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    看完這篇文,鋰電池入門

    來源:放大燈 瀏覽次數:695 發布日期:2021-05-20

    就可以和VC/PE在咖啡館聊新能源啦

    編者按:本文來自微信公眾號“放大燈”(ID:guokr233),作者:陳悶雷,編輯:一萌、普通醬,策劃:放大燈團隊,36氪經授權發布。

    不關注新能源,還算合格投資者么?

    過去幾個月,新能源汽車概念反復席卷資本市場,不僅消費者關注,資本也躍躍欲試。連特斯拉和一眾造車新勢力也成為市場焦點,引得各行業巨頭紛紛跨界入場。

    你以為新能源的油門踩到底了嗎?不,還沒加滿。

    隨著“碳達峰、碳中和”的提出,新能源車已不僅是一種新概念交通工具,更是國家頂層設計的一部分。

    國務院辦公廳2020年11月2日發布的《新能源汽車產業發展規劃(2021-2035年)》顯示,預計到2025年,國內新能源汽車新車銷售量將達到汽車新車銷售總量的20%左右,而當前這一數據約為4%~5%之間——這意味著市場至少有三倍的成長空間[1][2]。

    所謂新能源車,其實也包括混合動力電動汽車(HEV),燃料電池電動汽車(FCEV)等其它技術路線。不過當前的語境下,這個詞被提起時一般僅指純電動車路線,即我們熟悉的特斯拉,以及一眾造車新勢力。

    而純電動車的核心部件則是:鋰電池。

    純電動車人人都懂,但是了解鋰電池的人就不多了。

    鋰電池是一個上下游鏈條長,專業性很強的復雜產品,不可能用一篇文章講清所有細節。本文將聚焦于核心的幾個環節,旨在為讀者勾勒基本的鋰電池技術圖譜,讓大家了解其核心原材料、關鍵技術與未來趨勢。

    1 電動車驅動的千億市場

    作為一種充電電池,鋰電池的工作原理是:通過鋰離子(Li?)在正負極之間定向移動來實現充放電功能。它廣泛應用于電動車、消費電子及儲能三個領域。其中電動車用鋰電池,通常稱為動力電池,是目前增長較快,未來預期最為樂觀的應用領域。

    數據來源:東莞證券[3]

    據沙利文數據統計,我國鋰電池市場規模從2014年645.3億元增長至2018年的1494.7億元人民幣,年復合增長率達23.4%。若以此做參考,則動力鋰電池行業產值約在698億左右。

    隨著電子產品迭代、新能源汽車強勢發展以及政府對于提高節能環保要求,鋰電池的市場規模有望進一步擴大,預計2023年市場規模有望達到3294.8億元,相應的動力電池將實現1600億以上的規模[4]。

    數據來源:正略鈞策[4]

    產業鏈方面,鋰電池上游為鋰、石墨以及稀有金屬礦等原材料;中游為電池正負極、電解液、隔膜等關鍵材料供應商,中游末端為電池制造商,它們將上游原材料制成不同規格產品;下游為產品應用終端,依照應用領域可大致分為動力電池、消費電子及儲能三大類。

    信息來源:公開資料整理

    2 鋰電池的四種關鍵材料

    鋰電池是如何發電的?

    在鋰電池工作時,鋰離子參與氧化還原反應,將化學能轉化為電能。一款鋰電池產品的評價指標包括能量密度、循環壽命、倍率性能(不同電流下的放電性能)、安全性能以及適用溫度等。

    從鋰電池的成本構成看,正極、負極、電解液和隔膜為四大關鍵原材料,在成本中的占比遠高于束線、連接器以及導電劑等其它材料——這與鋰電池基本工作原理一致[4]。

    數據來源:正略鈞策[4]

    正極材料

    當前,正極材料是鋰電池的核心材料,是決定電池性能的關鍵因素,對產品最終的能量密度、電壓、使用壽命以及安全性等有著直接影響,也是鋰電池中成本最高的部分。正因此,鋰電池往往用正極材料命名,如三元電池,就是使用三元材料做正極的鋰電池。

