鋰離子電池發(fā)展始于消費領(lǐng)域，目前在動力和儲能領(lǐng)域快速發(fā)展。
動力鋰電池、儲能鋰電池分別有哪些關(guān)鍵技術(shù)？電池材料又有哪些新技術(shù)發(fā)展方向呢？
鋰電池技術(shù)路線
鋰離子電池是指以鋰為能量載體的二次電池（充電電池），充電時鋰離子從正極脫出，經(jīng)過電解液和隔膜，嵌入負極，放電發(fā)生相反過程，又稱搖椅式電池。
鋰離子電池按照正極材料不同分為磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。
磷酸鐵鋰材料生產(chǎn)資源豐富，成本、循環(huán)壽命和熱穩(wěn)定性優(yōu)于三元材料，適合于商用車、中低端乘用車、儲能等領(lǐng)域。三元鋰電池理論比容量（能量密度）比磷酸鐵鋰高60%，充電倍率更高，低溫性能好，適合于中高端乘用車等領(lǐng)域。
鋰電池封裝工藝
鋰離子電池按照封裝工藝不同分為方形電池、軟包電池和圓柱電池。
鋰離子電池按封裝工藝不同分類
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方形電池優(yōu)點是封裝可靠度較高、結(jié)構(gòu)簡單、單體能量密度較高、系統(tǒng)成組效率較高、穩(wěn)定性相對較好，缺點是型號多，工藝難統(tǒng)一，單體差異性較大，使系統(tǒng)壽命低于單體壽命。
軟包電池采用鋁塑膜包裝，優(yōu)點是能量密度較高，電池內(nèi)組小、循環(huán)壽命長，缺點是高端鋁塑膜依賴進口、生產(chǎn)效率低、成品率不高。
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圓柱電池硬殼封裝可靠度較高，優(yōu)點是電池一致性較高，工藝成熟，成本較低，電池產(chǎn)品良率、散熱性能較好，但缺點是成組后散熱設(shè)計難度大，系統(tǒng)能量密度較低。
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三種鋰離子電池優(yōu)缺點分析
磷酸鐵鋰動力電池重回主導地位。
近三年內(nèi)，隨著政策補貼力度下降，磷酸鐵鋰在成本、安全方面的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)，市場裝機快速上升，市場占比逐年提升，2021年實現(xiàn)對三元電池裝機量的反超，2022年上半動力電池份額增至到55%。
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2018-2022H1年中國動力電池產(chǎn)品結(jié)構(gòu)裝機量占比變化
中國動力電池裝機量保持高速增長勢態(tài)，到2025年年均復合增長率達到49%。受中國新能源汽車快速增長拉動，中國動力電池裝機量2022年上半年達到110.1GWh，同比增長109.8%，預計2022年裝機量超過280GWh，2025年將超過750GWh。
高比能量方面，三元軟包電池單體能量密度最高到達300Wh/kg。目前三元方殼電池單體比能量已接近300Wh/kg，系統(tǒng)能量密度達到255Wh/kg。磷酸鐵鋰刀片（方形）電池能量密度接近170Wh/kg，系統(tǒng)能量密度超過140Wh/kg。三元軟包電池比能量已達到300Wh/kg，系統(tǒng)能量密度達到接近220Wh/kg。
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動力電池單體結(jié)構(gòu)體系能量密度發(fā)展歷程
動力鋰電主要技術(shù)方向
