看完这篇文，锂电池入门

如果你不关注新能源，你还是合格的投资者吗。

几个月来，新能源汽车概念屡屡席卷资本市场，不仅吸引了消费者的眼球，也让资本跃跃欲试甚至特斯拉等一批造车新势力也成为市场焦点，吸引各行业巨头跨界

你以为新能源的加速器已经踩到底了不，它还没满

伴随着二氧化碳排放峰值，碳中和的提出，新能源汽车不仅是一种新的交通概念，也是国家顶层设计的一部分。

根据2020年11月2日国务院办公厅发布的新能源汽车产业发展规划，预计到2025年，中国新能源汽车销量将达到总销量的20%左右，而目前的数字约为4% ~ 5%—这意味着市场至少有3倍的增长空间。

所谓新能源汽车，其实包括混合动力汽车，燃料电池汽车等技术路线但在目前的语境下，提到这个词，一般只是指纯电动车路线，也就是我们熟悉的特斯拉，以及一批造车新势力

纯电动汽车的核心部件是:锂电池。

纯电动汽车大家都知道，锂电池却很少有人知道。

锂电池是一个复杂的产品，上下游链条长，专业性强不可能在一篇文章中解释所有的细节本文将围绕几个关键环节展开，旨在为读者勾勒出锂电池的基本技术图谱，让大家了解其核心原材料，关键技术和未来趋势

电动汽车驱动的10亿美元市场

锂电池作为一种可充电电池，其工作原理是锂离子在正负极之间定向移动，实现充放电功能它广泛应用于电动汽车，消费电子和储能领域其中，电动汽车用锂电池，俗称动力电池，是目前增长较快的应用领域，也是未来最乐观的预期

根据沙利文的统计，中国锂电池市场规模从2014年的645.3亿元增长到2018年的1494.7亿元，年复合增长率为23.4%如果以此为参考，动力锂电池行业产值约为698亿元

伴随着电子产品的迭代，新能源汽车的强劲发展以及政府对节能环保要求的提高，锂电池的市场规模有望进一步扩大预计2023年市场规模将达到3294.8亿元，相应的动力电池将达到1600亿元以上

产业链方面，锂，石墨，稀有金属矿等原材料处于锂电池上游，中游是正负极，电解质，隔膜等关键材料的供应商，而中游是电池厂商，他们把上游原料做成不同规格的产品，作为下游产品应用终端，根据应用领域大致可以分为动力电池，消费电子，储能三大类

锂电池是如何发电的。

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锂电池产品的评价指标包括能量密度，循环寿命，倍率性能，安全性能和适用温度

从锂电池的成本构成来看，正极，负极，电解液，隔膜是四大关键原材料，占比远超线束，连接器，导电剂等其他材料，这与锂电池的基本工作原理是一致的。

目前，正极材料是锂电池的核心材料，是决定电池性能的关键因素对产品的最终能量密度，电压，使用寿命和安全性有直接影响，也是锂电池最昂贵的部分所以锂电池往往以正极材料命名，比如三元电池，就是以三元材料为正极的锂电池

锂电池的能量密度是指电池平均单位体积或质量所能释放的电能能量密度越高，电池续航里程越高该指标是锂电池能否享受政府补贴的重要依据之一

不同的阴极材料有明显的差异，应用领域也不同常见的正极材料有钴酸锂，锰酸锂，磷酸亚铁锂和三元材料

钴酸锂是最早商业化的正极材料，能量密度高于镍氢，铅酸等充电电池它最先显示出锂电池的发展潜力，但价格非常昂贵，循环寿命短，只适合3C电子产品锰酸锂虽然成本低，但是能量密度不好早期慢电动汽车中使用，如电瓶车，现在主要用于电动工具和储能领域，动力电池中很少见到

电池的标准循环寿命是指在特定的充放电过程下，电池在容量衰减到规定值之前所能承受的充放电循环次数根据GB/T 31484—2015《电动汽车用动力电池循环寿命要求和试验方法》，要求汽车用动力电池经过500次充放电后，放电容量应不低于初始容量的90%，或经过1000次充放电后不低于80%

