過去幾個月，新能源汽車概念反復席卷資本市場，不僅消費者關注，資本也躍躍欲試。連特斯拉和一眾造車新勢力也成為市場焦點，引得各行業巨頭紛紛跨界入場。
你以為新能源的油門踩到底了嗎?不，還沒加滿。
隨著“碳達峰、碳中和”的提出，新能源車已不僅是一種新概念交通工具，更是國家頂層設計的一部分。
國務院辦公廳 2020 年 11 月 2 日發布的《新能源汽車產業發展規劃(2021-2035 年)》顯示，預計到 2025 年，國內新能源汽車新車銷售量將達到汽車新車銷售總量的 20% 左右，而當前這一數據約為 4%~5% 之間 —— 這意味著市場至少有三倍的成長空間 [1][2]。
所謂新能源車，其實也包括混合動力電動汽車(HEV)，燃料電池電動汽車(FCEV)等其它技術路線。不過當前的語境下，這個詞被提起時一般僅指純電動車路線，即我們熟悉的特斯拉，以及一眾造車新勢力。
而純電動車的核心部件則是：鋰電池。
純電動車人人都懂，但是了解鋰電池的人就不多了。
鋰電池是一個上下游鏈條長，專業性很強的復雜產品，不可能用一篇文章講清所有細節。本文將聚焦于核心的幾個環節，旨在為讀者勾勒基本的鋰電池技術圖譜，讓大家了解其核心原材料、關鍵技術與未來趨勢。
電動車驅動的千億市場
作為一種充電電池，鋰電池的工作原理是：通過鋰離子 (Li?)在正負極之間定向移動來實現充放電功能。它廣泛應用于電動車、消費電子及儲能三個領域。其中電動車用鋰電池，通常稱為動力電池，是目前增長較快，未來預期最為樂觀的應用領域。
據沙利文數據統計，我國鋰電池市場規模從 2014 年 645.3 億元增長至 2018 年的 1494.7 億元人民幣，年復合增長率達 23.4%。若以此做參考，則動力鋰電池行業產值約在 698 億左右。
隨著電子產品迭代、新能源汽車強勢發展以及政府對于提高節能環保要求，鋰電池的市場規模有望進一步擴大，預計 2023 年市場規模有望達到 3294.8 億元，相應的動力電池將實現 1600 億以上的規模 [4]。
產業鏈方面，鋰電池上游為鋰、石墨以及稀有金屬礦等原材料;中游為電池正負極、電解液、隔膜等關鍵材料供應商，中游末端為電池制造商，它們將上游原材料制成不同規格產品;下游為產品應用終端，依照應用領域可大致分為動力電池、消費電子及儲能三大類。
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鋰電池的四種關鍵材料
鋰電池是如何發電的?
在鋰電池工作時，鋰離子參與氧化還原反應，將化學能轉化為電能。一款鋰電池產品的評價指標包括能量密度、循環壽命、倍率性能(不同電流下的放電性能)、安全性能以及適用溫度等。
從鋰電池的成本構成看，正極、負極、電解液和隔膜為四大關鍵原材料，在成本中的占比遠高于束線、連接器以及導電劑等其它材料 —— 這與鋰電池基本工作原理一致 [4]。
正極材料
當前，正極材料是鋰電池的核心材料，是決定電池性能的關鍵因素，對產品最終的能量密度、電壓、使用壽命以及安全性等有著直接影響，也是鋰電池中成本最高的部分。正因此，鋰電池往往用正極材料命名，如三元電池，就是使用三元材料做正極的鋰電池。
鋰電池能量密度，就是指電池的平均單位體積或質量能釋放出的電能，能量密度越高一般意味著電池續航公里數越高。該指標是一款鋰電池能否享受政府補貼的重要依據之一。
不同正極材料差距明顯，適用領域也不一樣。常見的正極材料可以分為鈷酸鋰(LCO)、錳酸鋰(LMO)、磷酸鐵鋰(LFP)和三元材料(NCM)。
