锂电新周期之技术路线总览

一、锂资源需求格局

1.1动力电池和消费电子里资源消费合计超90%

2018年全球锂需求量约27.4万吨（碳酸锂当量）。受中国中国汽车产量下滑和新冠疫情影响，2020年全球锂需求短暂出现负增长，但长期看，预计2027年全球锂需求会增长至100万吨（碳酸锂当量）,年均复合增长率为18%。

数据来源：兴业证券、起点研究院

1.2动力电池装机量增长迅速

经测算，2021年在没有补贴的背景下，传统汽车和续航400km新能源汽车行驶1.5万km/年的年均使用成本分别为2.35万、2.36万，行驶2万km/年的年均使用成本分别为2.61万、2.40万。由此可见，退补后新能源汽车的经济性已与传统汽车相当，在某些特定的使用情景下经济性甚至会更优。因此，我们认为新能源汽车可以维持高速增长的趋势。

根据中国汽车工程协会和国际各大车企规划2025年新能源汽车的渗透率为15%-25%，经测算2025年中国、欧美地区动力电池需求分别为327GWh和505GWh，年均增速分别为28%和47%。

中国动力电池需求测算

数据来源：汽车工业协会、起点研究院

欧美地区动力电池需求预测

数据来源：汽车工业协会、起点研究院

1.3 消费电子锂资源消费增长稳定

消费电子电池的应用场景主要包括手机、笔记本、平板电脑、电动工具、电动自行车、充电宝等。智能手机市场饱和增长空间在5G换机潮以及单机带电量提升；电动工具、电动自行车等领域未来增长空间在铅酸、镍镉等电池替代以及单机带电量提升。预计3C电子全球需求量稳定小幅增长。

全球3C锂电池消费需求测算/Gwh 

数据来源：华西证券、起点研究院

1.4储能锂资源消费增长迅速

据产业信息网披露，2017年全球和中国储能锂电池出货量分别为10.4GWh、3.45GWh，同比分别增长38%、34%，预计2022年国内储能电池市值约为137亿元，据此测算2022年国内储能电池装机约为14GWh。国外电价高于国内，对储能需求更强，假设按照国外储能电池增速与国内相同，则2022年全球储能电池需求为41GWh，年均增速约为16%。

储能锂电装机量

数据来源：产业信息网、起点研究院

二、各种电池分类及性能对比

数据来源：起点研究院整理

跟传统电池相比，锂离子电池具备以下优点：

1）能量密度高。锂离子电池质量比能量/体积比能量均为镍镉电池、镍氢电池的2-3倍，因此同容量的电池，锂离子电池要轻很多，体积要小很多。

2）电压高。因为采用了非水有机溶剂，其电压是其他电池的2-3倍。

3）自放电率低。锂离子电池的自放点率为3%-9%，镍镉电池为25-30%，镍氢电池为30%-35%。

4）无记忆效应。记忆效应就是指电池用电未完再充电时充电量下降，锂离子电池无记忆效应，所以可以随时充电，这样就使锂离子效能得到充分发挥，而镍镉电池的记忆效应较重，有时会出现使用一半而不得不放电再充电的现象。

5）循环使用寿命长。锂离子电池在充放电过程中，锂离子不断地在正、负极材料中脱/嵌，避免了锂在负极内部产生枝晶而引起的损坏，循环使用寿命可达1000-2000次，而镍镉电池、镍氢电池的充放电次数一般为300-600次。

6）锂离子电池内部采用过流保护、压力保护、隔膜自熔等措施。锂离子电池因此成为便携式电子产品的理想电源，也是电动汽车和混合电动汽车的首选电源。锂离子电池及其相关材料成为了市场上关注的热点之一。

三、锂电池分类

锂离子电池按照不同的分类方式，有很多种类：

1）根据锂电池主流技术分类，可分为全固态锂离子电池、三元锂离子电池和石墨烯电池；

2）根据根据正极材料分：可分为钴酸锂电池、锰酸锂电池、磷酸铁锂电池、镍钴锰酸锂电池、镍钴铝酸锂电池。

3）按封装技术分类，一般可分为圆柱形、方形、软包电池。

3.1按主流技术路径分类

广汽新能源深耕石墨烯电池研发。石墨烯材料由于具备超轻、超高强度、超强导电性等特性，被认为是提高电池充电速度、推动动力电池技术进步的重要技术。早在2014 年，广汽集团就开始石墨烯技术的研发，历经多年摸索逐步掌握了具有自主知识产权的三维结构石墨烯（3DG）材料的制备和应用技术。目前，广汽已经完成电芯、模组、电池包样件的测试工作，并搭载整车进行了装车大功率充电测试，该款“超级快充电池”搭载实车仅需 8 分钟就可以将电池充电至 85%。预计 2020 年 底，广汽新能源 Aion 车型将率先搭载石墨烯电池。

