干货｜锂电池正极材料研究报告-北极星储能网

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1、锂电池的概述

(一)锂电池的基本结构及原理

锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态;放电时则相反。

锂电池的一般由五部分组成：正极材料、负极材料、隔膜、电解质、电池壳体等，圆形锂电池的结构示意图如下：

(二)锂电池的主要形态

锂电池根据封装形态的不同主要分为两种，金属外壳封装及软包封装。两者的差别除了外壳材料不同，其封装方式也不同。软包电芯用铝塑包装膜作为封装材料，主要采用热封装方式，而金属外壳电芯一般使用钢壳或者铝壳，采用焊接(激光焊)这一封装方式。铝塑包装膜示意图如下：

金属外壳封装主要包括圆形锂电池、方形锂电池两种，圆形锂电池根据具体型号的不同，可以分为18650和21700两种主流型号。

18650电池：18650是锂离子电池的鼻祖--日本SONY公司当年为了节省成本而定下的一种标准性的锂离子电池型号，其中18表示直径为18mm，65表示长度为65mm，0表示为圆柱形电池。

21700电池：为特斯拉与松下联合研发，21表示表示直径为21mm，70表示长度为70mm，0表示为圆柱形电池。

(三)锂电池的成本组成

目前锂电池企业的成本大约为1.2元/Wh。在车用动力电池成本结构中，材料成本占比接近75%，人工成本、制造成本(除人工成本之外的与电池制造直接相关的成本，如厂房、设备、能源等)、其他成本(主要包括资金使用成本、环保成本等)在内总共占比约25%，锂电成本结构如下图所示：

在锂电池的材料成本构成中，正极材料约占据了43%的成本, 正极材料的性能和价格直接决定了锂电池的性能和价格。

从材料角度来看，1kWh动力电池大约需要用到2.3～2.5kg正极材料，正极材料的成本主要由碳酸锂和各种对应的前驱体材料构成;1kWh动力电池大约需要用到1.3～1.4kg负极材料;电解液的用量根据所使用正极材料的不同而有较大差异，1kWh动力电池中，有1.2kg的(如Leaf用的锰酸锂电池)，也有1.6kg的(如Volt用的锰酸锂+NCM三元电池)，也有2.16kg的(如秦PHEV用的磷酸铁锂电池);不同动力电池产品对隔膜材料的用量同样也有较大差异，以代表性企业为例，1kWh动力电池中，AESC的锰酸锂电池大约要用12.5平米的隔膜，LG化学的“锰酸锂+三元”电池接近19平米，而比亚迪的磷酸铁锂电池则需要23.5平米。

2、锂电池正极材料的技术路线

目前来说，主流的商业化锂电池正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元材料(镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂)等，主要的性能对比如下：

(一)、钴酸锂

从锂离子电池商业化以来，钴酸锂一直作为正极材料的主流被应用，其主要技术发展发生在 2000年前后的高密度化合成工艺，通过提高烧结温度和增加烧结次数，合成出十几微米以上的单晶一次晶粒，将钴酸锂电极的压实密度提高到 4.0g/m3以上。钴酸锂在高电压下结构不稳性，因此其工作电压较低，钴酸锂最大的缺点体现在结构稳定性、热稳定性、过充安全性差。钴酸锂主要运用在小电池，如手机、电脑电池等。

(二)、锰酸锂

锰酸锂作为锂离子电池正极材料的集中研发是在20世纪90年代初，其在高温下与电解液相容性差，致使结构不稳定，导致容量衰减过快。高温循环差的缺点一直限制着该材料在实际锂离子电池中的使用。90年代中后期，众多学者发现采用元素掺杂可有效地改善锰酸锂的高温循环，尤其铝(Al)的掺杂对锰酸锂高温电化学性能的改善最为有效，由此也推动了锰酸锂产业化的进程。目前已有少量企业国内可以制备出可供锂离子动力电池使用的具有良好高温循环与储存性能的掺杂型锰酸锂材料，并应用到动力型锂电池上。

(三)、磷酸铁锂

20世纪90年代，由于被认为是电子绝缘体以及脱嵌锂过程中的两相反应导致锂离子扩散速度等原因而没有受到重视，但从21世纪初，部分学者利用碳包覆技术改善了它的电化学性能后，该材料成为锂离子电池正极材料研发的热点和重点。磷酸铁锂具有结构稳定性和热稳定性高、常温循环性能优异等特点，并且存在铁(Fe)和磷(P)的资源丰富、对环境友好等优势，是最近几年国内普遍选择磷酸铁锂作为锂离子动力电池的发展方向。

(四)、三元材料

受锰酸锂等单质材料掺杂技术的启发，多元金属复合氧化物(即三元材料NCM、NCM等)的研发、应用及生产推广开始很快兴起，由于三元材料综合了钴酸锂、镍酸锂和锰酸锂三类材料的优点,形成了LiCoO2/LiNiO2/LiMnO2三相的共熔体系, 故存在明显的三元协同效应，使其综合性能优于单组合化合物，因此，近两年来成为国内锂电池正极材料的研究重点，并随着生产技术工艺的进步，开始大量推向市场，并在动力型锂电池市场占据了重要的位臵，也在消费型锂电池市场开始慢慢取代钴酸锂。

(五)技术路线优缺点

各技术路线的优缺点及主要应用领域如下：

3、锂电池正极材料的未来趋势

(一)相关市场数据

2016 年，我国锂电池正极材料产量为16.16 万吨，同比增长43.14%;2010 年至2016 年，年复合增长率高达36.48%。行业产值则从2010 年的57 亿元增长到2016 年的208 亿元，年复合增长率高达24.08%。

我国锂离子电池正极材料产量及增速

我国锂离子电池正极材料产值及增速

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