锂电池的四种关键材料

锂电池是如何发电的？

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能量密度、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］。

数据来源：正略钧策［4］

正极材料

当前，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，对产品最终的能量密度、电压、使用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。

锂电池能量密度，就是指电池的平均单位体积或质量能释放出的电能，能量密度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。常见的正极材料可以分为钴酸锂（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，其能量密度高于镍氢及铅酸等充电电池，最早体现出锂电池的发展潜力，但十分昂贵且循环寿命低，仅适用于3C电子产品。锰酸锂虽成本低，但能量密度不佳，在早期的慢速电动车，如电瓶车等领域有一定用量，如今主要用于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％。

当前主要应用于电动车领域的，是三元材料以及磷酸铁锂两条技术路线。在2020年锂电池正极材料出货占比中，分列第一（46％）和第二（25％）［5］。

（数据来源：公开资料整理）

三元材料的核心优势在于能量密度高。同体积、同质量下，续航时间较其它技术路线大幅领先。但其缺陷也非常明显：安全性差，受到冲击和处于高温环境时，起火点比较低。近期热度较高的针刺和过充等安全测试中，大容量的动力三元电池很难过关。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，能量密度与续航均表现一般，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，安全优势非常明显［6］。

基于上述优点，很多三元电池无法通过的安全测试，磷酸铁锂都能通过；另一方面，磷酸铁锂电池的使用寿命也有巨大优势，其循环次数远超其它技术路线，这正应对电动汽车消费者的两个关键诉求：安全、耐用。

当前，三元电池的装机量出现下滑，磷酸铁锂电池市场份额正在快速提高。统计数据显示，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主要因素，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。

在早年，由于政府补贴的存在，三元电池的高成本问题并不突出，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。

磷酸铁锂的成本优势就集中在其不含钴，从下图可以看到即使吨价处于高位时，也远低于三元材料。

数据来源：国信证券［8］

同时，随着充电桩数量的快速增加，也能弥补磷酸铁锂电池的续航问题。典型磷酸铁锂电动车续航约为300～400km，足以满足市内交通需求，三元电池在这种应用场景下无法体现核心优势。

在成本与基建的双重驱动下，越来越多的车企选择磷酸铁锂技术路线也就不令人意外了。甚至是依靠三元电池起家的动力电池巨头宁德时代，也正在快速增加磷酸铁锂电池的产能，并为国产特斯拉Model 3标准续航版本供应磷酸铁锂电池。

不过三元电池的发展没有停滞。这一技术路线长期趋势，是通过高镍低钴的配比，即所谓的高镍三元材料进行降本。

根据镍钴锰三种元素的占比，三元材料可以分为111、523、622和811四种主要类型。从市占率看，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］。

高镍三元电池一方面减少了昂贵的钴金属使用量，成本更可控，另一方面则是电池容量大幅提升，更契合消费者需求。近年国产电动汽车的续航里程快速增加，高镍电池功不可没。

但相应的，镍含量的上升意味着加工难度的快速上升，本就存在隐患的安全性更是进一步下降。在811电池大规模装配的2020年，自燃事故频出，导致这一技术路线饱受质疑。

仅广汽Aion S，首款大规模使用811电池的车型，也是目前811新能源车龄最长的车型，在2020年5月到8月，就连续发生了三起自燃事故，而这只是811电池起火的冰山一角［11］。高镍三元材料的安全性缺陷，是电池生产商必须解决的问题，否则很难说服乘用车消费者购买，更不可能用于对安全性要求更高的商用车辆。

除了镍钴锰（NCM）三元材料，目前还有一种采用镍钴铝（NCA）合金作为正极的三元材料。与NCM相比，NCA的能量密度进一步提高，但安全性能仍没有太多改善。目前，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寿命的新型生产技术专利。

不过虽受龙头青睐，NCA技术路线在国内却十分罕见，2020年在国内三元材料市场的出货量占比仅有4％，全球目前主要生产商仅有松下［12］。

负极材料

锂电池负极材料由活性物质、粘结剂和添加剂制成糊状胶合剂后，涂抹在铜箔两侧，经过干燥、滚压制得，作用是储存和释放能量，主要影响锂电池的循环性能等指标。

负极材料按照所用活性物质，可分为碳材和非碳材两大类：

碳系材料包括石墨材料（天然石墨、人造石墨以及中间相碳位球）与其它碳系（硬碳、软碳和石墨烯）两条路线；

非碳系材料可细分为钛基材料、硅基材料、锡基材料、氮化物和金属锂等。

（信息来源：公开资料整理）

与正极材料不同，锂电池负极虽路线同样众多，最终产品却很单一，人造石墨是绝对主流。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年水平进一步提升5．5个百分点［3］。

