【独角兽研究】动力锂电池：入门扫盲
作者|独角兽研究
电动汽车未来十年的成长性是毋庸置疑的，但是整车不好投，多卖了电动车就会少卖燃油车，互联网车企属于新增量，可惜不在二级市场，所以作为电动汽车最关键变量的动力电池就得到二级市场多年来的青睐。这几天受到欧阳明高院士“2017年动力电池技术进展与发展趋势”主题演讲的启发，今天想跟大家一起梳理一下动力电池产业链的演化过程和未来趋势，目的是帮助一些刚进入这个行业做研究的投资人提供一个清晰的分析框架，希望老司机多提供意见。
欧阳明高院士对动力电池未来趋势的预判值得参考，我的总结如下：
1）政府对动力电池2020年的规划可以完成的确定性很高，即2020年可以实现比能量300瓦时/公斤、比功率1000瓦时/公斤，循环1000次以上，成本0.8元/瓦时以内。实现的途径也是明确的，即通过正极三元高镍化和负极硅碳化，其中的关键是负极硅碳化。这方面宁德时代跑的最快，在保证安全性的情况下，能量密度已经可以达到304瓦时/公斤，循环寿命在1000次左右；其他电池企业如力神和国轩也已接近满足要求。
2）2020~2025年，动力电池能量密度从300瓦时/公斤提升到400瓦时/公斤，每瓦时成本从8毛钱以内降到6毛钱以内，汽车续航里程达到400公里。要完成400瓦时/公斤的目标，关键是正极材料的改变，目前看最可能的是富锂锰基和固态电池。
3）2025~2030年，最大的突破可能在电解质，即全固态电池会规模产业化，比能量有望达到500瓦时/公斤，续航里程500公里以上。
一、正极三元材料高镍化
动力电池的产业规模化主要受三个因素影响：能量密度、安全性和成本，电池路线的发展也是在这几个因素之间平衡驱动的。目前锂离子电池的正极材料主要有钴酸锂、磷酸铁锂和三元材料：钴酸锂由于含钴量高，而钴比较稀缺，所以容易导致成本高；磷酸铁锂成本低、安全性好，但是能量密度限制大；三元材料比较好地平衡了三个因素，在政策鼓励下增长较快。
三元材料顾名思义就是由三种化学成分组成的材料，然后根据三种元素的配比比例来区分命名。目前主要的两种三元材料是NCM（镍钴锰多元材料）和 NCA（镍钴铝多元材料），字母就是化学元素的缩写。NCM（镍钴锰多元材料）根据镍钴锰三种金属含量的比例不同，主要分为NCM333、NCM523、NCM622和NCM811，数字就是每种元素的占比，其中NCM333和NCM523 属于低镍，NCM622和NCM811属于高镍。NCA（镍钴铝多元材料）中主要为镍、钴两种元素，铝元素含量较少，是高镍三元材料的代表，比如特斯拉的三元NCA电池中镍含量就达到了80%。
1）三元电池高镍化的原因：
1、前面已经说过，钴稀缺，成本高，长期用不合适；
2、镍有提高材料能量密度的作用。在三元材料中，镍和钴是主要的电活性原子，锰和铝只是起到维持材料在充放电过程中结构稳定的作用；锂离子在低镍三元材料中迁移活性较低，而且镍的电压比钴更高、容量更大，因此为了不断提高正极材料的比容量，就要向高镍化方向发展。
2）高镍化也有限度：
由于锂原子和镍原子半径相似，过量镍的加入会因与锂发生位错现象导致锂镍混排，锂层中镍含量越多，锂在层状结构中脱嵌就越难，导致材料电化学性能变差，而且镍含量越高，对制程的要求也越高。因此，虽然增加镍的比例是件满足能量密度和成本的两全其美事情，但最高比例也是有限度的。
3）每单位三元材料所对应的化学成分含量：
1吨三元NCM333正极材料需要0.20吨镍金属、0.20吨钴金属；需要0.91吨硫酸镍、0.97吨硫酸钴；1吨三元NCM523正极材料需要0.31吨镍金属、0.13吨钴金属；需要1.40吨硫酸镍、0.60吨硫酸钴；1吨三元NCM622正极材料需要0.38吨镍金属、0.13吨钴金属；需要1.72吨硫酸镍、0.61吨硫酸钴；
1吨三元NCM811正极材料需要0.53吨镍金属、0.07吨钴金属；需要2.38吨硫酸镍、0.32吨硫酸钴；1吨三元NCA正极材料需要0.55吨镍金属、0.10吨钴金属；需要2.45吨硫酸镍、0.49吨硫酸钴。
根据真锂研究预测的数据，2017年我国动力锂电池领域对正极材料市场需求约为7.33万吨，其中三元NCM材料市场需求约为3.01万吨，占比41%，三元NCA材料市场需求约为1.17万吨，占比16%。
虽然目前还是以NCM523为主，占比超过50%，但是未来两年高镍NCM811和NCA会呈现爆发式增长。
二、负极材料硅碳化
要增加能量密度，除了要在正极材料上改进，负极材料也要跟进才能快速达到目标。硅基负极材料的能量密度优势明显高于石墨负极材料，因为石墨的理论能量密度是372mAh/g，而硅负极的理论能量密度可高达4200mAh/g，实际应用中能实现1000mAh/g也是有着巨大的优势。近两年国内外相关研究已经解决了硅基材料体积膨胀和低电导率的问题，多家负极材料公司都开始了量产项目。比如，特斯拉已在Model3上采用硅碳负极作为动力电池新材料，电池容量达到了550mAh/g以上，电池能量密度达300wh/kg；杉杉股份2017年可以完成4000吨/年的硅碳负极生产规模。
