3C领域的锂电池应用

专题：3C领域对锂电池的需求

主要结论：

1，到2015年，3C领域对锂的需求平均增速18%

2，长期来看锂电池被新技术替代是必然，但是在近3-5年内不必过分担心

一、锂电池简介

一个典型的锂离子电池主要由正极、负极、隔膜和电解液四部分组成。锂离子二次电池的正极为钴酸锂、锰酸锂等锂化合物的粉体，涂覆在铝箔上；负极为石墨或其它材料（钛酸锂等），涂覆在铜箔上；正负极之间用一层多孔塑料膜隔开，通常采用微孔聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）或两者的复合膜（PE-PP-PE）；正负极和隔膜一般浸在溶有LiPF6或者LiAsF6电解质的碳酸乙烯酯（EC）和碳酸二乙酯（DEC）的混合溶剂形成的电解液中。

图1 锂离子电池的构成

数据来源：天弘基金

（一）锂电池正极

最早的商业化应用的锂电池正极材料是钴酸锂，由于其比容量高、循环次数长，被广泛应用于对比容量要求较高的消费类电子品中（目前的固态锂电池的正极大多也是用钴酸锂的）。但是，随着钴酸锂的使用和锂电需求领域的扩展，钴酸锂的问题也就暴露出来：首先是其安全性比较差，在高温工作、隔膜破损等情况下，甚至会发生爆炸；其次，钴资源稀缺，导致钴酸锂造价昂贵，应用于大型电池领域的成本太高。为此，后来市场中又出现了许多其他锂化合物正极。

其中，具有橄榄石结构的磷酸铁锂是较早出现的材料，不仅价格便宜，而且安全性和稳定性好，隔膜穿刺也不会发生爆炸。但是磷酸铁锂的问题在于其比容量低、正极材料振实密度低（只有0.8-1.3，钴酸锂的一般会在2.5以上），所以体积是限制其未来发展的最大问题。

另一个致力于解决钴酸锂成本问题的方案是发展镍酸锂。镍酸锂的晶体构造与钴酸锂类似，理论比容量与钴酸锂相当，但是镍的价格只有钴的一半，是理想的替代钴酸锂的材料。

但是目前技术水平下很难制得理想的层状结构的镍酸锂，而是混杂着二价镍、三价镍和锂离子的混合体，导致最终产品稳定性差，因此目前镍酸锂并没有实际商用。

目前结合众多锂正极材料优点的三元材料成为新的发展方向。三元材料简单地理解是锰酸锂和钴酸锂的平均化产物，其能量密度虽然不及钴酸锂，但是仍然比较高，且安全性较好、价格相对便宜。其中镍钴铝材料最早由日本开发，是在全球发展比较成熟的三元正极材料，目前已经普遍应用于笔记本电脑电池，特斯拉轿车使用的INR18650电池就是镍钴铝三元材料。但是镍钴铝电池的问题在于其高温状态下的安全性较差（因此特斯拉轿车才使用了复杂的电控系统来精确控制每块电池的温度）；与此相对地，镍钴锰酸锂电池的安全性较好，但是问题是比容量相对于镍钴铝电池明显要低，目前小型电池领域应用较多。

表1 钴酸锂各类锂离子电池正极材料对比

钴酸锂镍酸锂锰酸锂磷酸铁锂镍钴锰镍钴铝

主要应用的晶格结构层状层状尖晶石橄榄石层状层状

开路电压 3.7V 3.3V 3.8V 3.2V 3.7V 3.7V

理论比容量（mAh/g）274 274 148 170 - -

实际比容量（mAh/g）160 200 110 135 160 190

循环寿命（次）>500 >500 >500 >2000 >800 >800

工作温度（摄氏度）-20~50 -20~50 -20~50 -20~75 -20~55 -20~55

资源丰富程度稀缺丰富丰富丰富较丰富较丰富

安全性低低较高高较高较高

环保性低较低好好较低较低

应用领域电子设备电子、动力动力用动力用电子、动力电子、动力

最新进展提高安全性试验阶段，

提高稳定性部分汽车

动力

比亚迪汽

车动力

丰田普锐斯

汽车动力

特斯拉汽

车动力

最主要有点能量密度高性价比高便宜热稳定性

好、便宜安全性和性

价比较好

比容量较

高、便宜

最主要缺点钴稀缺难制备高温性能

差、比容

量低比容量

低、品质

控制较难

低温性能差高温安全

性差

数据来源：天弘基金

表2 三元材料中各元素对应的性能（简单总结，实际情况要更复杂）

三元材料中的元素对应电池的性能典型产品

镍高比容量、低安全性、成本折中81515NCA

钴较高比容量、安全性折中、高成本111镍钴锰

锰低比容量、高安全性、低成本

数据来源：天弘基金

不过，虽然近年来随着更多的锂正极材料被开发出来，钴酸锂的市场占比正在逐年下降，但是钴酸锂依然是全球使用最多的锂电池正极材料。这主要是因为目前锂电池最大的下游是电子类产品，这类产品对电池的比容量要求远高于对其安全性的要求。

至于使用不同的正极材料是否会造成单位材料用锂量的变动，通过对比可以发现，目前主流的钴酸锂和三元材料在用锂量方面的差异很小，用料的差异对全球锂需求的影响不大。

图2 全球各类锂电池使用量图3 各类锂电池正极材料消耗碳酸锂的量

数据来源：IIT 数据来源：天弘基金

（二）锂电池负极

锂离子电池的负极主要使用电势位低的石墨材料。由于目前石墨负极的理论比容量已经基本上普遍超过了300mAh/g（部分材料可以超过700mAh/g），跟正极材料普遍不足300mAh/g的理论比容量相比，负极材料在目前阶段并不是锂电池性能提升的瓶颈所在。

不过，除了石墨材料以外，目前还有一种技术路线是使用钛酸锂作为负极（这类电池通常用三元材料做正极），不仅可以明显提高理论比容量，并且由于其具有非常优秀的“零应变性”（所谓“零应变性”是指其晶体在嵌入或脱出锂离子时晶格常数和体积变化都很小，小于1%），还可以有效提高锂电池的安全性；不过钛酸锂负极电池的造价昂贵、且自放电比较严重、对电压平台要求高，所以目前没有大规模商用，若未来可以克服这些问题，钛酸锂负极电池将有可能成为未来大容量锂电池的一个新的解决方案。

图4 各类负极材料的市场占有率图5 各类负极材料的比容量

数据来源：Roskill 数据来源：天弘基金

（三）锂电池电解液

锂电池电解液主要使用碳酸乙烯酯（EC）和碳酸二乙酯（DEC）溶解六氟磷酸锂（LiPF6）或者六氟砷酸锂（LiAsF6）。电解液中使用的锂也很少，通常六氟磷酸锂的浓度只有1mol/L，一只典型的18650电池（电解液大概5.2-5.8g）中只有大约0.6g六氟磷酸锂，合0.03g金属锂。聚合物锂电池跟液态锂电池类似，只是电解液为凝胶态。

（四）隔膜

隔膜主要用作可隔离电池正负极，以防止出现短路；高性能的隔膜还可以在电池过热时，通过闭孔功能来阻隔电池中的电流传导。隔膜的性能决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量、循环性能以及安全性能等特性。目前，锂离子电池主要使用多孔聚乙烯或者聚丙烯类聚合物材质，隔膜本身不含锂。