鈷酸鋰是最早實現商業化的正極材料，其能量密度高于鎳氫及鉛酸等充電電池，最早體現出鋰電池的發展潛力，但十分昂貴且循環壽命低，僅適用于 3C 電子產品。錳酸鋰雖成本低，但能量密度不佳，在早期的慢速電動車，如電瓶車等領域有一定用量，如今主要用于電動工具以及儲能領域，少見于動力電池。
電池標準循環壽命是指在特定的充放電流程下，電池容量衰減到某一規定值之前，電池能經受的充電與放電循環次數。根據 GB / T 31484-2015 《電動汽車用動力蓄電池循環壽命要求及試驗方法》，要求汽車動力電池經過 500 次充放電后，放電容量不低于初始容量的 90%，或 1000 次充放電不低于 80%。
當前主要應用于電動車領域的，是三元材料以及磷酸鐵鋰兩條技術路線。在 2020 年鋰電池正極材料出貨占比中，分列第一(46%)和第二(25%)[5]。
三元材料的核心優勢在于能量密度高。同體積、同質量下，續航時間較其它技術路線大幅領先。但其缺陷也非常明顯：安全性差，受到沖擊和處于高溫環境時，起火點比較低。近期熱度較高的針刺和過充等安全測試中，大容量的動力三元電池很難過關。正是安全性能上的缺陷，一直限制著三元材料技術路線的大規模裝配與集成應用。
磷酸鐵鋰則恰好與三元材料相反，能量密度與續航均表現一般，但安全性卻十分優秀。其晶體結構為獨特的橄欖石型，空間骨架結構不易發生形變，使其在高溫環境下仍能保持穩定。三元材料在約 150℃~250℃的條件下即會開始分解并放出氧氣，導致電解質燃燒，相較之下磷酸鐵鋰的分解溫度則在 600℃左右，安全優勢非常明顯 [6]。
基于上述優點，很多三元電池無法通過的安全測試，磷酸鐵鋰都能通過;另一方面，磷酸鐵鋰電池的使用壽命也有巨大優勢，其循環次數遠超其它技術路線，這正應對電動汽車消費者的兩個關鍵訴求：安全、耐用。
當前，三元電池的裝機量出現下滑，磷酸鐵鋰電池市場份額正在快速提高。統計數據顯示，2020 年，國內動力電池累計銷量達 65.9GWh，其中，三元鋰電池共裝車 38.9GWh，占比 61.1%，累計下降 4.1%;磷酸鐵鋰電池裝車 24.4GWh，占比 38.3%，累計增長 20.6%，成為銷量同比唯一增長的動力電池類型 [7]。
除了安全性優勢，磷酸鐵鋰銷量快速上升的另一個主要因素，是便宜。長期以來，造成三元電池原材料成本(占比近 90%)居高不下的主因，就是因其對鈷的需求較大 [6]。鈷是一種稀有的礦物，非常昂貴且開采極不穩定，價格波動劇烈，供應鏈也十分脆弱，極易影響下游產業。
在早年，由于政府補貼的存在，三元電池的高成本問題并不突出，但伴隨著近年補貼力度的持續下降，其成本壓力也愈發沉重，迫使電池制造少尋找替代材料。
磷酸鐵鋰的成本優勢就集中在其不含鈷，從下圖可以看到即使噸價處于高位時，也遠低于三元材料。
同時，隨著充電樁數量的快速增加，也能彌補磷酸鐵鋰電池的續航問題。典型磷酸鐵鋰電動車續航約為 300~400km，足以滿足市內交通需求，三元電池在這種應用場景下無法體現核心優勢。
在成本與基建的雙重驅動下，越來越多的車企選擇磷酸鐵鋰技術路線也就不令人意外了。甚至是依靠三元電池起家的動力電池巨頭寧德時代，也正在快速增加磷酸鐵鋰電池的產能，并為國產特斯拉 Model 3 標準續航版本供應磷酸鐵鋰電池。
不過三元電池的發展沒有停滯。這一技術路線長期趨勢，是通過高鎳低鈷的配比，即所謂的高鎳三元材料進行降本。
根據鎳鈷錳三種元素的占比，三元材料可以分為 111、523、622 和 811 四種主要類型。從市占率看，目前的 5 系（即 523）三元材料仍是主流。2020 年在三元材料市場的市占率超過 50%;8 系(即 811)電池則憑借高鎳化趨勢實現爆發，市占率從 2018 年的 6%，提升至 2020 年的 24%，潛力巨大 [9][10]。
