来源：新能源研究员
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行业动态信息
研究者聚焦温度分布对负极析锂状况的影响
研究者Hansen Wang、Yangying Zhu、Yi Cui（斯坦福大学著名教授崔屹）等分析了温度分布对负极析锂状况的影响，研究成果Underpotential lithium plating on graphite anodes caused by temperature heterogeneity 2020年发表在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America上（www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.2009221117）。该研究结果是对负极析锂机理的有力补充，也是动力电池、新能源汽车产品是综合权衡产物的缩影。
实验设计和分析表征：局部热区和析锂强逻辑关联
研究者描述了处于热力学平衡态的石墨负极上析锂的基本情况：电极整体温度低、同时有相对热区存在时，热区倾向于析锂。
研究者进一步设计实验直接证实金属锂的析出。首先，以锂金属作为电极-参比电极，铜箔作为集流体，铂加热器一方面加热电极，另一方面用于示温。在此实验条件下，发现了锂析出于铜箔热区表面。紧接着，在铜集流体上涂覆石墨，同样观察到了锂金属析出于石墨热区表面。研究者已经考虑到了最小化动力学效应，分离热力学变量对析锂的影响，并且用模拟方式进行了证实。
最后，研究者论述并初步验证了存在温差时大电流充电对析锂的影响：2C倍率、157mW加热使得电极中心热区析锂。而且，热区电导更高，插层、析锂均得到强化，事实上相当于锂被热富集。
总结与评论：权衡，还在权衡
从研究者的分析与验证过程中可以看到：负极析锂除了受插层动力学的影响外，还受到热不均衡导致的热力学因素的影响。和低倍率的“准静态”充电相比，快充条件下的温差更大，所以热力学造成的影响将更明显。就此，我们得出一个并不友好的结论：在寒冷的冬季，电池包总体温度偏低。如果整车电量即将耗尽，焦虑的消费者自然地期待使用快充。此时，低温电池、快充热力学不平衡、局部热区锂富集——结果是电池安全性面临析锂的严重考验。PTC及热泵空调、液冷电池管理系统、高性能电解液体系等，固然有协助快充、提升安全性的积极作用，但会推升整车成本，也无法使得冬季快充的综合体验和夏季保持一致。
行业动态信息评述
此前的十四篇《电池科技前瞻系列报告》，我们将目光投向电池本身和其关键材料的制备、性能分析表征，而对过程中各种机理的探究相对不足。事实上，某一关键现象/电池行为背后的机理分析同样重要，对“为什么”的探究一方面满足研究者的原始好奇心，另一方面也有可能指导、优化材料、电池乃至系统的构建与使用。优秀的机理分析工作是电池科技发展不可缺少的组成部分。
1、研究者聚焦温度分布对负极析锂状况的影响
如我们所知，负极析锂是锂电池安全隐患的重要肇因。研究者Hansen Wang、Yangying Zhu、Yi Cui（斯坦福大学著名教授崔屹）等分析了温度分布对负极析锂状况的影响，研究成果Underpotential lithium plating on graphite anodes caused by temperature heterogeneity 2020年发表在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America上
（www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.2009221117）。该研究结果是对负极析锂机理的有力补充，也是动力电池、新能源汽车产品是综合权衡产物的缩影。
本文研究者论述，负极析锂一方面引发锂离子电池的容量衰减，一方面触发电池内短路。虽然主流观点认为，石墨负极插层动力学因素是负极析锂的原因，但研究者猜想，电池中不均匀的温度分布可以改变析锂的平衡电压，也是负极析锂的诱因之一。
