鉅大LARGE | 點擊量：1320次 | 2018年10月13日
動力電池的入門介紹
電動汽車未來十年的成長性是毋庸置疑的，但是整車不好投，多賣了電動車就會少賣燃油車，互聯網車企屬于新增量，可惜不在二級市場，所以作為電動汽車最關鍵變量的動力電池就得到二級市場多年來的青睞。這幾天受到歐陽明高院士“2017年動力電池技術進展與發展趨勢”主題演講的啟發，今天想跟大家一起梳理一下動力電池產業鏈的演化過程和未來趨勢，目的是幫助一些剛進入這個行業做研究的投資人提供一個清晰的分析框架，希望老司機多提供意見。
歐陽明高院士對動力電池未來趨勢的預判值得參考，我的總結如下：
1）政府對動力電池2020年的規劃可以完成的確定性很高，即2020年可以實現比能量300瓦時/公斤、比功率1000瓦時/公斤，循環1000次以上，成本0.8元/瓦時以內。實現的途徑也是明確的，即通過正極三元高鎳化和負極硅碳化，其中的關鍵是負極硅碳化。這方面寧德時代跑的最快，在保證安全性的情況下，能量密度已經可以達到304瓦時/公斤，循環壽命在1000次左右；其他電池企業如力神和國軒也已接近滿足要求。
2）2020~2025年，動力電池能量密度從300瓦時/公斤提升到400瓦時/公斤，每瓦時成本從8毛錢以內降到6毛錢以內，汽車續航里程達到400公里。要完成400瓦時/公斤的目標，關鍵是正極材料的改變，目前看最可能的是富鋰錳基和固態電池。
3）2025~2030年，最大的突破可能在電解質，即全固態電池會規模產業化，比能量有望達到500瓦時/公斤，續航里程500公里以上。
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一、正極三元材料高鎳化
動力電池的產業規模化主要受三個因素影響：能量密度、安全性和成本，電池路線的發展也是在這幾個因素之間平衡驅動的。目前鋰離子電池的正極材料主要有鈷酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料：鈷酸鋰由于含鈷量高，而鈷比較稀缺，所以容易導致成本高；磷酸鐵鋰成本低、安全性好，但是能量密度限制大；三元材料比較好地平衡了三個因素，在政策鼓勵下增長較快。
三元材料顧名思義就是由三種化學成分組成的材料，然后根據三種元素的配比比例來區分命名。目前主要的兩種三元材料是NCM（鎳鈷錳多元材料）和NCA（鎳鈷鋁多元材料），字母就是化學元素的縮寫。NCM（鎳鈷錳多元材料）根據鎳鈷錳三種金屬含量的比例不同，主要分為NCM333、NCM523、NCM622和NCM811，數字就是每種元素的占比，其中NCM333和NCM523屬于低鎳，NCM622和NCM811屬于高鎳。NCA（鎳鈷鋁多元材料）中主要為鎳、鈷兩種元素，鋁元素含量較少，是高鎳三元材料的代表，比如特斯拉的三元NCA電池中鎳含量就達到了80%。
1）三元電池高鎳化的原因：
1、前面已經說過，鈷稀缺，成本高，長期用不合適；
2、鎳有提高材料能量密度的作用。在三元材料中，鎳和鈷是主要的電活性原子，錳和鋁只是起到維持材料在充放電過程中結構穩定的作用；鋰離子在低鎳三元材料中遷移活性較低，而且鎳的電壓比鈷更高、容量更大，因此為了不斷提高正極材料的比容量，就要向高鎳化方向發展。
2）高鎳化也有限度：