高鎳三元電池一方面減少了昂貴的鈷金屬使用量，成本更可控，另一方面則是電池容量大幅提升，更契合消費者需求。近年國產電動汽車的續航里程快速增加，高鎳電池功不可沒。
但相應的，鎳含量的上升意味著加工難度的快速上升，本就存在隱患的安全性更是進一步下降。在 811 電池大規模裝配的 2020 年，自燃事故頻出，導致這一技術路線飽受質疑。
僅廣汽 Aion S，首款大規模使用 811 電池的車型，也是目前 811 新能源車齡最長的車型，在 2020 年 5 月到 8 月，就連續發生了三起自燃事故，而這只是 811 電池起火的冰山一角 [11]。高鎳三元材料的安全性缺陷，是電池生產商必須解決的問題，否則很難說服乘用車消費者購買，更不可能用于對安全性要求更高的商用車輛。
除了鎳鈷錳(NCM)三元材料，目前還有一種采用鎳鈷鋁(NCA)合金作為正極的三元材料。與 NCM 相比，NCA 的能量密度進一步提高，但安全性能仍沒有太多改善。目前，特斯拉是最主要的鎳鈷鋁電池使用者，在 2020 年 4 月份還申請了可提高電池壽命的新型生產技術專利。
不過雖受龍頭青睞，NCA 技術路線在國內卻十分罕見，2020 年在國內三元材料市場的出貨量占比僅有 4%，全球目前主要生產商僅有松下 [12]。
負極材料
鋰電池負極材料由活性物質、粘結劑和添加劑制成糊狀膠合劑后，涂抹在銅箔兩側，經過干燥、滾壓制得，作用是儲存和釋放能量，主要影響鋰電池的循環性能等指標。
負極材料按照所用活性物質，可分為碳材和非碳材兩大類：
碳系材料包括石墨材料(天然石墨、人造石墨以及中間相碳位球)與其它碳系(硬碳、軟碳和石墨烯)兩條路線;
非碳系材料可細分為鈦基材料、硅基材料、錫基材料、氮化物和金屬鋰等。
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與正極材料不同，鋰電池負極雖路線同樣眾多，最終產品卻很單一，人造石墨是絕對主流。數據顯示，2020 年中國人造石墨出貨量約為 30.7 萬噸，在負極材料出貨總量中的占比高達 84%，較 2019 年水平進一步提升 5.5 個百分點 [3]。
相較于其它材料，人造石墨循環性能好、 安全性占優且工藝成熟、原材料易獲取，成本較低，是非常理想的選擇。
石墨負極最核心的問題，則是石墨負極材料能量密度的理論上限為 372mAh / g，而行業頭部公司的產品已可實現 365mAh / g 的能量密度，逼近理論極限，未來的提升空間極為有限，急需尋找下一代替代品 [13]。
新一代的負極材料中，硅基負極是熱門候選者。其具有極高的能量密度，理論容量比可達 4200mAh / g，遠超石墨類材料 [14]。但作為負極材料，硅也有嚴重缺陷，鋰離子嵌入會導致嚴重的體積膨脹，破壞電池結構，造成電池容量快速下降。目前通行的解決方案之一是使用硅碳復合材料，硅顆粒作為活性物質，提供儲鋰容量，碳顆粒則用來緩沖充放電過程中負極的體積變化，并改善材料的導電性，同時避免硅顆粒在充放電循環中發生團聚。
基于此，硅碳負極材料被認為是前景最佳的技術路線，逐漸獲得產業鏈內企業的關注。特斯拉的 Model 3 已經使用了摻入 10% 硅基材料的人造石墨負極電池，其能量密度成功實現 300wh/kg，大幅領先采用傳統技術路線的電池 [14]。