目前主要用于电动车领域，包括三元材料和磷酸亚铁锂在2020年锂电池正极材料出货量占比中，位列第一和第二

三元材料的核心优势在于能量密度高同样的体积和质量，续航时间却遥遥领先于其他技术路线但它的缺陷也非常明显:安全性差，在受到冲击和高温环境下燃点低在近期针刺，高热过充等安全测试中，大容量动力三元电池很难关机安全性能的缺陷一直限制着三元材料技术路线的大规模组装和集成应用

磷酸亚铁锂正好与三元材料相反，能量密度和续航能力一般，但安全性极佳其晶体结构为独特的橄榄石型，空间骨架结构不易变形，因此在高温下仍能保持稳定三元材料在150℃~250℃左右会开始分解释放氧气，导致电解质燃烧与磷酸亚铁锂相比，分解温度在600℃左右，安全优势非常明显

基于以上优势，磷酸亚铁锂可以通过很多三元电池不能通过的安全测试，另一方面，磷酸铁锂电池的使用寿命也有很大优势，循环次数远超其他技术路线，这正回应了电动车消费者的两个关键需求:安全性和耐久性。

目前三元电池装机量在下降，磷酸铁锂电池市场份额在快速提升统计显示，2020年国内动力电池累计销量达65.9GWh，其中三元锂电池装机38.9GWh，占比61.1%，累计下降4.1%，磷酸铁锂电池加载容量为24.4GWh，占比38.3%，累计增长20.6%，成为唯一销量同比增长的动力电池类型

除了安全优势，磷酸亚铁锂销量快速增长的另一大因素是价格低廉长期以来，三元电池原材料成本高的主要原因是对钴的需求高钴是一种稀有矿产，价格非常昂贵，开采不稳定，价格波动大，供应链脆弱，容易影响下游产业

早些年，由于政府补贴的存在，三元电池成本高的问题并不突出，但伴随着最近几年来补贴的不断下降，其成本压力越来越重，迫使电池制造寻找替代材料的机会越来越少。

磷酸亚铁锂的成本优势在于不含钴从下图可以看出，即使吨价处于高位，也远低于三元材料

同时，伴随着充电桩数量的快速增加，也可以弥补磷酸铁锂电池的续航磷酸亚铁锂中典型的电动车续航在300~400km左右，足以满足城市的交通需求在这种应用场景下，三元电池无法展现其核心优势

在成本和基础设施的双重驱动下，越来越多的车企选择磷酸亚铁锂技术路线也就不足为奇了就连以三元电池起家的动力电池巨头当代安培科技有限公司，也在迅速提升磷酸铁锂电池的产能，为国产特斯拉Model 3标准续航版供应磷酸铁锂电池

但是三元电池的发展并没有停滞这种技术路线的长期趋势是通过高镍低钴的配比来降低成本，也就是所谓的高镍三元材料

根据镍，钴，锰的比例，三元材料可分为111，523，622，811四种主要类型从市场份额来看，目前5系三元材料仍然是主流2020年，三元材料市场占有率将超过50%，8系电池以高镍趋势爆发，市场份额从2018年的6%增长到2020年的24%，潜力巨大

高镍三元电池一方面减少了昂贵的金属钴的用量，成本更可控，另一方面，电池容量大幅提升，更符合消费者需求最近几年来，国内电动车续航里程快速提升，高镍电池功不可没

但相应的，镍含量的增加意味着加工难度的快速增加，隐患的安全性进一步降低2020年，811电池大规模组装时，自燃事故频发，导致这一技术路线受到质疑

只有广汽Aion S，第一款大规模使用811电池的车型，也是目前811新能源车最老的车型2020年5—8月，连续发生三起自燃事故，而这只是811电池起火的冰山一角高镍三元材料的安全缺陷是电池厂商必须解决的问题，否则很难说服乘用车消费者购买，更不可能用在安全性要求更高的商用车上

