2月14日，福特汽车宣布投资35亿美元，在密歇根州Marshall建设一座磷酸铁锂电池工厂，也是美国首个由车企全资拥有的电池工厂。规划年产能35GWh，预计2026年投产。福特与宁德时代的合作落地，一方面是磷酸铁锂电池路线日益受到海外市场认可的体现；另一方面再次印证中国锂电企业在动力电池底层技术方面的领先地位。
回望过去，我国新能源汽车几乎同时经历了从无到有，从小到大，由弱到强的发展。伴随着新能源汽车行业的发展，中国锂电行业也经历了从未有过的颠覆！短短的一二十年间，锂电池就开启了产业跃迁，在新能源汽车行业大放异彩，成为如今的“白色石油”。本文就将带大家了解锂电材料的变革与可持续发展。
引言
2019年，新能源汽车在我国的销量刚刚超过120万辆，彼时渗透率不到5%。而到了2022年9月，新能源汽车单月销量就达到70.8万辆，渗透率超过27%，新能源汽车行业在近几年处于快速扩张期。锂电池作为新能源汽车成本占比最大的部件，随着新能源汽车进入寻常百姓家，行业也得以爆发式增长。新能源汽车的续航、安全性、性价比不断提升，使之得到越来越多消费者的青睐，这背后离不开锂电池的提效降本。对锂电池能量密度、成本、安全的追求是电池厂永恒的主题，而锂电池属于电化学体系，底层的材料创新带来的性能提升和降本更为显著。
新材料在锂电行业的应用面临前所未有的机遇，这也吸引众多的创业公司蜂拥而入。新能源汽车的爆发直接提升了锂电材料的行业天花板，我们知道锂电池是万亿级的赛道，而锂电池的成本结构直接决定锂电主材拥有千亿级市场、锂电辅材拥有百亿级市场。其次，电芯厂在“电池性能的极致追求”目标下主动寻找领先的锂电材料厂，这为锂电材料厂商提供下游测试、客户认证、技术迭代的绝佳机会，领先的企业可以抓住窗口期率先成长。最后，锂电材料行业有很高的技术壁垒和客户认证壁垒，一旦成功量产供货，将在较长时间内保证电芯厂客户稳定的采购需求及供货份额分配。
从锂电池的产品构成来看，其四大关键材料包括正极材料、负极材料、电解液以及隔膜，且均面临一定程度的发展限制。其中，正极核心原料碳酸锂价格暴涨且锂资源短缺；负极材料石墨的比容量逼近理论极限；电解液中的重要添加剂产能不足、有机溶剂价格上涨；隔膜供应偏紧，技术壁垒较高，存在进口依赖。对此，国内相关企业也针对不同材料出现的不同问题，通过技术创新、产能扩充、回收利用等多种手段，正在逐步加强国产化替代、增大有效供给，以此缓解锂电池原材料供应链压力，从而为终端应用市场的进一步发展贡献力量。
![]()
01正极材料：拆解回收实现再次利用
目前锂电池的主流正极材料为磷酸铁锂和三元材料，近几年磷酸铁锂电池在汽车的渗透率处于上升趋势，这是在电芯成本大涨和安全诉求的前提下对能量密度做了部分妥协。磷酸铁锂的能量密度较三元材料低，但由于其稳定的橄榄石强结构，使其具备良好的循环性能和安全性能，同时价格更便宜。
根据中汽协数据，以2021年动力电池产量为例，三元电池全年产量93.9GWh，占总产量42.7%，磷酸铁锂电池全年产量125.4GWh，占总产量的57.1%。而到了2022年9月，我国动力电池产量共计59.1GWh，其中三元电池占比41.1%，而磷酸铁锂占比58.8%。
如果存在一种正极材料，能量密度比磷酸铁锂高，安全性和成本都有保障，那一定很受电芯厂追捧，磷酸锰铁锂就是一种新的潜在方案。
![]()
磷酸锰铁锂
磷酸锰铁锂目前是被产业界寄予厚望的下一代正极材料，因为它的电压平台提高能直接提升能量密度。同时，它的结构稳定性媲美磷酸铁锂、性价比也更高。具体来看，磷酸锰铁锂的能量密度较磷酸铁锂提升15%-20%（极限为25%），这主要是通过提升电芯的电压平台来实现。但在整个材料替换过程中，成本仅提升5-10%，按Wh计价的性价比仍然优于磷酸铁锂。