由于鋰原子和鎳原子半徑相似，過量鎳的加入會因與鋰發生位錯現象導致鋰鎳混排，鋰層中鎳含量越多，鋰在層狀結構中脫嵌就越難，導致材料電化學性能變差，而且鎳含量越高，對制程的要求也越高。因此，雖然增加鎳的比例是件滿足能量密度和成本的兩全其美事情，但最高比例也是有限度的。
3）每單位三元材料所對應的化學成分含量：
1噸三元NCM333正極材料需要0.20噸鎳金屬、0.20噸鈷金屬；需要0.91噸硫酸鎳、0.97噸硫酸鈷；1噸三元NCM523正極材料需要0.31噸鎳金屬、0.13噸鈷金屬；需要1.40噸硫酸鎳、0.60噸硫酸鈷；1噸三元NCM622正極材料需要0.38噸鎳金屬、0.13噸鈷金屬；需要1.72噸硫酸鎳、0.61噸硫酸鈷；
1噸三元NCM811正極材料需要0.53噸鎳金屬、0.07噸鈷金屬；需要2.38噸硫酸鎳、0.32噸硫酸鈷；1噸三元NCA正極材料需要0.55噸鎳金屬、0.10噸鈷金屬；需要2.45噸硫酸鎳、0.49噸硫酸鈷。
根據真鋰研究預測的數據，2017年我國動力鋰電池領域對正極材料市場需求約為7.33萬噸，其中三元NCM材料市場需求約為3.01萬噸，占比41%，三元NCA材料市場需求約為1.17萬噸，占比16%。
雖然目前還是以NCM523為主，占比超過50%，但是未來兩年高鎳NCM811和NCA會呈現爆發式增長。
二、負極材料硅碳化
要增加能量密度，除了要在正極材料上改進，負極材料也要跟進才能快速達到目標。硅基負極材料的能量密度優勢明顯高于石墨負極材料，因為石墨的理論能量密度是372mAh/g，而硅負極的理論能量密度可高達4200mAh/g，實際應用中能實現1000mAh/g也是有著巨大的優勢。近兩年國內外相關研究已經解決了硅基材料體積膨脹和低電導率的問題，多家負極材料公司都開始了量產項目。比如，特斯拉已在Model3上采用硅碳負極作為動力電池新材料，電池容量達到了550mAh/g以上，電池能量密度達300wh/kg；杉杉股份2017年可以完成4000噸/年的硅碳負極生產規模。
三、軟包電池
聊完電池的正負極材料，還是有必要對電池封裝形式做一下了解。目前市場上主要有三種電池封裝形式：圓柱形、方形和軟包，其中軟包的趨勢較明顯。
圓柱形電池是以直徑和長度命名的，比如18650，18是直徑，65是長度，單位是mm。圓柱形電池的優點是：工藝成熟、PACK成本較低、良品率高、散熱好、空間布局靈活；缺點是：采用鋼殼或鋁殼封裝，會比較重，比能量相對較低。通過增大圓柱形電池的體積可以獲得更多的電池容量，這是在改進正負極材料性能相對較慢的情況下，部分企業所采取的可以相對提高能量密度的措施。比如，特斯拉已經啟動了21700電池的規模化生產，并用在Model3上；國內部分圓柱形18650電池企業比克、福斯特、猛獅等都宣稱將在未來產能擴充中投產21700電池。
方形電池殼體主要采用鋁合金、不銹鋼等材料，優點是：重量輕、內阻小、循環壽命長、封裝可靠度高、耐受性好、成組相對簡單、系統能量效率高；缺點是：尺寸定制化高、型號太多、工藝難統一，安全隱患較大（一個由40個圓柱電池形成的動力電池模組，可能僅由4-5塊方形電池組成，一旦發生電芯熱失控，那么方形每個電芯產生起火或爆炸的速度、威力都遠高于圓柱電芯）。目前，生產方形電池的企業有國軒高科、三星SDI、力神、寧德時代等。
軟包電池最大的不同之處在于軟包裝材料(鋁塑復合膜)，這是軟包鋰電池中最關鍵、技術難度最高的材料。軟包裝材料通常分為三層，即外阻層(一般為尼龍BOPA或PET構成的外層保護層)、阻透層(中間層鋁箔)和內層(多功能高阻隔層)。