除了Ni—Co—Mn三元材料，还有一种使用Ni—Co—Al 合金作为阴极的三元材料与NCM相比，NCA的能源密度进一步提高，但安全性能仍然没有太大提高目前，特斯拉是镍钴铝电池最重要的用户2020年4月，它还申请了一项可以延长电池寿命的新生产技术专利

可是，尽管受到领先公司的青睐，NCA技术路线在中国非常罕见2020年国内三元材料市场出货量仅占4%目前，松下是世界上唯一的主要制造商

负极材料

锂电池负极材料是将活性物质，粘结剂和添加剂制成糊状粘合剂，涂在铜箔的两面，干燥，卷绕而成其功能是储存和释放能量，主要影响锂电池的循环性能

根据所使用的活性材料，阳极材料可分为两类:碳材料和非碳材料:

碳系材料包括石墨材料和其他碳系。

非碳材料可以细分为钛基材料，硅基材料，锡基材料，氮化物，金属锂等。

不同于正极材料，锂电池正极有很多路线，但最终产品非常单一，人造石墨是绝对的主流数据显示，2020年，我国人造石墨出货量约30.7万吨，占负极材料总出货量的84%，较2019年提升5.5个百分点

与其他材料相比，人造石墨循环性能好，安全性优越，技术成熟，原料易得，成本低廉，是一种理想的选择。

石墨负极的核心问题在于，石墨负极材料的能量密度理论上限为372mAh/g，而行业头部公司的产品可以达到365mAh/g的能量密度，逼近理论极限，未来的提升空间极其有限，急需寻找下一代替代品。

在新一代阳极材料中，硅基阳极是最受欢迎的候选材料具有极高的能量密度，理论容量比可达4200mAh/g，远超石墨材料可是，作为负极材料，硅也有严重的缺陷锂离子嵌入会导致严重的体积膨胀，破坏电池结构，导致电池容量迅速下降目前比较流行的一种解决方案是使用硅碳复合材料，其中以硅颗粒作为活性物质提供储锂能力，而碳颗粒用于缓冲充放电过程中负极的体积变化，提高材料的导电性，同时避免充放电循环过程中硅颗粒的团聚

基于此，硅碳负极材料被认为是最有前景的最佳技术路线，逐渐得到产业链中企业的重视特斯拉的Model 3已经使用了掺杂10%硅基材料的人造石墨负极电池，能量密度成功做到了300wh/kg，大幅领先于采用传统工艺路线的电池

但与石墨阳极相比，硅碳阳极的加工技术还不成熟，成本较高也是一个障碍目前硅碳阳极材料的市场价格超过15万元/吨，是高端人造石墨阳极材料的两倍未来量产后，电池厂商也会面临和正极材料类似的成本控制问题

浴液

在锂电池中，电解液主要作为离子迁移的载体，保证离子在正负极之间的传输对电池安全性，循环寿命，充放电率，高低温性能，能量密度等性能指标有一定影响

电解液一般由高纯有机溶剂，电解质锂盐和添加剂按一定比例组成按质量分，溶剂占80%~90%，锂盐占10%~15%，添加剂占5%左右根据成本，锂盐约占40%~50%，溶剂约占30%，添加剂约占10%~30%

与其他三种材料相比，锂电池对电解液的要求最为复杂，需要具备多种特性:

良好的离子导电性和低的离子迁移阻力，

化学稳定性高，不与电极材料，电解液，隔膜等发生有害副反应。

熔点低，沸点高，保持液体在较宽的温度范围内，

安全性好，制备工艺简单，成本低，无毒无污染。

目前，六氟磷酸锂因其性能更好，成本更低而成为主流锂盐溶质在各种非水溶剂中具有良好的溶解性和高导电性，化学性质相对稳定，安全性好，环境污染小但缺陷也很明显:六氟磷酸锂对水分敏感，热稳定性也差最低温度60℃时可能开始分解，电池性能迅速下降低温环境下循环效果比较一般，适应温度范围较窄