相较于其它材料，人造石墨循环性能好、 安全性占优且工艺成熟、原材料易获取，成本较低，是非常理想的选择。

石墨负极最核心的问题，则是石墨负极材料能量密度的理论上限为372mAh／g，而行业头部公司的产品已可实现365mAh／g的能量密度，逼近理论极限，未来的提升空间极为有限，急需寻找下一代替代品［13］。

新一代的负极材料中，硅基负极是热门候选者。其具有极高的能量密度，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，造成电池容量快速下降。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。

基于此，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，其能量密度成功实现300wh／kg，大幅领先采用传统技术路线的电池［14］。

不过与石墨负极相比，硅碳负极除了加工技术仍不成熟外，较高的成本也是障碍。当前的硅碳负极材料市场价格超过15万元／吨，是高端人造石墨负极材料的两倍。未来量产后，电池制造商也会面临与正极材料相似的成本控制问题。

电解液

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

电解液一般由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐和添加剂等原料按一定比例配制构成。按质量划分，溶剂质量占比 80％～90％，锂盐占比10％～15％，添加剂占比在5％左右；按成本划分，锂盐占比约40％～50％， 溶剂占比约30％、添加剂占比约10％～30％［15］。

相较于其它三种材料，锂电池对电解液的要求最为复杂，需具备多种特性：

离子电导性能好，离子迁移阻力要低；

化学稳定性高，不可与电极材料、电解液、隔膜等发生有害副反应；

熔点低，沸点高，在较宽的温度范围内保持液态；

安全性好，制备工艺不复杂，成本低，无毒无污染。

目前，由于较好的性能与较低的成本，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，热稳定性也差，最低60℃就可能开始分解，电池性能将快速衰减，低温环境的循环效果则比较一般，适应温度范围窄。

此外，六氟磷酸锂对其纯度、稳定性要求非常高，生产过程涉及低温、强腐蚀、无水无尘等苛刻工况条件，生产难度也比较大。

新一代锂盐中，双氟磺酰亚胺锂（LiFSI），被认为有望替代六氟磷酸锂。相较于传统锂盐，LiFSI的的热稳定性更高，而且在电导率、循环寿命、低温性能等方面均有优势［16］。

但受限于生产工艺与产能，LiFSI成本过高，远超六氟磷酸锂。为控制成本，LiFSI在实际商用中仍更多的作为电解液添加剂使用，而非锂盐溶质。

信息来源：长江证券［16］

隔膜

锂电池隔膜是正负极之间的一层薄膜，在锂电池进行电解反应时，可用来分隔正极和负极防止发生短路。隔膜浸润在电解液中，表面有大量允许锂离子通过的微孔，微孔的材料、数量和厚度会影响锂离子穿过隔膜的速度，进而影响电池的放电倍率、循环寿命等指标。

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。

隔膜材料的选择与正极材料有关，目前聚乙烯主要应用于三元锂电池，聚丙烯则主要应用于磷酸铁锂电池。

除了材料，制备工艺对隔膜的性能也有着一定影响。

当前锂电池隔膜的生产技术分为干法和湿法两大类。

干法又称为熔融拉伸法（MSCS），可进一步细分为单向拉伸和双向拉伸两种工艺。此技术路线的发展时间长，更加成熟，主要用于生产PP膜。此外，双向拉伸工艺由于成品性能不佳，只用于中低端电池，已不再是主流制备工艺。

干法工艺具有简单、成本低、环境友好的特点，但产品性能较差，更适用于小功率、低容量电池。而在上文提到过，磷酸铁锂电池恰好存在能量密度偏低的缺陷，故采用干法工艺的隔膜多用于这一技术路线。

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，湿法会对基膜表面进行涂覆，以提高材料的热稳定性。相较于干法制备产品，湿法工艺的隔膜在性能上有着比较明显的优势，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，更有利于延长电池寿命，且更加适应高能量密度的锂电池发展方向，目前主要应用于三元电池。

不过与干法相比，湿法工艺相对复杂、成本高、易对环境造成污染。

当前隔膜材料的主要市场趋势十分确定。由于更加符合动力电池高能量密度的要求，可以延长电池循环寿命，且能增加电池大倍率放电能力，湿法工艺正在对干法形成快速替代。数据显示，2017年湿法锂电池隔膜的市场份额首次超过干法隔膜，而仅一年后的2018年，市占率就进一步上升至了65％。

数据来源：头豹研究院［17］