看完這篇文，鋰電池入門_風聞

　　不關注新能源，還算合格投資者麼？

　　過去幾個月，新能源汽車概念反覆席捲資本市場，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。

　　隨着“碳達峯、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日發佈的《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——這意味着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。

　　陳悶雷丨作者

　　一萌、普通醬丨編輯

　　放大燈團隊丨策劃

　　純電動車人人都懂，但是瞭解鋰電池的人就不多了。

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

　　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。它廣泛應用於電動車、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，年複合增長率達23.4%。若以此做參考，則動力鋰電池行業產值約在698億左右。

　　隨着電子產品迭代、新能源汽車強勢發展以及政府對於提高節能環保要求，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，中游末端為電池製造商，它們將上游原材料製成不同規格產品；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

　　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）、安全性能以及適用温度等。

　　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，在成本中的佔比遠高於束線、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着直接影響，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着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，其能量密度高於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，僅適用於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，如今主要用於電動工具以及儲能領域，少見於動力電池。

　　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次充放電後，放電容量不低於初始容量的90%，或1000次充放電不低於80%。

　　當前主要應用於電動車領域的，**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佔比中，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於能量密度高。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，受到衝擊和處於高温環境時，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，一直限制着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，使其在高温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並放出氧氣，導致電解質燃燒，相較之下磷酸鐵鋰的分解温度則在600℃左右，安全優勢非常明顯[6]。

　　基於上述優點，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，佔比61.1%，累計下降4.1%；磷酸鐵鋰電池裝車24.4GWh，佔比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（佔比近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，非常昂貴且開採極不穩定，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，由於政府補貼的存在，三元電池的高成本問題並不突出，**但伴隨着近年補貼力度的持續下降，其成本壓力也愈發沉重，**迫使電池製造少尋找替代材料。

　　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於高位時，也遠低於三元材料。

　　數據來源：國信證券[8]

　　同時，隨着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，併為國產特斯拉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佔比，三元材料可以分為111、523、622和811四種主要類型。從市佔率看，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佔率超過50%；8系（即811）電池則憑藉高鎳化趨勢實現爆發，市佔率從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，鎳含量的上升意味着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，**否則很難説服乘用車消費者購買，更不可能用於對安全性要求更高的商用車輛。

　　除了鎳鈷錳（NCM）三元材料，目前還有一種採用鎳鈷鋁（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佔比僅有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、粘結劑和添加劑製成糊狀膠合劑後，塗抹在銅箔兩側，經過乾燥、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佔比高達84%，較2019年水平進一步提升5.5個百分點[3]。

　　相較於其它材料，人造石墨循環性能好、 安全性佔優且工藝成熟、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複合材料，硅顆粒作為活性物質，提供儲鋰容量，碳顆粒則用來緩衝充放電過程中負極的體積變化，並改善材料的導電性，同時避免硅顆粒在充放電循環中發生團聚。

　　基於此，**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，大幅領先採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。未來量產後，電池製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、高低温性能、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製構成。按質量劃分，溶劑質量佔比 80%~90%，鋰鹽佔比10%~15%，添加劑佔比在5%左右；按成本劃分，鋰鹽佔比約40%~50%， 溶劑佔比約30%、添加劑佔比約10%~30%[15]。

　　相較於其它三種材料，鋰電池對電解液的要求最為複雜，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，在較寬的温度範圍內保持液態； 

　　安全性好，製備工藝不復雜，成本低，無毒無污染。 

　　目前，由於較好的性能與較低的成本，**六氟磷酸鋰（LiPF6）是主流的鋰鹽溶質。**其在各類非水溶劑中有較好的溶解度和較高的電導率，化學性質相對穩定，安全性好，且對環境污染也小。但缺陷同樣明顯：六氟磷酸鋰對水分比較敏感，熱穩定性也差，最低60℃就可能開始分解，電池性能將快速衰減，低温環境的循環效果則比較一般，適應温度範圍窄。

　　此外，六氟磷酸鋰對其純度、穩定性要求非常高，生產過程涉及低温、強腐蝕、無水無塵等苛刻工況條件，生產難度也比較大。 

　　新一代鋰鹽中，雙氟磺酰亞胺鋰（LiFSI），被認為有望替代六氟磷酸鋰。相較於傳統鋰鹽，LiFSI的的熱穩定性更高，而且在電導率、循環壽命、低温性能等方面均有優勢[16]。