此外，六氟磷酸锂对纯度和稳定性要求高，生产过程涉及低温，强腐蚀，无水，无尘等恶劣工况，生产难度大。

在新一代锂盐中，二氟琥珀酰亚胺锂被认为有望取代六氟磷酸锂与传统锂盐相比，LiFSI具有更高的热稳定性，并在导电性，循环寿命和低温性能方面具有优势

但受限于生产工艺和产能，LiFSI的成本太高，远超六氟磷酸锂为了控制成本，LiFSI仍然更多地用作电解质添加剂，而不是锂盐溶质

锂电池隔膜是介于正负极之间的一层薄膜，可以用来分隔正负极，防止锂电池发生电解反应时发生短路膜浸泡在电解液中，表面有大量的微孔可以让锂离子通过微孔的材质，数量和厚度会影响锂离子通过隔膜的速度，进而影响电池的放电速率，循环寿命等指标

聚烯烃是目前通用的锂电池隔膜材料，可以为锂电池隔膜提供良好的机械和化学稳定性它可以进一步细分为聚乙烯，聚丙烯和复合材料

隔板材料的选择与阴极材料有关目前聚乙烯主要用于三元锂电池，聚丙烯主要用于磷酸铁锂电池

除了材料，制备工艺对振膜的性能也有一定的影响。

目前锂电池隔膜的生产技术可分为干法和湿法两大类。

干法又称熔体拉伸法，可进一步细分为单向拉伸和双向拉伸两种工艺这个技术路线发展了很久，比较成熟主要用于生产PP薄膜此外，由于成品性能不佳，双轴拉伸工艺仅用于低端电池，不再是主流制备工艺

干法工艺简单，成本低，环保，但产品性能较差，更适合低功率，低容量电池如前所述，磷酸铁锂电池恰恰存在能量密度低的缺陷，所以该技术路线多采用干法工艺的隔膜

湿法，也称为热致相分离，不同于仅拉伸基膜的干法湿法将涂在基膜的表面，以提高材料的热稳定性与干法制备的产品相比，湿法制备的隔膜在性能上具有明显的优势，如厚度更薄，拉伸强度更好，孔隙率更高，孔径更均匀，横向收缩率更高此外，湿隔膜具有更高的击穿强度，更有利于延长电池寿命，更适合高能量密度锂电池的发展方向目前主要用于三元电池

可是，与干法工艺相比，湿法工艺相对复杂，成本高且易污染环境。

目前隔膜材料的主要市场趋势是非常确定的因为它更符合动力电池高能量密度的要求，可以延长电池的循环寿命，增加电池的高倍率放电能力湿法正在迅速取代干法数据显示，2017年，湿式锂电池隔膜市场份额首次超过干式隔膜，仅一年后的2018年，市场份额进一步提升至65%

除了原材料，锂电池的封装技术也对电池的最终性能有着重大影响即使是相同的材料配方，不同的加工工艺生产出来的成品在安全性，能量密度，循环寿命等方面都是不一样的

目前，包装技术可分为三类:

方形细胞，即方形单细胞这类电池的电池间隙更小，内部材料更致密，在高硬度的限制下不易膨胀，安全性更高同时，外壳采用密度更低，重量更轻，强度更高的铝镁合金，进一步加强了内部防护，但相应的生产工艺并不复杂而方形电池一致性差，又因为可以根据需求定制，市场上型号多，工艺不统一

一致性是指在电池组中，单体电池的初始性能指标相似，如容量，温度特性，循环性等如果单体电池性能差异过大，成组后会严重影响电池组的使用寿命

圆形电池虽然和方形电池属于硬壳封装路线，但体积更小，电芯一致性好，单个电芯能量密度更高，分组更灵活，生产技术成熟，成本低缺点是整体性能一般，电池组电池数量比较多，重量较重圆柱体的形状也没有充分利用空间，导致能量密度低

柔性电池的性能是三条路线中最好的，尺寸灵活，能量密度高，重量轻但是机械强度不高，生产工艺比较复杂，生产成本高，性价比一般

从市场份额来看，目前方形电池明显领先于其他性价比更高的技术路线2019年，中国方形电池装机容量为52.73GWh，同比增长24.8%，占总装机容量的84.5%这是唯一一条保持同比正增长的技术路线