全固态电池的潜在综合性能优于三元锂电池。固态电池就是使用固体电极和固体电解质的锂二次电池电池，具有不可燃、不腐蚀、不挥发、不漏液等优势，安全性能大大提升。另外，固态电池使用金属锂做负极，可匹配高电压正极材料，进一步提升能量密度，用以满足电动汽车的续航里程要求。因此，固态电池也被广泛期待成为下一代动力电池技术，过去十年相关专利数量增长超过 10 倍。但由于固态电池技术尚未成熟，距离量产还有较大距离，预计在 2030 年后才有望实现商业化。

固态电池与主流电池参数比较

数据来源：起点研究院

高镍化是近年来三元电池发展趋势。目前我国主流的三元材料为镍钴锰三元，通过调配镍、钴、锰三种元素的比例，来获得不同的电极极性。由于提高镍元素的比例能提高电极的比能量，以及降低钴含量的使用，三元材料不断向高镍化发展，从NCM622 到 523 再到 811。NCM811，镍、钴、锰含量比例为 80%：10%：10%的三元锂电池。单体能量密度可以达到 300Wh/kg，相较于 622 型能量密度提升了50%。

为了摆脱对钴元素的依赖以及降低成本，动力电池公司都在探索无钴电池的可能性。钴是目前三元材料正极不可或缺的一种稀有金属，不但可以稳定材料的层状结构，而且可以提高材料的循环和倍率性能。

随着新能源汽车产业的迅速发展，钴的需求量不断提升。但地壳中的钴含量较低，有限的钴资源决定了其高昂的价格，未来还可能面临供不应求的情况。因此无钴作为一种终极的目标，也表现出车企对于摆脱资源约束的迫切性。

蜂巢能源发布首款 NMx 无钴电池。2020 年 5 月长城汽车旗下的电池企业-蜂巢能源正式发布了公司研发的 NMx 无钴电池，该电池通过阳离子掺杂技术、单晶技术、纳米网络化包裹，显著改善了无钴情况下镍锂离子混排问题以及循环寿命的问题，使无钴材料有望跨过这些关键障碍，走到规模化应用的阶段。

在安全性方面，蜂巢能源的 NMx 无钴电池产品已经通过了国标和欧标的全部安全性测试，在安全性能优于三元电池。推出的第一款电池电芯容量为 115Ah，采用高电压体系，保持能量一致，能量密度可达到 245Wh/kg，续航里程达到 600km，将在 2021 年 6 月完成SOP。第二款是 L6 薄片无钴长电芯，容量为 226Ah，能量密度可达 240Wh/kg，NEDC 续航里程达到 880km，也将在 2021 年下半年完成 SOP。虽然蜂巢无钴电池还未进入大规模商用投产阶段，但是我们相信去钴化一定是比较明确的发展方向。

3.2根据正极材料分类

数据来源：起点研究院

锂电池商用技术路线有：钴酸锂 LCO、锰酸锂（LMO）、磷酸铁锂 LFP、三元材料（NCM 或 NCA）。这四种锂电池是以其正极材料命名，钴酸锂电池、锰酸锂电池、磷酸铁锂采用磷酸铁锂、三元材料在正极上分别采用钴酸锂 LCO、磷酸铁锂 LFP 和三元材料（包括镍钴锰 NCM 和镍钴铝 NCA 两种）。

从电池的能量密度和成本上看，钴酸锂 LCO 最高，三元材料次之，磷酸铁锂 LFP 最低。从安全性上看，磷酸铁锂 LFP 最好。从制造工艺难度上看，三元材料最难制造，钴酸锂 LCO、磷酸铁锂 LFP 制造工艺简单。