    鋰電池能量密度,就是指電池的平均單位體積或質量能釋放出的電能,能量密度越高一般意味著電池續航公里數越高。該指標是一款鋰電池能否享受政府補貼的重要依據之一。

    不同正極材料差距明顯,適用領域也不一樣。常見的正極材料可以分為鈷酸鋰(LCO)、錳酸鋰(LMO)、磷酸鐵鋰(LFP)和三元材料(NCM)。

    鈷酸鋰是最早實現商業化的正極材料,其能量密度高于鎳氫及鉛酸等充電電池,最早體現出鋰電池的發展潛力,但十分昂貴且循環壽命低,僅適用于3C電子產品。錳酸鋰雖成本低,但能量密度不佳,在早期的慢速電動車,如電瓶車等領域有一定用量,如今主要用于電動工具以及儲能領域,少見于動力電池。

    電池標準循環壽命是指在特定的充放電流程下,電池容量衰減到某一規定值之前,電池能經受的充電與放電循環次數。根據GB/T 31484-2015 《電動汽車用動力蓄電池循環壽命要求及試驗方法》,要求汽車動力電池經過500次充放電后,放電容量不低于初始容量的90%,或1000次充放電不低于80%。

    當前主要應用于電動車領域的,是三元材料以及磷酸鐵鋰兩條技術路線。在2020年鋰電池正極材料出貨占比中,分列第一(46%)和第二(25%)[5]。

    (數據來源:公開資料整理)

    三元材料的核心優勢在于能量密度高。同體積、同質量下,續航時間較其它技術路線大幅領先。但其缺陷也非常明顯:安全性差,受到沖擊和處于高溫環境時,起火點比較低。近期熱度較高的針刺和過充等安全測試中,大容量的動力三元電池很難過關。正是安全性能上的缺陷,一直限制著三元材料技術路線的大規模裝配與集成應用。

    磷酸鐵鋰則恰好與三元材料相反,能量密度與續航均表現一般,但安全性卻十分優秀。其晶體結構為獨特的橄欖石型,空間骨架結構不易發生形變,使其在高溫環境下仍能保持穩定。三元材料在約150℃~250℃的條件下即會開始分解并放出氧氣,導致電解質燃燒,相較之下磷酸鐵鋰的分解溫度則在600℃左右,安全優勢非常明顯[6]。

    基于上述優點,很多三元電池無法通過的安全測試,磷酸鐵鋰都能通過;另一方面,磷酸鐵鋰電池的使用壽命也有巨大優勢,其循環次數遠超其它技術路線,這正應對電動汽車消費者的兩個關鍵訴求:安全、耐用。

    當前,三元電池的裝機量出現下滑,磷酸鐵鋰電池市場份額正在快速提高。統計數據顯示,2020年,國內動力電池累計銷量達65.9GWh,其中,三元鋰電池共裝車38.9GWh,占比61.1%,累計下降4.1%;磷酸鐵鋰電池裝車24.4GWh,占比38.3%,累計增長20.6%,成為銷量同比唯一增長的動力電池類型[7]。

    除了安全性優勢,磷酸鐵鋰銷量快速上升的另一個主要因素,是便宜。長期以來,造成三元電池原材料成本(占比近90%)居高不下的主因,就是因其對鈷的需求較大[6]。鈷是一種稀有的礦物,非常昂貴且開采極不穩定,價格波動劇烈,供應鏈也十分脆弱,極易影響下游產業。

    在早年,由于政府補貼的存在,三元電池的高成本問題并不突出,但伴隨著近年補貼力度的持續下降,其成本壓力也愈發沉重,迫使電池制造少尋找替代材料。

    磷酸鐵鋰的成本優勢就集中在其不含鈷,從下圖可以看到即使噸價處于高位時,也遠低于三元材料。

    數據來源:國信證券[8]

    同時,隨著充電樁數量的快速增加,也能彌補磷酸鐵鋰電池的續航問題。典型磷酸鐵鋰電動車續航約為300~400km,足以滿足市內交通需求,三元電池在這種應用場景下無法體現核心優勢。

