看完这篇文锂电池入门

  过去几个月，新能源汽车概念反复席卷长期资金市场，不仅消费者关注，资本也跃跃欲试。连特斯拉和一众造车新势力也成为市场焦点，引得各行业巨头纷纷跨界入场。

  随着“碳达峰、碳中和”的提出，新能源车已不仅是一种新概念交通工具，更是国家顶层设计的一部分。

  国务院办公厅 2020 年 11 月 2 日发布的《新能源汽车产业高质量发展规划（2021-2035 年）》显示，预计到 2025 年，国内新能源汽车新车销售量将达到汽车新车销售总量的 20% 左右，而当前这一数据约为 4%~5% 之间 —— 这在某种程度上预示着市场至少有三倍的成长空间[1][2]。

  所谓新能源车，其实也包括混合动力电动汽车（HEV），燃料电池电动汽车（FCEV）等别的技术路线。不过当前的语境下，这个词被提起时一般仅指纯电动车路线，即我们熟悉的特斯拉，以及一众造车新势力。

  锂电池是一个上下游链条长，专业性很强的复杂产品，不可能用一篇文章讲清所有细节。本文将聚焦于核心的几个环节，旨在为读者勾勒基本的锂电池技术图谱，让大家探索其核心原材料、关键技术与未来趋势。

  作为一种充电电池，锂电池的工作原理是：通过锂离子 (Li⁺）在正负极之间定向移动来实现充放电功能。它大范围的应用于电动车、消费电子及储能三个领域。其中电动车用锂电池，通常称为动力电池，是目前增长较快，未来预期最为乐观的应用领域。

  据沙利文数据统计，我国锂电池市场规模从 2014 年 645.3 亿元增长至 2018 年的 1494.7 亿元人民币，年复合增长率达 23.4%。若以此做参考，则动力锂电池行业产值约在 698 亿左右。

  随着电子科技类产品迭代、新能源汽车强势发展以及政府对于提高节能环保要求，锂电池的市场规模有望逐步扩大，预计 2023 年市场规模有望达到 3294.8 亿元，相应的动力电池将实现 1600 亿以上的规模[4]。

  产业链方面，锂电池上游为锂、石墨以及稀有金属矿等原材料；中游为电池正负极、电解液、隔膜等关键材料供应商，中游末端为电池制造商，它们将上游原材料制作而成不同规格产品；下游为产品应用终端，依照应用领域可大致分为动力电池、消费电子及储能三大类。

  在锂电池工作时，锂离子参与氧化还原反应，将化学能转化为电能。一款锂电池产品的评价指标包括单位体积内的包含的能量、循环寿命、倍率性能（不同电流下的放电性能）、安全性能以及适用温度等。

  从锂电池的成本构成看，正极、负极、电解液和隔膜为四大关键原材料，在成本中的占比远高于束线、连接器以及导电剂等其它材料—— 这与锂电池基本工作原理一致 [4]。

  当前，正极材料是锂电池的核心材料，是决定电池性能的重要的条件，对产品最终的单位体积内的包含的能量、电压、常规使用的寿命以及安全性等有着直接影响，也是锂电池中成本最高的部分。正因此，锂电池往往用正极材料命名，如三元电池，就是使用三元材料做正极的锂电池。

  锂电池单位体积内的包含的能量，就是指电池的平均单位体积或质量能释放出的电能，单位体积内的包含的能量越高一般意味着电池续航公里数越高。该指标是一款锂电池能否享受政府补贴的重要依据之一。

  不同正极材料差距明显，适用领域也不一样。常见的正极材料可大致分为钴酸锂（LCO）、锰酸锂（LMO）、磷酸铁锂（LFP）和三元材料（NCM）。

  钴酸锂是最早实现商业化的正极材料，其单位体积内的包含的能量高于镍氢及铅酸等充电电池，最早体现出锂电池的发展的潜在能力，但十分昂贵且循环寿命低，仅适用于 3C 电子科技类产品。锰酸锂虽成本低，但单位体积内的包含的能量不佳，在早期的慢速电动车，如电瓶车等领域有一定用量，如今大多数都用在电动工具以及储能领域，少见于动力电池。

  电池标准循环寿命是指在特定的充放电流程下，电池容量衰减到某一规定值之前，电池能经受的充电与放电循环次数。根据 GB / T 31484-2015 《电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及试验方法》，要求汽车动力电池经过 500 次充放电后，放电容量不低于初始容量的 90%，或 1000 次充放电不低于 80%。

  当前主要使用在于电动车领域的，是三元材料以及磷酸铁锂两条技术路线 年锂电池正极材料出货占比中，分列第一（46%）和第二（25%）[5]。

  正是安全性能上的缺陷，一直限制着三元材料技术路线的大规模装配与集成应用。

  磷酸铁锂则恰好与三元材料相反，单位体积内的包含的能量与续航均表现一般，但安全性却十分优秀。其晶体结构为独特的橄榄石型，空间骨架结构不易发生形变，使其在高温环境下仍能保持稳定。三元材料在约 150℃~250℃的条件下即会开始分解并放出氧气，导致电解质燃烧，相较之下磷酸铁锂的分解温度则在 600℃左右，安全优势很明显[6]。

  当前，三元电池的装机量出现下滑，磷酸铁锂电池市场占有率正在快速提高。统计多个方面数据显示，2020 年，国内动力电池累计销量达 65.9GWh，其中，三元锂电池共装车 38.9GWh，占比 61.1%，累计下降 4.1%；磷酸铁锂电池装车 24.4GWh，占比 38.3%，累计增长 20.6%，成为销量同比唯一增长的动力电池类型 [7]。