不同商用技术路线对应不同应用场景。锂电池的应用场景有三类：消费类（消费电子、

电动工具等）、动力类（电动汽车）、储能类（通信基站备用电源、电力电网储能、家庭电力储能等）。

消费类中，由于钴酸锂 LCO 的能量密度最高、成本最高（采用的贵金属钴最多），对电池价格并不敏感的消费电子多数使用钴酸锂 LCO。

在动力类领域，2009-2016 年间，磷酸铁锂 LFP 凭借着低成本、高安全性，成为乘用车领域（即 9 座以下）、商用车领域（9 座以上，或以载货为主要目的）的主流选择；2016 年后，在汽车消费者对续航能力的高要求、政策对高能量密度电池的倾斜的背景下，三元材料凭借着高能量密度在乘用车领域异军突起，但商用车领域依然主要使用磷酸铁锂 LFP。

储能类中，国外主要采用三元材料，国内主要采用磷酸铁锂，尤其是是梯次利用的磷酸铁锂。

随着国产磷酸铁锂 LFP 电池技术成熟、成本下降、安全性被验证，国产磷酸铁锂 LFP 逐渐渗透到全球储能市场。锰酸锂是较有前景的锂离子正极材料之一，相比钴酸锂等传统正极材料，锰酸锂具有资源丰富、成本低、无污染、安全性好、倍率性能好等优点，是理想的动力电池正极材料，但其较差的循环性能及电化学稳定性却大大限制了其产业化。

锂电池厂家认为，锰酸锂电池如果能够保持其原有优势，并通过技术创新，提高循环次数，提升容量，增强高低温性能等，将在新能源市场细分领域占有一席之地。

锰酸锂有三种：

1.层状锰酸锂LiMnO2，理论容量285mA-h/g，电压平台4V。层状结构难合成，不稳定，极易生成Li2Mn204尖晶石结构而导致电压平台下降，稳定性差，容量不可逆衰减等。

2.高压尖晶石锰酸锂LiMn204，理论容量148mA-h/g，电压平台4.15。高温性能差，55℃以上容量衰减严重。也易生成Li2Mn204尖晶石结构而导致电压平台下降，稳定性差，容量不可逆衰减等。工业上锰酸鲤目前用的是这种。

3.尖晶石锰酸锂Li2Mn2O4，电压低（3V），客量低，循环差，都在研究如何避免这种东西产生。

3.3根据封装技术分类

电池的“外衣”-封装技术是影响电池使用安全性及寿命的关键因素之一。结合动力电池产品的使用场景，耐撞击、耐振动、挤压穿刺等机械冲击是电池外包装必要的功能之一，此外还需要满足化学方面的防火阻燃、浸泡要求，以及设计方面的轻量化、走线布局等要求。所以动力电池的封装工艺也具有一定的技术门槛。

动力电池按分装技术划分主要有方形电池、圆形电池以及软包电池三类。

1）方形电池，顾名思义是将单体电池做成方形。方形相对于圆柱形封装，缩小了电芯间的缝隙，让内部材料卷覆得更加紧密，有利于让电池在高硬度的限制下不容易膨胀，相对更加安全。并且，壳体采用了密度更小、重量更轻且强度更高的铝镁合金，让电池的能量密度和安全性做到更高，在续航方面的表现也会更加突出；

2）圆形电池与方形虽然都属于硬壳封装，但圆柱型封装尺寸小、成组灵活、成本低且工艺成熟。目前特斯拉的纯电车型所采用的松下电池的封装方式便是硬壳圆柱型电池，但后期依然要面对成组后散热设计难度大、能量密度低等问题；

3）软包型电池虽然有尺寸变化灵活、能量密度高、重量轻、内阻小的诸多优点，但是同样具有机械强度差、封口工艺难、成组结构复杂、设计难度大等缺点，甚至在成本、一致性和安全性方面都表现一般。

方形电池为我国动力电池最常见的封装形式。在方形、软包、圆柱三种形状的电池路线中，方形电池市场份额依旧遥遥领先，且是 2019 年唯一保持同比正向增长的技术路线。2019 年方形电池装机量 52.73GWh，同比增长 24.8%，占总装机量 84.5%。其中，位列方形电池装机量前三的企业为宁德时代、比亚迪与国轩高科。在寡头效应影响下，方形电池领先的局面短期内不会发生改变。

2019年动力电池封装路线占比

数据来源：起点研究院

四、电池技术的创新逐渐由“材料端”转到“制造端”