![]()
资料来源：《磷酸锰铁锂基正极材料的组成调控、制备与电化学性能研究》
磷酸锰铁锂有典型的双电压平台，使得它在应用的时候存在难题，因为单独使用磷酸锰铁锂材料做正极时会存在电压骤降的问题，目前主流的解决方案是掺混三元使用。因为磷酸锰铁锂的电压平台和三元材料接近，目前通常被用于与三元材料掺混，用来替代部分中低镍三元材料，这可以提升材料循环寿命和性价比。磷酸锰铁锂如果成功产业化应用，预计未来磷酸铁锂的份额会被挤压，因为“三元+磷酸锰铁锂”相比磷酸铁锂可实现提效降本。
磷酸锰铁锂产业化方面，领先的正极材料厂目前处于中试到量产阶段，业界预计2023年将达到量产阶段，上市公司容百科技、当升科技、德方纳米均投入大量资源从事磷酸锰铁锂材料的研发。但磷酸锰铁锂也不是那么完美，它存在电子导电率低、锂离子扩散速度慢等问题，潜在的解决办法是采用表面包覆、纳米化的方式改善。
正极材料的克容量是电芯提升能量密度的瓶颈，高镍三元是当前正极材料克容量的天花板，前文提到的磷酸锰铁锂更多是对磷酸铁锂、中低镍三元材料的性价比替代。另一种被寄予厚望的正极材料——富锂锰基，得益于它的高克容量和高电压平台，可显著提高锂电池的能量密度，突破高镍三元材料的能量密度天花板。近年来，国内外多个研究院所的科研团队已陆续宣布富锂锰基的克容量突破400mAh/g，相比三元材料280mAh/g的理论克容量有显著提升。另一方面，富锂锰基的稳定充放电平台约4.5-4.6V，可额外提升能量密度。在成本方面，三元材料被诟病的便是镍、钴等贵金属的应用带来的正极材料成本高昂的问题。这方面，富锂锰基相比三元材料也有更诱人的前景。富锂锰基正极材料的成本主要是原材料成本，富锂化可以降低钴元素用量甚至实现无钴正极材料，有效降本。但富锂锰基的产业化进展偏慢，普遍处于实验室小试到中试阶段，因为它的电压平台过高，且材料本身仍有缺陷需要克服。目前锂电池的电压平台普遍在4V以下，若是提高电压平台，会带来正极材料与电解液接触界面压力提高，进而导致一系列的电解液副反应，影响电池的循环性能。富锂锰基材料方面，主要问题为首次效率低、材料结构不稳定，这直接影响电芯的循环性能。因此，富锂锰基的商业化应用仍需要科研界和产业界共同克服难题。中国是全球正极材料主要产能集中地，占比约60%。国内正极材料环节的产能庞大，头部集中化趋势逐步显现。其中钴酸锂的集中度最高，磷酸铁锂次之，三元材料则相对偏低，2020年三类正极材料的CR3份额分别为68%、50%、35%。据数据统计显示，2020年第一季度实现供货的正极材料厂商17家，相比2019年减少了7家，表明行业洗牌已经开始，产能、技术、客户结构较差的小企业开始退出市场，集中度有望加速提升。电池材料代表性企业主要有11家，其中正极材料主要有四家（当升科技、容百科技、杉杉股份、德方纳米）。当前全球正极企业的产能布局已不再局限本国，而是全球化布局，其大多谋划长远，布局如高镍化、高电压、固态电池材料等技术方面。正极材料占锂电池生产成本的20%-30%，是决定锂电池性能的重要因素，其主要技术路线包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元材料等。随着技术的更迭，具备能量密度优势的高镍三元，以及具备安全性、经济性优势的磷酸锰铁锂是主要发展方向。从资源禀赋来看，我国锂资源相对匮乏。新能源车市场的爆发式增长，让行业面临锂资源供需不足的窘境。据上海钢联发布的数据显示，2022年9月，锂电池正极核心原材料——电池级碳酸锂均价达51万元/吨，相较2021年初的5万元/吨，价格涨幅近10倍。为缓解锂资源供应短缺、核心原材料暴涨等难题，国内企业通过拆解回收等技术手段，来提取动力电池中的镍、钴、锂等核心原材料，实现再次利用。