不過與石墨負極相比，硅碳負極除了加工技術仍不成熟外，較高的成本也是障礙。當前的硅碳負極材料市場價格超過 15 萬元 / 噸，是高端人造石墨負極材料的兩倍。未來量產后，電池制造商也會面臨與正極材料相似的成本控制問題。
電解液
電解液在鋰電池中，主要作為離子遷移的載體，保證離子在正負極之間的傳輸。其對電池安全性、循環壽命、充放電倍率、高低溫性能、能量密度等性能指標都有一定影響。
電解液一般由高純度的有機溶劑、電解質鋰鹽和添加劑等原料按一定比例配制構成。按質量劃分，溶劑質量占比 80%~90%，鋰鹽占比 10%~15%，添加劑占比在 5% 左右;按成本劃分，鋰鹽占比約 40%~50%，溶劑占比約 30%、添加劑占比約 10%~30%[15]。
相較于其它三種材料，鋰電池對電解液的要求最為復雜，需具備多種特性：
離子電導性能好，離子遷移阻力要低;
化學穩定性高，不可與電極材料、電解液、隔膜等發生有害副反應;
熔點低，沸點高，在較寬的溫度范圍內保持液態;
安全性好，制備工藝不復雜，成本低，無毒無污染。
目前，由于較好的性能與較低的成本，六氟磷酸鋰（LiPF6）是主流的鋰鹽溶質。其在各類非水溶劑中有較好的溶解度和較高的電導率，化學性質相對穩定，安全性好，且對環境污染也小。但缺陷同樣明顯：六氟磷酸鋰對水分比較敏感，熱穩定性也差，最低 60℃就可能開始分解，電池性能將快速衰減，低溫環境的循環效果則比較一般，適應溫度范圍窄。
此外，六氟磷酸鋰對其純度、穩定性要求非常高，生產過程涉及低溫、強腐蝕、無水無塵等苛刻工況條件，生產難度也比較大。
新一代鋰鹽中，雙氟磺酰亞胺鋰(LiFSI)，被認為有望替代六氟磷酸鋰。相較于傳統鋰鹽，LiFSI 的的熱穩定性更高，而且在電導率、循環壽命、低溫性能等方面均有優勢 [16]。
但受限于生產工藝與產能，LiFSI 成本過高，遠超六氟磷酸鋰。為控制成本，LiFSI 在實際商用中仍更多的作為電解液添加劑使用，而非鋰鹽溶質。
隔膜
鋰電池隔膜是正負極之間的一層薄膜，在鋰電池進行電解反應時，可用來分隔正極和負極防止發生短路。隔膜浸潤在電解液中，表面有大量允許鋰離子通過的微孔，微孔的材料、數量和厚度會影響鋰離子穿過隔膜的速度，進而影響電池的放電倍率、循環壽命等指標。
聚烯烴是當前通用的鋰電池隔膜材料，可為鋰電池隔膜提供良好的機械性和化學穩定性，進一步細分則有聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、復合材料三大類。
隔膜材料的選擇與正極材料有關，目前聚乙烯主要應用于三元鋰電池，聚丙烯則主要應用于磷酸鐵鋰電池。
除了材料，制備工藝對隔膜的性能也有著一定影響。
當前鋰電池隔膜的生產技術分為干法和濕法兩大類。
干法又稱為熔融拉伸法(MSCS)，可進一步細分為單向拉伸和雙向拉伸兩種工藝。此技術路線的發展時間長，更加成熟，主要用于生產 PP 膜。此外，雙向拉伸工藝由于成品性能不佳，只用于中低端電池，已不再是主流制備工藝。
干法工藝具有簡單、成本低、環境友好的特點，但產品性能較差，更適用于小功率、低容量電池。而在上文提到過，磷酸鐵鋰電池恰好存在能量密度偏低的缺陷，故采用干法工藝的隔膜多用于這一技術路線。
濕法又稱為熱致相分離法(TIPS)，與只對基膜進行拉伸的干法工藝不同，濕法會對基膜表面進行涂覆，以提高材料的熱穩定性。相較于干法制備產品，濕法工藝的隔膜在性能上有著比較明顯的優勢，其厚度更薄，拉伸強度更理想，孔隙率更高，有著更為均勻的孔徑和更高的橫向收縮率。此外，濕法隔膜的穿刺強度更高，更有利于延長電池壽命，且更加適應高能量密度的鋰電池發展方向，目前主要應用于三元電池。