軟包電池的優勢：
1）安全性能好，軟包電池在結構上采用鋁塑膜包裝，發生安全問題時，軟包電池一般會鼓氣裂開，而不像鋼殼或鋁殼電芯那樣發生爆炸；
2）重量輕，軟包電池重量較同等容量的鋼殼鋰電池輕40%，較鋁殼鋰電池輕20%；
3）內阻小，軟包電池的內阻較鋰電池小，可以降低電池的自耗電；
4）循環性能好，軟包電池的循環壽命更長，100次循環衰減比鋁殼少4%～7%；
5）設計靈活，外形可變任意形狀，可以更薄，可根據客戶的需求定制，開發新的電芯型號。
軟包電池的不足之處是一致性較差，成本較高，容易發生漏液。
雖然圓柱、方形和軟包三種封裝類型的電池各有優勢，也各有不足，但是三元電池中用軟包的趨勢還是比較明顯，因為三元軟包電池容量較同等尺寸規格的鋼殼鋰電池高10~15%、較鋁殼電池高5~10%，而重量卻比同等容量規格的鋼殼電池和鋁殼電池更輕，在高能量密度和輕量化的政策推動下更容易得到企業認可。近年來，國內如東風、眾泰、北汽新能源等主流電動車企都在增加軟包動力電池份額，寧德時代最新研發的高鎳正極和硅碳負極電池也是使用軟包封裝形式。
四、富鋰錳基正極材料
富鋰錳基正極材料還處于研發階段，相關資料較少，它的優勢是：比容量高、成本低、無毒安全。歐陽明高院士表示，目前國內有兩個單位承擔了富鋰錳基正極材料前沿基礎項目，一個是物理所，改善了富鋰錳基正極循環的電壓衰減；另外一個是北京大學的團隊，研制出了比容量400毫安時/克的富鋰錳基正極，那么理論上滿足400瓦時/公斤的能量密度就沒問題。
五、固態電池和全固態電池
市場上對固態電池的討論比富鋰錳基多不少，固態電池可以說是全固態電池的前期形態，即它的電解質可能是液態、半固態、固液混合，而全固態鋰電池值得是一種在工作溫度區間內所使用的電極和電解質材料均呈固態，不含任何液態組份的鋰電池，全稱是“全固態電解質鋰電池”。
全固態鋰電池的優勢：
1）安全性高，因為它沒有有機溶劑作為電解質引發電解液燃燒問題；
2）能量密度高，因為固態電解質的密度和使用量高于液態電解質，而使用固態電解質之后就沒有電解液泄漏問題，所以它可以一片片全部疊起來，這樣體積比能量就會高；
3）正極材料選擇的范圍寬，因為負極是鋰金屬，正極不含鋰都可以，而且電解質的電壓窗口更寬，正極材料選擇范圍也就大，比能量就可以提高；
4）系統比能量高，由于電解質無流動性，可以方便地通過內串聯組成高電壓單體，利于電池系統成組效率和能量密度的提高。
目前國內做固態電池研究的機構和產業單位還不少，包括中科院青島能源所、（中科院）寧波材料所，（中科院）物理所等，也包括寧德時代、中航鋰電等。因為從固態電池到全固態電池的過程中有中間形態可以產業化，比如豐田計劃將在2022年實現固態鋰離子電池的產業化（它是一種石墨負極＋硫化物電解質＋高電壓正極的電池），所以固態電池比富鋰錳基正極材料電池值得跟蹤研究。
雖然今天的文章不涉及具體的投資邏輯，但是對于新人去篩選重點關注的公司還是有幫助的，比如選動力鋰電池企業要選那種既有當前主流產品產能的，還要有未來產品形態技術儲備的，像寧德時代、國軒高科、璞泰來、杉杉股份等；而對鈷的投資是越往后不確定性越大。
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