目前我国已研发出退役动力锂离子电池热解强化电极材料解离技术及装备单元，可以实现有机物脱除率达到98%，将正负极电极材料解离度分别提高到98.23%和98.89%。研发的退役动力锂离子电池富钴破碎产物表面改性浮选工艺及装备单元，可实现正极活性材料回收率超98%。回顾正极材料的迭代趋势，磷酸锰铁锂不能真正解决能量密度提升问题，因为它更多是对低镍三元材料和磷酸铁锂材料的替代，高镍三元仍然是正极材料能量密度的天花板。而富锂锰基步入产业化仍有较长的距离，因此，负极材料的改进备受瞩目。负极作为第二大主材，由于正极材料短期无法提升克容量天花板，负极材料克容量提升成为提升电池能量密度的关键贡献因素。负极材料目前主要应用天然石墨，其理论克容量为372mAh/g，产业化已能实现360-365mAh/g，潜力已被充分挖掘，下一代负极材料的应用被提上日程。作为潜在的负极方案，硅基负极的的理论克容量高达约4200mAh/g，锂金属负极的克容量约3800mAh/g，均有10倍的提升潜力，意味着负极材料理论上可减少90%以上的用量，这对提升锂电池能量密度的贡献巨大。硅基负极主要有两种技术路线——硅氧（氧化亚硅）负极和硅碳负极。硅基负极的高克容量虽然很吸引人，但其缺陷也非常明显。硅碳充放电过程中体积收缩超300%（石墨仅12%），多次膨胀收缩会反复破坏和重新形成SEI膜，这直接影响电池寿命，而动力电池需要满足至少1000圈循环寿命的基础条件才有商业化应用的可能性。硅碳负极目前基本处于实验室试验到中试阶段，距离产业化仍有一定距离。目前硅氧在锂电池的应用进展更快一些，虽然硅氧的克容量约2600mAh/g相比硅碳的克容量优势没那么明显，但其膨胀相对小约110%，掺混人造石墨后已基本可以满足动力电池的上车要求。![]()
资料来源：清新研究锂金属负极被认为是负极材料的终极形态，但其致命的问题是难以克服的锂枝晶问题。一方面，锂枝晶容易刺穿隔膜，这导致锂金属负极在液态电池的应用极易出现起火爆炸的安全风险。另一方面，锂枝晶会导致SEI膜破裂同时伴随副反应，导致电池循环寿命偏低。即使在比动力电池要求低的3C电子产品场景，锂金属电池的应用仍有差距。针对锂金属液态电池的锂枝晶生长抑制是科研界的长期课题，但锂金属负极不稳定、电解液易燃易挥发的特性决定锂金属液态电池始终存在安全隐患。为了更彻底的解决锂枝晶和安全性问题，固态电解质和锂金属负极的搭配被寄予厚望，因为全固态锂金属电池有更好的安全性能。目前锂金属负极的产业化进展基本处于实验室小试到中试阶段。资料来源：重庆金美官网 负极材料作为锂离子和电子的载体，主要承担能量的储存与释放作用，可直接影响电池的能量密度、循环寿命、安全性以及快充能力等性能。目前，负极材料以人造石墨为主，约占锂离子电池成本的10%-15%。 但从应用情况来看，石墨负极材料实际比容量现已达到360-365mAh/g，逼近理论极限372mAh/g，制约了产业发展。业界普遍认为，未来具备高比容量的硅碳负极材料（硅比容量可达4200mAh/g，是石墨材料的10-12倍）将成为负极材料的发展方向。 尽管优势明显，但硅材料的膨胀率问题容易影响电池首充效率与寿命，制约了其在负极上的商业化应用。据介绍，硅的膨胀率高达320%，约为石墨材料的32倍。对此，国内负极材料厂商积极跟进技术研发，通过改善硅基负极材料的电化学性能来提升循环寿命及首充效率，并取得了显著成果。 目前国内企业正在积极推进硅氧、硅碳、硬碳等新产品的中试及量产工作，其中硅负极材料中试线已经建成，且通过部分客户认证。如凯金新能源采用独特的碳包覆改性、纳米化、热处理和碳材料复合等多种创新技术和改良工艺，可有效解决硅材料体积膨胀大、循环性能差等技术难题，并在产品成本和品质控制上取得明显成效。