來源：超天才網

作者：李晶

摘要：鋰離子動力電池主要由正極材料、負極材料、電解液和電池隔膜四部分組成。2020年汽車動力電池目標350Wh/kg，2025年目標為400Wh/kg，2030年目標為500Wh/kg，這些目標將如何被實現，還要從動力電池的材料體系入手。

鋰離子動力電池主要由正極材料、負極材料、電解液和電池隔膜四部分組成。電池材料直接決定了電池的能量密度、循環壽命、安全性指標。人們追求高性能動力電池的慾望已被點燃，2020年汽車動力電池目標350Wh/kg，2025年目標為400Wh/kg，2030年目標為500Wh/kg，這些目標將如何被實現，還要從動力電池的材料體系入手。

正極材料

正極材料成本占鋰電池總成本的30%以上，決定鋰電池的分類及性能是鋰電池的核心，直接決定了鋰電池的能量密度、循環壽命、安全性等指標，重量佔比和成本佔比在鋰電池四大材料中居首位。

鋰電池的正極材料通常為磷酸鐵鋰、三元材料和錳酸鋰。磷酸鐵鋰資源豐富、安全性能好，是我國主流的技術路線，但其能量密度較低限制了在電動汽車上的應用；三元材料是日韓廠商主要技術路線，最大的優點是能量密度高，但安全性差，需要配合先進的電池管理系統進行設計，製造工藝苛刻；錳酸鋰成本低，安全性好，但電池的壽命短限制了在新能源汽車上的應用。

三元正極材料體系優勢明顯，三元電池是指正極材料使用鎳鈷錳酸鋰或鎳鈷鋁酸鋰的鋰電池。能量密度的優勢決定了三元電池技術會成為車用鋰離子電池的發展路徑。目前三元電池的實際平均能量密度在180～190Wh/kg，相比磷酸鐵鋰提升幅度為20%～50%。

按照鎳鈷錳的摩爾比例，NCM三元材料目前有333、523、622、811四種型號，作為主要活性元素的鎳含量越高，電池的容量優勢越顯著；鈷為戰略礦產資源，供應緊缺，價格高。在權衡考慮性能與成本的情況下，高鎳低鈷將成為今後三元鋰離子電池的發展方向。

三元電池企業主要應用的是NCM333與NCM523，但NCM622已經進入部分企業的供應鏈體系，NCM811處於研發階段，材料體系的不斷更新，將促使單體電池能量密度從200Wh/kg向250～350Wh/kg趨近。

正極材料占鋰電池材料成本的30%～40%，過去十年中全球市場複合增長率27%。鋰電池正極材料呈現中、日、韓企壟斷格局。日韓企業整體質量和技術水平優於我國正極材料產業，佔據鋰離子電池正極材料高端市場。日韓新能源汽車動力電池主要採用錳酸鋰和鎳鈷錳三元材料，特斯拉採用的是鎳鈷鋁三元材料。

負極材料

負極材料通常可分為兩大類：碳材料和非碳材料。2016年全球負極材料出貨量為15萬噸，天然石墨的出貨量佔總出貨量的55%，人造石墨佔比約為35%，石墨類負極材料佔總出貨量的90%以上，是當今動力電池負極材料市場的主流。天然石墨的顆粒外表面反應活性不均勻，晶粒粒度較大，在充放電過程中表面晶體結構容易被破壞，存在表面SEI膜覆蓋不均勻，導致初始庫倫效率低、倍率性能不好等缺點。商業化應用的改性天然石墨比容量為340～370mAh/g，首輪庫倫效率為90%～93%，100%DOD循環壽命可達1000次以上。

人造石墨由石油焦、針狀焦、瀝青焦、冶金焦等焦炭材料經過高溫石墨化處理得到，部分產品經過表面改性，與天然石墨有許多相似優點，目前商業化應用的人造石墨比容量可達到310～360 mAh/g，首輪庫倫效率可以達到93%～96%，100%DOD循環壽命可達到1500次以上。與天然石墨相比，人造石墨綜合性能最優，在動力電池市場上佔比相對較高。

隨著人們對動力電池性能慾望的不斷膨脹，鋰離子電池負極材料未來將向著高容量、高倍率性能、高能量密度、高循環壽命方向發展。硅碳複合負極材料、鈦酸鋰、與石墨烯是目前研究的最多最有可能替代石墨負極材料的方向。

隔膜

隔膜作為鋰離子電池的重要組成部分，其內部通常採用螺旋繞制或層疊結構，以求最大限度地利用空間，因此需要非常精細且滲透性強的薄膜隔離正負極。隔膜的性能決定著鋰離子電池的容量、循環壽命、充放電倍率等關鍵特性。

按照鋰離子電池隔膜的結構特點，可將其分為聚烯烴微孔膜、圖層複合膜、以及無紡布製造膜等。由於聚烯烴材料具有化學穩定性、良好的機械性能和高溫自閉性，大規模的商業化鋰離子電池隔膜生產材料以聚烯烴為主，主要包括聚乙烯、聚丙烯複合材料。

隔膜的成本占鋰離子電池成本的10%～20%，是鋰離子電池產業鏈中技術壁壘最高的一環，目前我國主要依賴於進口。原材料配方與微孔製備技術構成鋰離子電池隔膜的主要生產工藝，其中微孔製備技術是製備工藝的核心，分為干法和濕法兩大類。在性能上，濕法工藝隔膜比干法工藝隔膜更具優勢，但工序複雜，技術壁壘更高。

電解液

電解液由溶質（電解質鋰鹽）、高純度有機溶劑和添加劑等原料按一定比例組成。電解質的選擇對鋰離子電池能量密度、循環壽命、倍率性能、存儲性能等至關重要，對電池的安全性影響也很大。

有機溶劑是電解液的主要組成部分，與電解液性能密切相關，一般採用高介電常數溶劑與低粘度溶劑混合而成，約佔電解液總成本的30%，目前常用的有碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二乙酯（DEC）、碳酸二甲酯（DMC）、碳酸甲乙酯（EMC）。溶質是電解液成本的核心，佔總成本的60%，常用的有LiCIO4、LiBF4、LiPF6、LiAsF6等，由於LiPF6導電效率高、安全性能好，是目前應用最多的鋰鹽。未來電解液將朝著高安全性、長壽命、寬溫度範圍方向發展，雙草酸硼酸鋰、二氟草酸硼酸鋰、雙亞胺鋰等是目前市場上已經開始少量應用的新型電解質，與傳統溶質相比，最大的優勢在於穩定性高、低溫性能好、分解物對環境影響小。

結語

正極材料方面未來動力電池已經朝著三元高鎳化趨勢發展；負極材料方面，短期內石墨材料仍是主流，新型負極材料如石墨烯等研發活躍，有望獲得革命性的進展；隔膜方面，三元電池帶動了濕法隔膜的需求，濕法+塗覆成為趨勢；電解液方面，LiFSI新型鋰鹽性能優越，引發關注。電池材料的發展是推動電池性能飛躍的核心要素。

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