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高安全方面，現(xiàn)階段主要通過使用本體安全、過程安全、消防安全三種方式提升電芯安全性能。本體安全主要依靠難燃和不燃電解液、高熔點隔膜和正極材料改性和包覆來提高電池的本體安全。
動力電池安全防控技術(shù)
長壽命方面，磷酸鐵鋰電池使用壽命普遍高于三元電池。磷酸鐵鋰刀片電池使用壽命超過5000次，其次是三元軟包電池，使用壽命超過3000次，再次是方形電池，使用壽命超過2000次，圓柱電池使用壽命稍低，約1000次左右。
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快充性能方面，三元電池倍率均在由目前的2C左右向5C倍率發(fā)展，充電時間縮短60%。多家企業(yè)在提升三元電池補能速度，通過提升充電電壓和電池大電流耐受度，提升電池快充性能。
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中國動力電池技術(shù)分析及發(fā)展趨勢
中國儲能電池出貨量保持高速增長勢態(tài)，未來3年年均增長率超過50%。2021年中國儲能電池出貨量達到48GWh，同比增長167%，預計2022年裝機量超過90GWh，同比增長88%，2025年將超過324GWh。
2019-2025年中國儲能鋰電池出貨量及預測（GWh）
國內(nèi)儲能電池主要應(yīng)用于大型儲能（電力系統(tǒng)儲能）、通信系統(tǒng)儲能、家庭儲能和便攜式儲能。大型儲能是儲能電池的主要應(yīng)用場景，主要用于發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)及用戶側(cè)的儲能集裝系統(tǒng)，出貨量占比達到61%，其次是通信系統(tǒng)儲能，主要用于通信基站備電，占比達到25%，家庭儲能產(chǎn)品主要出口國外。便攜式儲能占比最少，僅3%。
2021年國內(nèi)儲能電池出貨量結(jié)構(gòu)
多家企業(yè)以儲能電池入局儲能電池市場
儲能電池正處于快速發(fā)展階段，市場格局未定。寧德時代以強大的控本能力與規(guī)模優(yōu)勢后來居上，目前與國網(wǎng)、五大發(fā)電集團、科士達、星云股份、陽光電源等企業(yè)建立廣泛合作，暫居第一；鵬輝能源借助海外市場，在家庭儲能方面快速擴張，占據(jù)國內(nèi)出貨量第二；比亞迪深耕歐美市場，客戶與渠道優(yōu)勢穩(wěn)固，暫居國內(nèi)第三。
2021年中國儲能電池企業(yè)全球儲能電池出貨量（MWh）
數(shù)據(jù)來源：CNESA
儲能電芯產(chǎn)品發(fā)展趨勢是產(chǎn)品標準化、大電芯化、去模組化，各家企業(yè)均在進入該行業(yè)并試圖做大做強。3年后將會呈現(xiàn)強者恒強局面，不具備規(guī)?；瘍?yōu)勢與高性能電芯研發(fā)設(shè)計能力的中小玩家將加速被淘汰。
鋰電池性能要求包括能量密度、功率密度、成本、壽命和安全性等。儲能應(yīng)用對電池的能量密度和功率密度的要求有所放寬，更強調(diào)降低配儲度電成本，儲能電池需具有低成本、長壽命，且確保電池應(yīng)用的安全性。
磷酸鐵鋰電池性能與儲能需求適配度較高，已成為國內(nèi)主流路線。
三元鋰電池能量密度和功率密度高，但成本較高，且安全性相對較弱。2022年6月國家能源局綜合司《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求（2022年版）（征求意見稿）》，提出中大型電化學儲能電站不得選用三元鋰電池、鈉硫電池，不宜選用梯次利用動力電池。
磷酸鐵鋰電池安全性優(yōu)、循環(huán)壽命長、金屬資源儲量豐富、成本較低且環(huán)保，已成為儲能電池的主要選擇。