目前，凯金新能源的硅基负极材料主要集中在氧化亚硅和纳米硅两个方面，在该技术领域已拥有成熟的量产技术工艺路线。截至2021年12月，凯金新能源具备300吨的硅基负极材料的年产能，且已实现小批量供货。 电解液对锂电池的高低温性能、倍率性能、安全性能等综合性能影响大，电解液配方也是重要的研究方向。 电解液由溶剂、锂盐、电解液组成，其中最主要的成分为锂盐和添加剂，添加量分别约12%、8%。双氟磺酰亚胺锂（LIFSI）目前作为添加剂应用于电解液（添加量约0.5%-1%），因未来有作为主流锂盐应用的潜力而广受关注。 目前最主流的电解液锂盐基本为六氟磷酸锂，因为其综合性能稳定且成本可控。但六氟磷酸锂仍有部分缺陷，它的热稳定性差、分解产物HF影响电池高温性能、低温环境下电导率差。热稳定性好、高低温性能好的LIFSI被用于改善电解液综合性能，此前LIFSI添加量不高的原因是它腐蚀性强、价格高昂。针对铝箔腐蚀问题，目前已经可以通过其他添加剂使铝箔提前钝化来解决。另一方面，自2020年底以来六氟磷酸锂持续涨价，LIFSI显得没那么贵，电池厂逐渐尝试更高比例的添加。在新型储能技术应用示范项目进展不断的同时，我国还积极推动储能技术的多元化开发。如《“十四五”新型储能发展实施方案》提出，开展钠离子电池、新型锂离子电池、铅炭电池、液流电池、压缩空气、氢 (氨) 储能、热 (冷) 储能等关键核心技术、装备和集成优化设计研究，集中攻关超导、超级电容等储能技术，研发储备液态金属电池、固态锂离子电池、金属空气电池等新一代高能量密度储能技术。锂电池隔膜是一种具有微孔结构的薄膜，是锂离子电池产业链中最具技术壁垒的关键内层组件，也是最晚实现国产的环节，在动力电池中成本占比约为10%-20%。隔膜位于锂电池正极和负极之间，主要作用是将正负极活性物质分隔开，防止两极因接触而短路；此外在电化学反应时，隔膜亦能保持必要的电解液，形成离子移动的通道。锂电池的种类不同，采用的隔膜也不同。根据工艺上的区别，锂电池隔膜主要分为干法隔膜和湿法隔膜两种。○干法隔膜：主要包括3种工艺技术——吹膜+单向拉伸、铸片+单向拉伸以及双向拉伸。干法技术工艺简单、设备成本较低，主要用于聚丙烯（PP）隔膜的制造。○ 湿法隔膜：工艺中需要使用石蜡油与PE混合占位造孔，在拉伸工艺后需要用溶剂萃取移除，所以该工艺称为湿法。主要用于聚乙烯（PE）隔膜的制造。凭借在厚度均匀性、力学性能、透气性能等方面的优势，“湿法隔膜工艺”已成为目前隔膜市场的主要技术路线。数据显示，湿法隔膜在2020年的出货量达27.2亿平方米，出货量占比由2014年的29.27%提升至70.28%，逐渐成为市场“主角”。在“碳中和”目标指引下，新能源产业成为全球瞩目的焦点。与此同时，新能源产业的不断壮大，也带动了新材料市场的发展规模。以锂电池薄膜为例。中国电池产业研究院数据显示，2020年全球出货量为62.8亿平方米，同比增长21.5%。其中我国出货量为38.7亿平方米，同比增长29.9%，高于全球增速。随着全球锂电池需求持续增长，隔膜需求量也将进一步上升。据预测，2025年锂电池隔膜全球需求量将达247亿平方米，未来五年复合年均增长率可达46%；我国需求量将达116亿平方米，未来五年复合年均增长率将达39%。值得欣慰的是，我国锂电池隔膜产业经过多年来持续不断的发展，其性能逐步提升、国产化率稳步增长。2013-2020年间，我国锂电池隔膜国产化比例由40%上升至93%。近年来，随着锂电池市场的蓬勃发展，锂电隔膜需求不断扩大，供应偏紧。与此同时，受技术、资金以及设备等限制，国内中高端锂电池隔膜大部分依赖进口。为改变这一现状，国内相关企业纷纷通过加大技术创新、规划扩建产能来满足市场需求的持续释放。