2、实验设计和分析表征：局部热区和析锂强逻辑关联
为了证实上述猜想，研究者首先设计了对比实验，用于测量不同温度下的热力学平衡电极电位：两个腔室中分别放入锂箔-锂箔和石墨-石墨电极，均配有热电偶；其中一个腔室可以加热，另外一个腔室不能加热。锂箔-锂箔、石墨-石墨的相对电压-温度曲线可由测量数据拟合得出。
相对电压-温度曲线的意义在于：充电过程中，电极电位越高的还原态成分越先生成。随温度上升，石墨插层和金属锂析出的电极电位均以~1 mV/K的速率上升。所以，当温差较小时，锂倾向于插层进入石墨之内；但当温差较大时，接触高温部分的锂离子形成锂枝晶在热力学上可能优先于低温部分的锂离子插入石墨。高温区析锂优先于低温区石墨插层的温差要求取决于石墨负极的截止电压，若充电过程中石墨负极电压达到~5 mV（相对于室温下的金属锂电极电位），则~4.5 K的温差即可能触发热力学引发的高温区金属锂枝晶析出。
研究者描述了处于热力学平衡态的石墨负极上析锂的基本情况：电极整体温度低、同时有相对热区存在时，热区倾向于析锂。
研究者进一步设计实验直接证实金属锂的析出。首先，以锂金属作为电极-参比电极，铜箔作为集流体，铂 加热器一方面加热电极，另一方面用于示温。在此实验条件下，发现了锂析出于铜箔热区表面。紧接着，在铜 集流体上涂覆石墨，同样观察到了锂金属析出于石墨热区表面。研究者已经考虑到了最小化动力学效应，分离热力学变量对析锂的影响，并且用模拟方式对上述结果进行了进一步证实。
最后，研究者论述并初步验证了存在温差时大电流充电对析锂的影响：2C倍率、157mW加热使得电极中心热区析锂。而且，热区电导更高，插层、析锂均得到强化，事实上相当于锂被热富集。
3、总结与评论：权衡，还在权衡
从研究者的分析与验证过程中可以看到：负极析锂除了受插层动力学的影响外，还受到热不均衡导致的热 力学因素的影响。和低倍率的“准静态”充电相比，快充条件下的温差更大，所以热力学造成的影响将更明显 （虽然进一步的实验验证更有助于直观地理解这一点）。
就此，我们得出一个并不友好的结论：在寒冷的冬季，电池包总体温度偏低。如果整车电量即将耗尽，焦 虑的消费者自然地期待使用快充。此时，低温电池、快充热力学不平衡、局部热区锂富集——结果是电池安全 性面临析锂的严重考验。PTC 及热泵空调、液冷电池管理系统、高性能电解液体系等，固然有协助快充、提升 安全性的积极作用，但一方面会推升整车成本，另一方面也无法使得冬季快充的综合体验和夏季保持一致。
4、写在最后：为什么期待电池日，为什么期待“颠覆性技术”
由此，我们也会解释分析师们和“市场先生”的行为：一年以来，为什么如此关注特斯拉“电池日”；两个星期以来，为什么如此关注美股QuantumScape尚在襁褓中的固态电池。原因就是，对电动车而言，电机电控系统的综合性能相比于其燃油车型竞争者大幅领先，而动力电池面对油箱的强力壁垒，储能、充能能力仍然有所不足。关注创新、甚至只是关注创新的可能性，都代表着对未来，对更美好的电池科技诞生、成长、应用的期冀。
这是一个最坏的时代，因为狂奔着的新能源汽车渗透率前景事实上仍然需要并非一朝一夕之功就能颠覆现状的电池科技的支持，而且电池科技的重要性随渗透率边际提升越来越大。
这是一个最好的时代，因为即使电池科技进步并非一朝一夕之功，它也是我们不断挑战上一个文明的伟大身影——化石燃料、发动机的有效工具，并引领我们朝着能源革命的光辉未来不懈前行。
投资评价和建议
一方面，建议投资者关注极具重要性的动力电池环节供应商：宁德时代、比亚迪、亿纬锂能、欣旺达、孚能科技等；一方面，建议投资者关注电解液和新型锂盐环节供应商：天赐材料、新宙邦等；最后，建议投资者关注热管理标的：三花智控、克来机电等。
风险分析
动力电池底层技术进步不及预期。
报告信息
证券研究报告名称：《电池科技前瞻系列报告之十五：热力学视角 看负极析锂，兼挥别波澜壮阔的2020年》
对外发布时间：2020年12月30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