大型儲能裝機規(guī)模通常在MWh級以上，大電芯有望成為主流。
大型儲能系統(tǒng)是推動可再生能源大規(guī)模應(yīng)用、建設(shè)新型電力系統(tǒng)的重要設(shè)施，可以起到調(diào)峰、調(diào)頻、備用容量、平滑出力、緩解電網(wǎng)阻塞等作用，包括發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)儲能等，通常在幾十甚至上百MWh，使用的電芯以大容量方形電芯為主。
在儲能應(yīng)用中，280Ah及以上的大容量電芯能夠有效降低儲能系統(tǒng)成本，并降低集成難度，優(yōu)勢明顯，正逐步在電力儲能場景替代原有的50Ah和100Ah電芯產(chǎn)品。
280Ah及以上大電芯的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)
電力儲能大電芯發(fā)展趨勢明顯。需求側(cè)，大型電力儲能設(shè)施的業(yè)主和投資者對280Ah大電芯的關(guān)注度快速上升，華能、中國能建等業(yè)主方在其最新儲能電池招標中均要求單體容量不低于280Ah。
供給側(cè)，自2019年寧德時代推出280Ah電芯以來，國內(nèi)已超過10家電芯企業(yè)推出280Ah電池產(chǎn)品；海辰、中創(chuàng)新航等電芯廠商均加碼擴產(chǎn)280Ah電芯。
2020年以來國內(nèi)280Ah電池產(chǎn)線擴張情況（部分）
戶用場景對電池能量密度等要求相對較低，影響用戶體驗的主要是產(chǎn)品整體設(shè)計，包括電池管理和全屋能源調(diào)配等，對電芯性能的要求相對放寬，主要強調(diào)安全性和降本。
戶用儲能系統(tǒng)規(guī)模在10kWh級別，大圓柱電池（單體容量10Ah-50Ah），方形（50Ah-300Ah），軟包（30Ah-80Ah）方案均有公司選用，目前戶儲采用的電芯封裝路線并無定型。
小電芯或?qū)⒊蔀閼魞χ髁?。當前歐洲戶儲市場正經(jīng)歷低壓向高壓系統(tǒng)的產(chǎn)品迭代。高電壓平臺可降低電流，從而控制系統(tǒng)發(fā)熱量，提高放電效率。儲能系統(tǒng)容量不變的情況下，高壓系統(tǒng)對應(yīng)的電芯容量減小。例如，低壓平臺儲能電芯多為100Ah，高壓平臺逐漸向50Ah過渡。100Ah以下小容量電池在戶用家儲領(lǐng)域仍有較長的應(yīng)用生命周期。
正極、負極、電解液、鋰電銅箔、隔膜是鋰電池主要直接材料。
2015-2021年中國五大關(guān)鍵電池材料市場占比變化
正極材料是最主要的材料成本，占比約55%。鋰離子電池主要以正極材料不同分為磷酸鐵鋰電池和三元電池，動力電池二者均有，儲能電池目前國內(nèi)幾乎均為磷酸鐵鋰電池。
負極材料占總成本約14%，包括人造石墨和天然石墨。人造石墨可用于動力電池和儲能電池，而天然石墨多用于消費電池。
電解液占總成本約13%，其主要成分為溶質(zhì)、溶劑和添加劑。溶質(zhì)包括LiPF6和新型鋰鹽LiFSI，是主要成本來源。溶劑以環(huán)狀碳酸酯和鏈狀碳酸酯為主，包括PC、EC、DMC、DEC和EMC等，添加劑主要用于成膜、過充保護、耐低溫、阻燃、提升倍率等，常見產(chǎn)品包括VC、FEC、PS、LiBOB、DTD、LiDFOB等。
鋰電銅箔為電解銅箔，成本占比約8%。鋰電銅箔用于鋰電負極集流體。
隔膜占總材料成本的4%，分為濕法隔膜和干法隔膜。濕法隔膜的主要成本為PE、干法隔膜主成分為PP。
2021年鋰離子電池材料市場結(jié)構(gòu)估算