    在成本與基建的雙重驅動下,越來越多的車企選擇磷酸鐵鋰技術路線也就不令人意外了。甚至是依靠三元電池起家的動力電池巨頭寧德時代,也正在快速增加磷酸鐵鋰電池的產能,并為國產特斯拉Model 3標準續航版本供應磷酸鐵鋰電池。

    不過三元電池的發展沒有停滯。這一技術路線長期趨勢,是通過高鎳低鈷的配比,即所謂的高鎳三元材料進行降本。

    根據鎳鈷錳三種元素的占比,三元材料可以分為111、523、622和811四種主要類型。從市占率看,目前的5系(即523)三元材料仍是主流。2020年在三元材料市場的市占率超過50%;8系(即811)電池則憑借高鎳化趨勢實現爆發,市占率從2018年的6%,提升至2020年的24%,潛力巨大[9][10]。

    高鎳三元電池一方面減少了昂貴的鈷金屬使用量,成本更可控,另一方面則是電池容量大幅提升,更契合消費者需求。近年國產電動汽車的續航里程快速增加,高鎳電池功不可沒。

    但相應的,鎳含量的上升意味著加工難度的快速上升,本就存在隱患的安全性更是進一步下降。在811電池大規模裝配的2020年,自燃事故頻出,導致這一技術路線飽受質疑。

    僅廣汽Aion S,首款大規模使用811電池的車型,也是目前811新能源車齡最長的車型,在2020年5月到8月,就連續發生了三起自燃事故,而這只是811電池起火的冰山一角[11]。高鎳三元材料的安全性缺陷,是電池生產商必須解決的問題,否則很難說服乘用車消費者購買,更不可能用于對安全性要求更高的商用車輛。

    除了鎳鈷錳(NCM)三元材料,目前還有一種采用鎳鈷鋁(NCA)合金作為正極的三元材料。與NCM相比,NCA的能量密度進一步提高,但安全性能仍沒有太多改善。目前,特斯拉是最主要的鎳鈷鋁電池使用者,在2020年4月份還申請了可提高電池壽命的新型生產技術專利。

    不過雖受龍頭青睞,NCA技術路線在國內卻十分罕見,2020年在國內三元材料市場的出貨量占比僅有4%,全球目前主要生產商僅有松下[12]。

    負極材料

    鋰電池負極材料由活性物質、粘結劑和添加劑制成糊狀膠合劑后,涂抹在銅箔兩側,經過干燥、滾壓制得,作用是儲存和釋放能量,主要影響鋰電池的循環性能等指標。

    負極材料按照所用活性物質,可分為碳材和非碳材兩大類:

    碳系材料包括石墨材料(天然石墨、人造石墨以及中間相碳位球)與其它碳系(硬碳、軟碳和石墨烯)兩條路線;

    非碳系材料可細分為鈦基材料、硅基材料、錫基材料、氮化物和金屬鋰等。

    (信息來源:公開資料整理)

    與正極材料不同,鋰電池負極雖路線同樣眾多,最終產品卻很單一,人造石墨是絕對主流。數據顯示,2020年中國人造石墨出貨量約為30.7萬噸,在負極材料出貨總量中的占比高達84%,較2019年水平進一步提升5.5個百分點[3]。

    相較于其它材料,人造石墨循環性能好、 安全性占優且工藝成熟、原材料易獲取,成本較低,是非常理想的選擇。

    石墨負極最核心的問題,則是石墨負極材料能量密度的理論上限為372mAh/g,而行業頭部公司的產品已可實現365mAh/g的能量密度,逼近理論極限,未來的提升空間極為有限,急需尋找下一代替代品[13]。

    新一代的負極材料中,硅基負極是熱門候選者。其具有極高的能量密度,理論容量比可達 4200mAh/g,遠超石墨類材料[14]。但作為負極材料,硅也有嚴重缺陷,鋰離子嵌入會導致嚴重的體積膨脹,破壞電池結構,造成電池容量快速下降。目前通行的解決方案之一是使用硅碳復合材料,硅顆粒作為活性物質,提供儲鋰容量,碳顆粒則用來緩沖充放電過程中負極的體積變化,并改善材料的導電性,同時避免硅顆粒在充放電循環中發生團聚。