除了三种成熟的封装技术，目前锂电池还有新的CTP技术，并衍生出刀片电池和CTP电池两种新产品，都是方形电池的升级形式。

CTP技术是指直接对电芯进行分组，跳过电池模块这一中间环节该技术一方面提高了电池组内的空间利用率，增加了充电量，另一方面减轻了重量，大大提高了整个电池组的能量密度

目前以比亚迪为代表的刀片电池选择完全取消模块的方案，当代安培科技有限公司的CTP电池走的是小模块集成大模块的路线。

这两条路线各有利弊，但都处于商业化初期制造工艺和规模化生产还有待提高，短时间内无法大规模替代传统技术

如开头所说，锂电池的产业链长而复杂，涉及行业多，不是短短几千字就能描述清楚的本文选取了四种核心材料和三种加工工艺，但不涉及整个电池封装的相关技术和材料

整体来看，锂电池未来的发展方向是明确的:要么提高能量密度，要么优化现有产品的成本无论是正极材料磷酸亚铁锂和三元材料之争，还是膜技术和电解质溶质的选择，都是继承于此

毫无疑问，这是一个动力电池的好时代:消费者购买电动车的需求快速增长，电动车成为上峰国家重点项目，得到了政策的大力支持在双向政策和市场需求的驱动下，锂电池产业链上的企业创新意愿强烈，他们不断优化现有的生产工艺，新的技术突破也时有发生

新技术，新材料带来性能更好的产品，更成熟的生产技术带来更大规模的生产，从而降低产品价格，这是新技术商业化的基本路径能率先突破的企业，自然能比别人先一步占领市场，在新能源时代占据一席之地其他企业也有机会复制当代安培科技有限公司铸造的万亿神话，三元电池

对于消费者来说，事情就简单多了开一辆性能更强，安全性更高，价格更便宜的电动车，比什么都好

参考资料:

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时语婕:核磁共振:2025年新能源汽车普及率达到20%，基础设施进一步完善——新能源汽车发展规划回顾。我的钢铁网2020.11.03

黄秀玉:普泰来深度报道:人造石墨负极材料龙头，新能源汽车机会促增长。东莞证券

郑俊策:材料与化学工业2020蓝皮书

李佩娟:深度解读！2021年中国锂电池行业产业链全景分析价格的持续下降有利于新能源汽车的发展

陈晓:新能源及汽车行业新能源锂电池系列报告之四:锂电池极高镍三元和磷酸亚铁锂双翼的齐飞华安证券。

姚美娇:磷酸铁锂电池充电，三元锂能保住宝座吗中国能源报

王玮琦:锂电池行业深度系列之三:正极材料，高镍和价格上涨，进入新的增长阶段。国信证券

新一资讯:811电池秘密研制正极材料出货量占比超过30%

行业信息网:2018—2019.2019.08.22上半年中国三元正极材料行业发展形势及市场竞争格局分析

汽车新记录:自燃之王今年夏天6万Aion S车主最后变成811电瓶鼠。.网易

龚，:正极材料深度报告:三元路线领先，高镍趋势。财通证券

李，陈:新能源汽车系列行业综述:2019年中国锂电池隔膜行业综述。投报研究所

赵小创:锂电池行业深度报告:行业迎来增长拐点，关注产业链龙头。世纪证券

王玮琦:锂电池行业深度系列四:电解液，电解液上涨趋势持续，龙头盈利双驱动。国信证券

马军，吴伯华:电力设备新能源行业LiFSI:电解液产业链的下一个制高点。长江证券

，陈:新系列行业综述:2019年中国锂电池正极材料行业综述。投报研究所

王伟杰:新能源汽车产业系列之二:动力电池，未来几何。国源证券

宋少玲:新能源汽车动力电池行业投资策略:全球电气化浪潮，受益优质供应链。中信证券

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编辑：山歌