消费类锂电池趋势没有太大改变，动力电池的创新已经从“材料端”转到“制造端”。电芯是动力电池的关键，也是构成汽车动力电池的最小单位。使用中，需要将众多电芯组合在一起，再加上保护电路和保护壳，从而组成电池模组（module）。电池模组通过连接高低压线束、加盖密封、性能测试等组装（Pack）程序，形成最终的动力电池成品。

过去国内电池技术的创新主要集中在电池材料环节，试图通过改进电池材料来提升电池系统的能量密度，典型的措施就是三元材料对磷酸铁锂的替代。然而，随着电池材料的进步逐渐放缓，电池厂商开始寻求从电池制造环节突破，典型的代表就是比亚迪的“刀片电池”、宁德时代的“CTP 方案”。

动力电池的工艺流程 

数据来源：起点研究院

CTP 技术是电池制造环节的一次创新。CTP 技术全称 Cell To Pack，也叫无模组技术。现有两种不同的技术路线，一是彻底取消模组的方案，以比亚迪“刀片电池”为代表；二是小模组整合为大模组的方案，以宁德时代“CTP 方案”为代表。由于 CTP 在制造电池环节减少了生产步骤，节省了零部件数量，提升了单位容积电芯的数量，导致其系统能量密度提高，生产成本下降。

（1）宁德时代的“CTP 方案”：2019 年 9 月 26 日，由北汽新能源与宁德时代携手打造的全球首款 CTP 电池包在北汽新能源总部——中国蓝谷正式发布。在成本上，CTP 电池包体积利用率提高了 15%-20%，零部件数量减少 40%，生产效率提升了 50%。

（2）比亚迪的“刀片电池”：2020 年 1 月 11 日，比亚迪股份有限公司董事长王传福在中国电动汽车百人会论坛（2020）上透露，比亚迪开发的刀片电池——磷酸铁锂电池产品，将于 2020 年年 3 月在重庆工厂首次量产，续航里程可达到 600 公里。此款电池体积能量密度增加 50%，成本下降 30%，寿命长达 8 年 120 万公里，并预计在 2020 年 6 月搭载到全新中大型新能源轿车比亚迪汉上。

磷酸铁锂由于安全性的冗余更适合 CTP 技术，但三元电池仍是未来中高端主流方向。

磷酸铁锂产品相比于三元材料，其优势主要体现在安全性、生产成本上，CTP 技术恰恰是利用了磷酸铁锂在安全性上的冗余，减少或取消模组，从而提升电池系统的能量密度。但值得注意的是，CTP 仍是电池制造环节的创新，理论上未来是同样适用于三元电池的，磷酸铁锂在能量密度上的劣势并未在本质上发生变化。我们认为，CTP 技术确实可以拓宽磷酸铁锂电池的适用范围，未来中低端的乘用车上可能会加大磷酸铁锂电池的使用。然而，电动车在能量密度上的创新仍在继续，中高端车型对能量密度的要求也更高，三元电池仍是未来的主流方向。

特斯拉积极寻求电池上突破的可能，“无钴电池、超级电容、干电极”成为热点方向。特斯拉作为电动车的领军者，其在电池技术上的布局和合作方向都可能成为引领电池技术的方向。2019 年 5 月，特斯拉用 2.18 亿美元溢价 55%收购了 Maxwell，其在“超级电容”、“干电极”等领域成效显著。2019 年 10 月，特斯拉收购了加拿大电池制造设备和工程技术公司 Hibar。另一方面，2020 年 2 月 3 日，宁德时代公告称，公司与特斯拉开展业务合作，拟向特斯拉供应锂离子动力电池产品。根据澎湃新闻报道，特斯拉或在国产电动车中使用“无钴电池”。

在与宁德时代的合作中，“无钴电池”选择磷酸铁锂的可能性较大。由于钴金属比较贵，为了减少成本，降低钴的含量一直是产业的努力方向。对于三元电池来说，NCM523 逐渐向着 NCM811 发展，镍的含量被提高，钴的含量被降低。而对于磷酸铁锂电池来说，完全没有钴，价格优势明显。

从目前市场上主要厂家产品的能量密度看，不同形状的三元电芯能量密度均在 200Wh/kg 以上，磷酸铁锂电芯能量密度范围在 160Wh/kg-180Wh/kg 之间。从理论上来看，“无钴电池”可能主要包含磷酸铁锂和高镍低钴的 NCM811，考虑到特斯拉与宁德时代开始合作的车型大概率是中低端车型，因此选择磷酸铁锂的可能性较大。

作者：起点研究院