    基于此,硅碳負極材料被認為是前景最佳的技術路線,逐漸獲得產業鏈內企業的關注。特斯拉的Model 3已經使用了摻入10%硅基材料的人造石墨負極電池,其能量密度成功實現300wh/kg,大幅領先采用傳統技術路線的電池[14]。

    不過與石墨負極相比,硅碳負極除了加工技術仍不成熟外,較高的成本也是障礙。當前的硅碳負極材料市場價格超過15萬元/噸,是高端人造石墨負極材料的兩倍。未來量產后,電池制造商也會面臨與正極材料相似的成本控制問題。

    電解液

    電解液在鋰電池中,主要作為離子遷移的載體,保證離子在正負極之間的傳輸。其對電池安全性、循環壽命、充放電倍率、高低溫性能、能量密度等性能指標都有一定影響。

    電解液一般由高純度的有機溶劑、電解質鋰鹽和添加劑等原料按一定比例配制構成。按質量劃分,溶劑質量占比 80%~90%,鋰鹽占比10%~15%,添加劑占比在5%左右;按成本劃分,鋰鹽占比約40%~50%, 溶劑占比約30%、添加劑占比約10%~30%[15]。

    相較于其它三種材料,鋰電池對電解液的要求最為復雜,需具備多種特性:

    • 離子電導性能好,離子遷移阻力要低;

    • 化學穩定性高,不可與電極材料、電解液、隔膜等發生有害副反應;

    • 熔點低,沸點高,在較寬的溫度范圍內保持液態;

    • 安全性好,制備工藝不復雜,成本低,無毒無污染。

    • 方形電池,即方形的單體電池。該類型電池的電芯間隙較小,內部材料更加緊密,電池在高硬度的限制下不容易膨脹,安全性比較高。同時殼體采用了密度更小、重量更輕且強度更高的鋁鎂合金,進一步強化對內保護,相應的生產工藝卻不復雜。但方形電池一致性較差,且由于可以根據需求做定制化生產,市場上型號繁多,工藝不統一。

    • 圓形電池雖與方形電池同屬硬殼封裝路線,但尺寸更小,電芯一致性好,單體電芯的能量密度比較高,成組更加靈活,生產工藝成熟且成本低。缺陷在于整體性能一般,電池包中的電芯數量比較多,重量大,圓柱此種形態對空間的利用率也不好,導致能量密度較低。

    • 軟包電池的性能是三種路線中最好的,其尺寸靈活,能量密度高,重量輕。但機械強度不高,生產工藝也更加復雜,生產成本高,性價比一般。

    從市占率看,目前方形電池憑借更高的性價比,大幅領先其他技術路線。2019年,國內方形電池裝機量為52.73GWh,同比增長 24.8%,占總裝機量 84.5%,是年度唯一保持同比正增長的技術路線。

    數據來源:國元證券[18]

    除了三種成熟的封裝技術外,鋰電池目前還有新的CTP技術,并衍生出了“刀片電池”與“CTP電池”兩種新產品,均為方形電池的升級形態。

    CTP(Cell To Pack)技術,是指電芯直接成組,跳過了電池模組這一中間環節。這種技術一方面提升了電池包內的空間利用率,增加帶電量;另一方面又減輕了重量,整個電池組的能量密度大幅提升。

    當前以比亞迪為代表的的刀片電池,選擇的是徹底取消模組的方案;寧德時代的CTP電池,則是走將小模組整合為大模組的路線。

    此兩種路線各有優劣,但均處于商業化早期,制造工藝與規模生產仍需提高,短時間內無法大規模替代傳統技術。

    圖片來源:中信證券[19]

    總結

    正如開篇所講,鋰電池的產業鏈長且復雜,牽扯行業眾多,無法用短短數千字描述清楚。本文選擇覆蓋最核心的四種材料與三種加工工藝,并沒有涉及電池整包的相關工藝與材料。

    總體上看,鋰電池的未來發展方向清晰:要么提高能量密度,要么對現有產品進行成本優化。無論是正極材料的磷酸鐵鋰與三元材料之爭,或是隔膜工藝與電解液溶質的選擇,均承襲于此。