  除了安全性优势，磷酸铁锂销量快速上升的另一个重要的因素，是便宜。长期以来，造成三元电池原材料成本（占比近 90%）居高不下的主因，就是因其对钴的需求较大 [6]。钴是一种稀有的矿物，非常昂贵且开采极不稳定，价格波动剧烈，供应链也十分脆弱，极易影响下游产业。

  但伴随着近年补贴力度的持续下降，其成本压力也愈发沉重，迫使电池制造少寻找替代材料。

  目前的 5 系（即 523）三元材料仍是主流。2020 年在三元材料市场的市占率超过 50%；8 系（即 811）电池则凭借高镍化趋势实现爆发，市占率从 2018 年的 6%，提升至 2020 年的 24%，潜力巨大 [9][10]。

  高镍三元材料的安全性缺陷，是电池生产商一定要解决的问题，否则很难说服乘用车消费者购买，更不可能用于对安全性要求更高的商用车辆。

  特斯拉是最主要的镍钴铝电池使用者，在 2020 年 4 月份还申请了可提高电池使用寿命的新型生产技术专利。

  最终产品却很单一，人造石墨是绝对主流。多个方面数据显示，2020 年中国人造石墨出货量约为 30.7 万吨，在负极材料出货总量中的占比高达 84%，较 2019 年水平逐步提升 5.5 个百分点 [3]。

  新一代的负极材料中，硅基负极是热门候选者。其具有极高的单位体积内的包含的能量，理论容量比可达 4200mAh / g，远超石墨类材料 [14]。但作为负极材料，硅也有严重缺陷，锂离子嵌入会导致严重的体积膨胀，破坏电池结构，造成电池容量迅速下降。目前通行的解决方案之一是使用硅碳复合材料，硅颗粒作为活性物质，提供储锂容量，碳颗粒则用来缓冲充放电过程中负极的体积变化，并改善材料的导电性，同时避免硅颗粒在充放电循环中发生团聚。

  硅碳负极材料被认为是前景最佳的技术路线，逐渐获得产业链内企业的关注。特斯拉的 Model 3 已经使用了掺入 10% 硅基材料的人造石墨负极电池，其单位体积内的包含的能量成功实现 300wh/kg，大幅领先采用传统技术路线]。

  六氟磷酸锂（LiPF6）是主流的锂盐溶质。其在各类非水溶剂中有较好的溶解度和较高的电导率，化学性质相对来说比较稳定，安全性好，且对环境污染也小。但缺陷同样明显：六氟磷酸锂对水分比较敏感，耐热性也差，最低 60℃就可能开始分解，电池性能将快速衰减，低温度的环境的循环效果则比较一般，适应温度范围窄。

  聚烯烃是当前通用的锂电池隔膜材料，可为锂电池隔膜提供良好的机械性和化学稳定性，进一步细分则有聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、复合材料三大类。

  湿法又称为热致相分离法（TIPS），与只对基膜进行拉伸的干法工艺不同，湿法会对基膜表明上进行涂覆，以提高材料的耐热性。相较于干法制备产品，湿法工艺的隔膜在性能上有着显而易见的优势，其厚度更薄，拉伸强度更理想，孔隙率更高，有着更为均匀的孔径和更高的横向收缩率。此外，湿法隔膜的穿刺强度更高，更加有助于延长电池寿命，且更加适应高能量密度的锂电池发展趋势，目前主要使用在于三元电池。

  湿法工艺正在对干法形成快速替代。多个方面数据显示，2017 年湿法锂电池隔膜的市场占有率首次超过干法隔膜，而仅一年后的 2018 年，市占率就进一步上升至了 65%。

  方形电池，即方形的单体电池。该类型电池的电芯间隙较小，内部材料更加紧密，电池在高硬度的限制下不容易膨胀，安全性比较高。同时壳体采用了密度更小、重量更轻且强度更高的铝镁合金，进一步强化对内保护，相应的生产的基本工艺却不复杂。但方形电池一致性较差，且由于能够准确的通过需求做定制化生产，市场上型号繁多，工艺不统一。

  目前方形电池凭借更高的性价比，大幅领先其他技术路线 年，国内方形电池装机量为 52.73GWh，同比增长 24.8%，占总装机量 84.5%，是年度唯一保持同比正增长的技术路线。

  CTP（Cell To Pack）技术，是指电芯直接成组，跳过了电池模组这一中间环节。这种技术一方面提升了电池包内的空间利用率，增加带电量；另一方面又减轻了重量，整个电池组的单位体积内的包含的能量大幅提升。

  当前以比亚迪为代表的的刀片电池，选择的是彻底取消模组的方案；宁德时代的 CTP 电池，则是走将小模组整合为大模组的路线。

  无论是正极材料的磷酸铁锂与三元材料之争，或是隔膜工艺与电解液溶质的选择，均承袭于此。这无疑是动力电池的好时代：下有消费者购买电动车的需求迅速增加，上逢电动车成为国家重点项目，获得政策大力扶持。在政策与市场需求双向驱动之下，锂电池产业链内的企业创新意愿也很强烈，持续对现有生产的基本工艺来优化，新的技术突破亦时有发生。

  新的工艺与新的材料带来性能更好的产品，更成熟的生产技术带来更加规模化的生产，进而降低产品价格，这是新技术商业化的基本路径。能率先突破的企业，自然就能先人一步占据市场，在新能源的时代占据一席之地。宁德时代用三元电池铸造的万亿神话，别的企业同样有机会复制。

  对于消费者而言，事情就简单多了。能开上性能更强，安全性更高且更便宜的电动车，比什么都强。

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