鋰電池的上游原材料主要包括各類礦產(chǎn)，包括鋰礦，鎳礦，鈷礦，錳礦，鐵礦等金屬資源以及石墨礦、硅、磷酸鹽等非金屬礦產(chǎn)資源，冶煉出來電池原材料，主要包括正極材料，負極材料，隔膜、電解液、鋰電銅箔等。
電池材料上游礦產(chǎn)資源中鈷、鎳、鋰依賴海外進口。中國正極/負極/電解液/隔膜等電池材料的全球市占率分別為55%/92%/86%/73%，但中國的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料鈷、鎳、鋰僅占全球儲量的1.95%/1.57%/6.31%，鈷/鎳/鋰依賴進口。隨著新能源汽車需求快速增長，鈷/鎳/鋰市場景氣度較高。
磷酸鐵鋰2021-2022年供應(yīng)偏緊，產(chǎn)能擴張速度加快，2023-2025年存在結(jié)構(gòu)性過剩風險。預計2022年國內(nèi)磷酸鐵鋰出貨約為95萬噸，而年初產(chǎn)能分別為94萬噸，產(chǎn)品供給偏緊張。隨著2023年磷酸鐵鋰產(chǎn)能快速釋放，產(chǎn)能存在結(jié)構(gòu)性過剩風險。
2021-2025年中國磷酸鐵鋰材料企業(yè)產(chǎn)能規(guī)劃及需求量預測
三元材料2022年-2025年供應(yīng)均偏緊，三元材料企業(yè)產(chǎn)能擴張謹慎。預計2022-2025年國內(nèi)三元材料出貨量分別預測為62/88/123/170萬噸，而各年年初產(chǎn)能分別為62/100/125/155萬噸，產(chǎn)能供給均較為緊張。
2021-2025中國三元材料產(chǎn)能規(guī)劃及需求量預測
磷酸鐵鋰朝著高壓實、低溫性能、高能量密度方向發(fā)展。
磷酸鐵鋰材料性能已接近理論瓶頸，材料本身性能難以大幅提升；目前正在發(fā)展低成本長循環(huán)的磷酸鐵鋰正極材料。目前正在開發(fā)材料包括高壓實密度、快充、高能量密度材料（如磷酸錳鐵鋰)。
三元材料向著高鎳、低鈷（無鈷）、單晶、四元等方向發(fā)展，還向著包覆和摻雜，固態(tài)鋰電材料、富鋰錳基正極材料等技術(shù)發(fā)展探索方向，以期進一步提升電池的能量密度和快充性能。
2021-205年石墨負極產(chǎn)能均相對緊張。2021-2025年石墨負極需求量分別預計為78/109/146/196/270萬噸，而當年年初產(chǎn)能分別為53/81/133/213/259萬噸。
2020-2025年中國負極材料企業(yè)產(chǎn)能規(guī)劃及需求量預測
人造石墨負極是主流負極材料，占據(jù)總體市場80%以上市場份額，且市場占比仍在提升。
硅基材料結(jié)合了碳材料高電導率、穩(wěn)定性及硅材料高容量優(yōu)點，成為當前動力電池提容最佳之選。在動力領(lǐng)域?qū)?%-10%的氧化亞硅和石墨復合，3C領(lǐng)域?qū)⒓{米硅與石墨復合，可使電池能量密度提升5%-10%。
目前硅基材料主要以添加劑形式與人造石墨摻雜，主要應(yīng)用于圓柱動力電池，產(chǎn)品出口較多。由于硅基材料技術(shù)不成熟，硅體積膨脹問題未解決，制備工藝難度大非標準，價格貴，目前主要應(yīng)用于高端圓柱動力電池。
新建電解液產(chǎn)能規(guī)模較大，短期內(nèi)存在結(jié)構(gòu)性過剩風險。2022-2023年產(chǎn)能快速擴張，電解液供應(yīng)緩解。2024-2025年企業(yè)產(chǎn)能存在結(jié)構(gòu)性過剩風險。
2020-2025中國電解液產(chǎn)能及需求量（萬噸）（不完全統(tǒng)計）
新型鋰鹽未來具有穩(wěn)步提升可能性。目前應(yīng)用較多的新型鋰鹽為雙氟磺酰亞胺鋰（LiFSI）。
新型鋰鹽和添加劑能有效改善電池循環(huán)和高低溫性能，是電解液產(chǎn)品差異化發(fā)展的主要策略。