不過與干法相比，濕法工藝相對復雜、成本高、易對環境造成污染。
當前隔膜材料的主要市場趨勢十分確定。由于更加符合動力電池高能量密度的要求，可以延長電池循環壽命，且能增加電池大倍率放電能力，濕法工藝正在對干法形成快速替代。數據顯示，2017 年濕法鋰電池隔膜的市場份額首次超過干法隔膜，而僅一年后的 2018 年，市占率就進一步上升至了 65%。
三大封裝技術
除了原材料，鋰電池的封裝技術對電池最終性能同樣有重大影響。即使材料配方一致，不同的加工工藝所生產的成品，在安全性、能量密度以及循環壽命等方面也不相同。
當前，封裝技術可分為三類：
方形電池，即方形的單體電池。該類型電池的電芯間隙較小，內部材料更加緊密，電池在高硬度的限制下不容易膨脹，安全性比較高。同時殼體采用了密度更小、重量更輕且強度更高的鋁鎂合金，進一步強化對內保護，相應的生產工藝卻不復雜。但方形電池一致性較差，且由于可以根據需求做定制化生產，市場上型號繁多，工藝不統一。
一致性是指電池組中，單體電池的初期性能指標相近，如容量、溫度特性、循環性等。若單體電池性能差異太大，在成組后會嚴重影響電池組的使用壽命。
圓形電池雖與方形電池同屬硬殼封裝路線，但尺寸更小，電芯一致性好，單體電芯的能量密度比較高，成組更加靈活，生產工藝成熟且成本低。缺陷在于整體性能一般，電池包中的電芯數量比較多，重量大，圓柱此種形態對空間的利用率也不好，導致能量密度較低。
軟包電池的性能是三種路線中最好的，其尺寸靈活，能量密度高，重量輕。但機械強度不高，生產工藝也更加復雜，生產成本高，性價比一般。
從市占率看，目前方形電池憑借更高的性價比，大幅領先其他技術路線。2019 年，國內方形電池裝機量為 52.73GWh，同比增長 24.8%，占總裝機量 84.5%，是年度唯一保持同比正增長的技術路線。
除了三種成熟的封裝技術外，鋰電池目前還有新的 CTP 技術，并衍生出了“刀片電池”與“CTP 電池”兩種新產品，均為方形電池的升級形態。
CTP(Cell To Pack)技術，是指電芯直接成組，跳過了電池模組這一中間環節。這種技術一方面提升了電池包內的空間利用率，增加帶電量;另一方面又減輕了重量，整個電池組的能量密度大幅提升。
當前以比亞迪為代表的的刀片電池，選擇的是徹底取消模組的方案;寧德時代的 CTP 電池，則是走將小模組整合為大模組的路線。
此兩種路線各有優劣，但均處于商業化早期，制造工藝與規模生產仍需提高，短時間內無法大規模替代傳統技術。
總結
正如開篇所講，鋰電池的產業鏈長且復雜，牽扯行業眾多，無法用短短數千字描述清楚。本文選擇覆蓋最核心的四種材料與三種加工工藝，并沒有涉及電池整包的相關工藝與材料。
總體上看，鋰電池的未來發展方向清晰：要么提高能量密度，要么對現有產品進行成本優化。無論是正極材料的磷酸鐵鋰與三元材料之爭，或是隔膜工藝與電解液溶質的選擇，均承襲于此。
這無疑是動力電池的好時代：下有消費者購買電動車的需求快速增長，上逢電動車成為國家重點項目，獲得政策大力扶持。在政策與市場需求雙向驅動之下，鋰電池產業鏈內的企業創新意愿也很強烈，持續對現有生產工藝進行優化，新的技術突破亦時有發生。
新的工藝與新的材料帶來性能更好的產品，更成熟的生產技術帶來更加規?；纳a，進而降低產品價格，這是新技術商業化的基本路徑。能率先突破的企業，自然就能先人一步占據市場，在新能源的時代占據一席之地。寧德時代用三元電池鑄造的萬億神話，其它企業同樣有機會復制。
對于消費者而言，事情就簡單多了。能開上性能更強，安全性更高且更便宜的電動車，比什么都強。