　　但受限於生產工藝與產能，LiFSI成本過高，遠超六氟磷酸鋰。為控制成本，LiFSI在實際商用中仍更多的作為電解液添加劑使用，而非鋰鹽溶質。

　　信息來源：長江證券[16]

　　隔膜

　　鋰電池隔膜是正負極之間的一層薄膜，在鋰電池進行電解反應時，可用來分隔正極和負極防止發生短路。隔膜浸潤在電解液中，表面有大量允許鋰離子通過的微孔，微孔的材料、數量和厚度會影響鋰離子穿過隔膜的速度，進而影響電池的放電倍率、循環壽命等指標。

　　**聚烯烴是當前通用的鋰電池隔膜材料，**可為鋰電池隔膜提供良好的機械性和化學穩定性，進一步細分則有聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、複合材料三大類。

　　隔膜材料的選擇與正極材料有關，目前聚乙烯主要應用於三元鋰電池，聚丙烯則主要應用於磷酸鐵鋰電池。

　　除了材料，製備工藝對隔膜的性能也有着一定影響。

　　當前鋰電池隔膜的生產技術分為幹法和濕法兩大類。

　　幹法又稱為熔融拉伸法（MSCS），可進一步細分為單向拉伸和雙向拉伸兩種工藝。此技術路線的發展時間長，更加成熟，主要用於生產PP膜。此外，雙向拉伸工藝由於成品性能不佳，只用於中低端電池，已不再是主流製備工藝。

　　幹法工藝具有簡單、成本低、環境友好的特點，但產品性能較差，更適用於小功率、低容量電池。而在上文提到過，磷酸鐵鋰電池恰好存在能量密度偏低的缺陷，故採用幹法工藝的隔膜多用於這一技術路線。

　　濕法又稱為熱致相分離法（TIPS），與只對基膜進行拉伸的幹法工藝不同，濕法會對基膜表面進行塗覆，以提高材料的熱穩定性。相較於幹法制備產品，濕法工藝的隔膜在性能上有着比較明顯的優勢，其厚度更薄，拉伸強度更理想，孔隙率更高，有着更為均勻的孔徑和更高的橫向收縮率。此外，濕法隔膜的穿刺強度更高，更有利於延長電池壽命，且更加適應高能量密度的鋰電池發展方向，目前主要應用於三元電池。

　　不過與幹法相比，濕法工藝相對複雜、成本高、易對環境造成污染。

　　當前隔膜材料的主要市場趨勢十分確定。由於更加符合動力電池高能量密度的要求，可以延長電池循環壽命，且能增加電池大倍率放電能力，**濕法工藝正在對幹法形成快速替代。**數據顯示，2017年濕法鋰電池隔膜的市場份額首次超過幹法隔膜，而僅一年後的2018年，市佔率就進一步上升至了65%。

　　數據來源：頭豹研究院[17]

　　三大封裝技術

　　除了原材料，鋰電池的封裝技術對電池最終性能同樣有重大影響。即使材料配方一致，不同的加工工藝所生產的成品，在安全性、能量密度以及循環壽命等方面也不相同。

　　當前，封裝技術可分為三類：

　　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。同時殼體採用了密度更小、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，且由於可以根據需求做定製化生產，市場上型號繁多，工藝不統一。

　　一致性是指電池組中，單體電池的初期性能指標相近，如容量、温度特性、循環性等。若單體電池性能差異太大，在成組後會嚴重影響電池組的使用壽命。

　　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。缺陷在於整體性能一般，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，生產工藝也更加複雜，生產成本高，性價比一般。

　　從市佔率看，**目前方形電池憑藉更高的性價比，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%，佔總裝機量 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，並衍生出了“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，但均處於商業化早期，製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複雜，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，並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：**要麼提高能量密度，要麼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，均承襲於此。

　　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願也很強烈，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模化的生產，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，自然就能先人一步佔據市場，在新能源的時代佔據一席之地。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複製。

　　對於消費者而言，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，比什麼都強。

　　References：

　　[1]國務院辦公廳關於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 價格持續下降利於新能源汽車發展.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: 磷酸鐵鋰電池衝鋒，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”？正極材料出貨量佔比超三成.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] 汪偉傑：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