LiPF6短期內(nèi)仍是最主要鋰鹽，但LiFSI等新型鋰鹽滲透率有望逐步提升。LiPF6存在熱穩(wěn)定性差，對水分敏感，易生成HF等問題，因此開發(fā)新型鋰鹽成為電解液研發(fā)重要方向，LiFSI具有高低溫性能好、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，目前正在快速發(fā)展中。
新型添加劑開發(fā)和配方將成為企業(yè)核心競爭力和持續(xù)盈利能力的關(guān)鍵。
隨著鋰電池往高電壓、高鎳化等方向發(fā)展，所需電解液配方，尤其是添加劑使用將越來越復雜，添加劑少量使用即可顯著提升電解液性能，因此性價比很高，未來將是進一步提升企業(yè)競爭力、提高產(chǎn)品附加值的關(guān)鍵所在。
鋰電銅箔需求未來年均復合增長超過25%，2022-2024年存在結(jié)構(gòu)性過剩風險。隨著動力電池需求量的快速增長，鋰電銅箔總出貨量將大幅增長。
2020-2025中國鋰電銅箔出貨量及預測（萬噸）
鋰電銅箔極薄化方向明確，即通過壓縮體積的方式提升電池的能量密度。目前6um占據(jù)市場主流，諾德股份、德?？萍嫉壬贁?shù)企業(yè)已向頭部電池企業(yè)小批量供貨4.5um銅箔產(chǎn)品，其他如龍電華鑫、嘉元科技、中一科技、銅冠銅箔等也加快4.5um銅箔研發(fā)量產(chǎn)化步伐。
PET銅箔生產(chǎn)工藝是在厚度3.5-6μm的PET塑料薄膜表面采用磁控濺射或真空蒸鍍的方式，制作一層50-80nm的金屬層，然后通過水電鍍的方式，將金屬層加厚到1μm，制作總厚度在5.5-8μm的復合金屬箔，來替代6-8μm的傳統(tǒng)金屬箔。其優(yōu)勢是能提升能量密度（5%-10%）、提高安全性（阻燃結(jié)構(gòu)），劣勢是制造成本升高（70%成品率、制程增加真空磁控濺射或真空蒸鍍）、內(nèi)阻增大（限制高倍率充放電）。
隔膜分為濕法隔膜和干法隔膜，濕法隔膜憑借輕薄、低自放電等優(yōu)勢占據(jù)市場主體地位。濕法隔膜厚度低于干法隔膜，有利于提升電池能量密度。干法隔膜主要優(yōu)點是低成本、耐過充和高安全性。
2021年濕法隔膜市場集中度上升，TOP3占比78%，主要系濕法隔膜企業(yè)下半年頭部企業(yè)新產(chǎn)線投產(chǎn)，帶動出貨量上升。
2020-2022年中國濕法隔膜和干法隔膜產(chǎn)能及需求量
隔膜因其基材、涂布漿料及工藝難度較高而具有高進入壁壘，其難度主要來自原料選擇和配比、隔膜設(shè)備及精確控制技術(shù)，其中新型隔膜基材和涂覆隔膜成為重點研發(fā)方向。
新型隔膜基材，提高電池倍率和安全性。聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）是隔膜的主要基體材料，但在接近熔點時均會因熔化而收縮變形，導致正負極接觸短路，存在電池燃燒或爆炸危險。正在發(fā)展以聚酰亞胺（PI）、聚對苯二甲酸乙二酯（PET）、間位芳綸（PMIA）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚對苯撐苯并二唑（PBO）等合成材料制備無紡布新型隔膜基材。
濕法涂覆提質(zhì)增效，涂覆能提高電池耐溫性、安全性，縱向一體化是隔膜企業(yè)發(fā)展大趨勢，基膜可發(fā)揮規(guī)模優(yōu)勢，涂覆膜可發(fā)揮差異化優(yōu)勢。濕法隔膜涂覆材料以氧化鋁涂層為主，同時并存著PVDF涂層、PVDF/氧化鋁混合涂層、氧化鋁+PVDF疊加復合涂層、勃姆石、芳綸、納米復合材料等涂層品類。
中國主要隔膜廠商主要技術(shù)發(fā)展進展
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