000余場。

2015年，在中國雙創(chuàng)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(qū)域創(chuàng)新中心，聯(lián)動南京、武漢、無錫等城市創(chuàng)新合作伙伴開展中國創(chuàng)新業(yè)務(wù)。

璞躍中國現(xiàn)開設(shè)有企業(yè)創(chuàng)新服務(wù)、城市創(chuàng)新服務(wù)、科技投資、創(chuàng)新空間四大業(yè)務(wù)板塊，構(gòu)建了中國領(lǐng)軍的線上線下創(chuàng)新平臺，并為之配套構(gòu)建了包括大企業(yè)、初創(chuàng)公司、城市伙伴、風(fēng)險投資機構(gòu)、高校科研院所、行業(yè)導(dǎo)師等多維度的創(chuàng)新生態(tài)伙伴體系。

迄今璞躍中國已服務(wù)100余家行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)，累計孵化加速1700余家創(chuàng)業(yè)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(yōu)時科技等超過150家科技創(chuàng)新企業(yè)。

審核編輯黃宇