    這無疑是動力電池的好時代:下有消費者購買電動車的需求快速增長,上逢電動車成為國家重點項目,獲得政策大力扶持。在政策與市場需求雙向驅動之下,鋰電池產業鏈內的企業創新意愿也很強烈,持續對現有生產工藝進行優化,新的技術突破亦時有發生。

    新的工藝與新的材料帶來性能更好的產品,更成熟的生產技術帶來更加規?;纳a,進而降低產品價格,這是新技術商業化的基本路徑。能率先突破的企業,自然就能先人一步占據市場,在新能源的時代占據一席之地。寧德時代用三元電池鑄造的萬億神話,其它企業同樣有機會復制。

    對于消費者而言,事情就簡單多了。能開上性能更強,安全性更高且更便宜的電動車,比什么都強。

    References:

    [1]國務院辦公廳關于印發新能源汽車產業發展規劃(2021—2035年)的通知.2020.11.02

    http://www.gov.cn/zhengce/content/2020-11/02/content_5556716.htm

    [2]石瑜捷: MRI:2025年新能源汽車滲透率達20%,基礎設施進一步完善——《新能源汽車發展規劃(2021-2035年)》點評.我的鋼鐵網.2020.11.03

    https://news.mysteel.com/20/1103/17/C423C2EBB42E6EB0.html

    [3] 黃秀瑜:璞泰來(603659)深度報告:人造石墨負極材料龍頭,新能源汽車機遇促增長.東莞證券

    [4] 正略鈞策:《材料化工行業2020年度藍皮書》

    [5] 李佩娟:深度解讀!2021年中國鋰電池行業產業鏈全景解析 價格持續下降利于新能源汽車發展.前瞻經濟學人.2020.03.04

    https://mp.weixin.qq.com/s/sS35WOwZT-FRhKB9tVq15A

    [6] 陳曉:新能源與汽車行業新能源鋰電池系列報告之四:鋰電正極高鎳三元與磷酸鐵鋰兩翼齊飛.華安證券

    [7] 姚美嬌: 磷酸鐵鋰電池沖鋒,三元鋰能否保住“王位.中國能源報.2021.5.12

    https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_12637029

    [8] 王蔚祺:鋰電行業深度系列三:正極材料,高鎳與漲價齊驅,邁向增長新階段.國信證券

    [9] 鑫欏資訊:811電池“偷偷發育”?正極材料出貨量占比超三成.搜狐.2021.04.19

    https://www.sohu.com/a/461663707_607810

    [10] 產業信息網:2018-2019年上半年中國三元正極材料行業發展概況及市場競爭格局分析.2019.08.22

    https://www.chyxx.com/industry/201908/774442.html

    [11] 新汽車志:今夏自燃之王,6萬Aion S車主終成811電池小白鼠?.網易.2020.09.10

    https://www.163.com/dy/article/FM5DMUDG05476P8K.html

    [12] 龔斯聞,林煜:正極材料深度報告:三元路線主導,高鎳化大勢所趨.財通證券

    [13] 李樂怡,陳夏琳:新能源汽車系列行業概覽:2019年中國鋰電池隔膜行業概覽.頭豹研究院

    [14] 趙曉闖:鋰電行業深度報告:行業迎增長拐點,關注產業鏈龍頭.世紀證券

    [15] 王蔚祺:鋰電行業深度系列四:電解液,電解液漲勢延續,龍頭盈利雙驅動.國信證券

    [16] 馬軍,鄔博華:電力設備新能源行業LiFSI:電解液產業鏈的下一個制高點.長江證券

    [17] 王凌之,陳夏琳:新系列行業概覽:2019年中國鋰電池負極材料行業概覽.頭豹研究院

    [18] 汪偉杰:新能源汽車行業系列二:動力電池,未來幾何.國元證券

    [19] 宋韶靈:新能源汽車動力電池行業投資策略:全球電動化浪潮,優質供應鏈受益.中信證券

    標簽:  鋰電池
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