三、软包电池
聊完电池的正负极材料，还是有必要对电池封装形式做一下了解。目前市场上主要有三种电池封装形式：圆柱形、方形和软包，其中软包的趋势较明显。
圆柱形电池是以直径和长度命名的，比如18650，18是直径，65是长度，单位是mm。圆柱形电池的优点是：工艺成熟、PACK成本较低、良品率高、散热好、空间布局灵活；缺点是：采用钢壳或铝壳封装，会比较重，比能量相对较低。通过增大圆柱形电池的体积可以获得更多的电池容量，这是在改进正负极材料性能相对较慢的情况下，部分企业所采取的可以相对提高能量密度的措施。比如，特斯拉已经启动了21700电池的规模化生产，并用在Model 3上；国内部分圆柱形18650电池企业比克、福斯特、猛狮等都宣称将在未来产能扩充中投产21700电池。
方形电池壳体主要采用铝合金、不锈钢等材料，优点是：重量轻、内阻小、循环寿命长、封装可靠度高、耐受性好、成组相对简单、系统能量效率高；缺点是：尺寸定制化高、型号太多、工艺难统一，安全隐患较大（一个由40个圆柱电池形成的动力电池模组，可能仅由4-5块方形电池组成，一旦发生电芯热失控，那么方形每个电芯产生起火或爆炸的速度、威力都远高于圆柱电芯）。目前，生产方形电池的企业有国轩高科、三星SDI、力神、宁德时代等。
软包电池最大的不同之处在于软包装材料(铝塑复合膜)，这是软包锂电池中最关键、技术难度最高的材料。软包装材料通常分为三层，即外阻层(一般为尼龙BOPA或PET构成的外层保护层)、阻透层(中间层铝箔)和内层(多功能高阻隔层)。
软包电池的优势：
1）安全性能好，软包电池在结构上采用铝塑膜包装，发生安全问题时，软包电池一般会鼓气裂开，而不像钢壳或铝壳电芯那样发生爆炸；
2）重量轻，软包电池重量较同等容量的钢壳锂电池轻40%，较铝壳锂电池轻20%；
3）内阻小，软包电池的内阻较锂电池小，可以降低电池的自耗电；
4）循环性能好，软包电池的循环寿命更长，100次循环衰减比铝壳少4%～7%；
5）设计灵活，外形可变任意形状，可以更薄，可根据客户的需求定制，开发新的电芯型号。
软包电池的不足之处是一致性较差，成本较高，容易发生漏液。
虽然圆柱、方形和软包三种封装类型的电池各有优势，也各有不足，但是三元电池中用软包的趋势还是比较明显，因为三元软包电池容量较同等尺寸规格的钢壳锂电池高10~15%、较铝壳电池高5~10%，而重量却比同等容量规格的钢壳电池和铝壳电池更轻，在高能量密度和轻量化的政策推动下更容易得到企业认可。近年来，国内如东风、众泰、北汽新能源等主流电动车企都在增加软包动力电池份额，宁德时代最新研发的高镍正极和硅碳负极电池也是使用软包封装形式。
四、富锂锰基正极材料
富锂锰基正极材料还处于研发阶段，相关资料较少，它的优势是：比容量高、成本低、无毒安全。欧阳明高院士表示，目前国内有两个单位承担了富锂锰基正极材料前沿基础项目，一个是物理所，改善了富锂锰基正极循环的电压衰减；另外一个是北京大学的团队，研制出了比容量400毫安时/克的富锂锰基正极，那么理论上满足400瓦时/公斤的能量密度就没问题。
五、固态电池和全固态电池
市场上对固态电池的讨论比富锂锰基多不少，固态电池可以说是全固态电池的前期形态，即它的电解质可能是液态、半固态、固液混合，而全固态锂电池值得是一种在工作温度区间内所使用的电极和电解质材料均呈固态，不含任何液态组份的锂电池，全称是“全固态电解质锂电池”。
全固态锂电池的优势：
1）安全性高，因为它没有有机溶剂作为电解质引发电解液燃烧问题；
2）能量密度高，因为固态电解质的密度和使用量高于液态电解质，而使用固态电解质之后就没有电解液泄漏问题，所以它可以一片片全部叠起来，这样体积比能量就会高；
3）正极材料选择的范围宽，因为负极是锂金属，正极不含锂都可以，而且电解质的电压窗口更宽，正极材料选择范围也就大，比能量就可以提高；
4）系统比能量高，由于电解质无流动性，可以方便地通过内串联组成高电压单体，利于电池系统成组效率和能量密度的提高。
目前国内做固态电池研究的机构和产业单位还不少，包括中科院青岛能源所、（中科院）宁波材料所，（中科院）物理所等，也包括宁德时代、中航锂电等。因为从固态电池到全固态电池的过程中有中间形态可以产业化，比如丰田计划将在2022年实现固态锂离子电池的产业化（它是一种石墨负极＋硫化物电解质＋高电压正极的电池），所以固态电池比富锂锰基正极材料电池值得跟踪研究。
虽然今天的文章不涉及具体的投资逻辑，但是对于新人去筛选重点关注的公司还是有帮助的，比如选动力锂电池企业要选那种既有当前主流产品产能的，还要有未来产品形态技术储备的，像宁德时代、国轩高科、璞泰来、杉杉股份等；而对钴的投资是越往后不确定性越大。
（参考资料：真锂研究）
欢迎产业专家、投资大佬和资深读者对文章的问题提出宝贵意见，独角兽是秉承科学研究态度的平台，希望在投资之路上与你们携手同行（文章只用于科学研究和探讨，不涉及投资建议）。
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