鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈深度解析：千億市場誰在驅(qū)動？

不關(guān)注新能源，還算合格投資者么？

過去幾個月，新能源汽車概念反復(fù)席卷資本市場，不僅消費者關(guān)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(yè)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(dá)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(shè)計的一部分。

國務(wù)院辦公廳2020年11月2日發(fā)布的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》顯示，預(yù)計到2025年，國內(nèi)新能源汽車新車銷售量將達(dá)到汽車新車銷售總量的20%左右，而當(dāng)前這一數(shù)據(jù)約為4%~5%之間——這意味著市場至少有三倍的成長空間。

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(shù)路線。不過當(dāng)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(yè)性很強(qiáng)的復(fù)雜產(chǎn)品，不可能用一篇文章講清所有細(xì)節(jié)。本文將聚焦于核心的幾個環(huán)節(jié)，旨在為讀者勾勒基本的鋰電池技術(shù)圖譜，讓大家了解其核心原材料、關(guān)鍵技術(shù)與未來趨勢。

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(fù)極之間定向移動來實現(xiàn)充放電功能。它廣泛應(yīng)用于電動車、消費電子及儲能三個領(lǐng)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(yù)期最為樂觀的應(yīng)用領(lǐng)域。

數(shù)據(jù)來源：東莞證券

據(jù)沙利文數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國鋰電池市場規(guī)模從2014年645.3億元增長至2018年的1494.7億元人民幣，年復(fù)合增長率達(dá)23.4%。若以此做參考，則動力鋰電池行業(yè)產(chǎn)值約在698億左右。

隨著電子產(chǎn)品迭代、新能源汽車強(qiáng)勢發(fā)展以及政府對于提高節(jié)能環(huán)保要求，鋰電池的市場規(guī)模有望進(jìn)一步擴(kuò)大，預(yù)計2023年市場規(guī)模有望達(dá)到3294.8億元，相應(yīng)的動力電池將實現(xiàn)1600億以上的規(guī)模。

數(shù)據(jù)來源：正略鈞策

產(chǎn)業(yè)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(fù)極、電解液、隔膜等關(guān)鍵材料供應(yīng)商，中游末端為電池制造商，它們將上游原材料制成不同規(guī)格產(chǎn)品；下游為產(chǎn)品應(yīng)用終端，依照應(yīng)用領(lǐng)域可大致分為動力電池、消費電子及儲能三大類。

信息來源：公開資料整理

鋰電池是如何發(fā)電的？

在鋰電池工作時，鋰離子參與氧化還原反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。一款鋰電池產(chǎn)品的評價指標(biāo)包括能量密度、循環(huán)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(gòu)成看，正極、負(fù)極、電解液和隔膜為四大關(guān)鍵原材料，在成本中的占比遠(yuǎn)高于束線、連接器以及導(dǎo)電劑等其它材料——這與鋰電池基本工作原理一致。

數(shù)據(jù)來源：正略鈞策

當(dāng)前，正極材料是鋰電池的核心材料，是決定電池性能的關(guān)鍵因素，對產(chǎn)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。

不同正極材料差距明顯，適用領(lǐng)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(xiàn)商業(yè)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(xiàn)出鋰電池的發(fā)展?jié)摿?，但十分昂貴且循環(huán)壽命低，僅適用于3C電子產(chǎn)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(lǐng)域有一定用量，如今主要用于電動工具以及儲能領(lǐng)域，少見于動力電池。

當(dāng)前主要應(yīng)用于電動車領(lǐng)域的，是三元材料以及磷酸鐵鋰兩條技術(shù)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%）。

（數(shù)據(jù)來源：公開資料整理）

三元材料的核心優(yōu)勢在于能量密度高。同體積、同質(zhì)量下，續(xù)航時間較其它技術(shù)路線大幅領(lǐng)先。但其缺陷也非常明顯：安全性差，受到?jīng)_擊和處于高溫環(huán)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(guān)。正是安全性能上的缺陷，一直限制著三元材料技術(shù)路線的大規(guī)模裝配與集成應(yīng)用。

磷酸鐵鋰則恰好與三元材料相反，能量密度與續(xù)航均表現(xiàn)一般，但安全性卻十分優(yōu)秀。其晶體結(jié)構(gòu)為獨特的橄欖石型，空間骨架結(jié)構(gòu)不易發(fā)生形變，使其在高溫環(huán)境下仍能保持穩(wěn)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(dǎo)致電解質(zhì)燃燒，相較之下磷酸鐵鋰的分解溫度則在600℃左右，安全優(yōu)勢非常明顯。

基于上述優(yōu)點，很多三元電池?zé)o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(yōu)勢，其循環(huán)次數(shù)遠(yuǎn)超其它技術(shù)路線，這正應(yīng)對電動汽車消費者的兩個關(guān)鍵訴求：安全、耐用。

當(dāng)前，三元電池的裝機(jī)量出現(xiàn)下滑，磷酸鐵鋰電池市場份額正在快速提高。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2020年，國內(nèi)動力電池累計銷量達(dá)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。

除了安全性優(yōu)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。鈷是一種稀有的礦物，非常昂貴且開采極不穩(wěn)定，價格波動劇烈，供應(yīng)鏈也十分脆弱，極易影響下游產(chǎn)業(yè)。

在早年，由于政府補(bǔ)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(bǔ)貼力度的持續(xù)下降，其成本壓力也愈發(fā)沉重，迫使電池制造少尋找替代材料。

磷酸鐵鋰的成本優(yōu)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(yuǎn)低于三元材料。

數(shù)據(jù)來源：國信證券

同時，隨著充電樁數(shù)量的快速增加，也能彌補(bǔ)磷酸鐵鋰電池的續(xù)航問題。典型磷酸鐵鋰電動車?yán)m(xù)航約為300~400km，足以滿足市內(nèi)交通需求，三元電池在這種應(yīng)用場景下無法體現(xiàn)核心優(yōu)勢。

在成本與基建的雙重驅(qū)動下，越來越多的車企選擇磷酸鐵鋰技術(shù)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(chǎn)能，并為國產(chǎn)特斯拉Model 3標(biāo)準(zhǔn)續(xù)航版本供應(yīng)磷酸鐵鋰電池。

不過三元電池的發(fā)展沒有停滯。這一技術(shù)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(jìn)行降本。

根據(jù)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(xiàn)爆發(fā)，市占率從2018年的6%，提升至2020年的24%，潛力巨大。

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(chǎn)電動汽車的續(xù)航里程快速增加，高鎳電池功不可沒。

但相應(yīng)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(jìn)一步下降。在811電池大規(guī)模裝配的2020年，自燃事故頻出，導(dǎo)致這一技術(shù)路線飽受質(zhì)疑。

僅廣汽Aion S，首款大規(guī)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(xù)發(fā)生了三起自燃事故，而這只是811電池起火的冰山一角。高鎳三元材料的安全性缺陷，是電池生產(chǎn)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(jìn)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(chǎn)技術(shù)專利。

不過雖受龍頭青睞，NCA技術(shù)路線在國內(nèi)卻十分罕見，2020年在國內(nèi)三元材料市場的出貨量占比僅有4%，全球目前主要生產(chǎn)商僅有松下。

鋰電池負(fù)極材料由活性物質(zhì)、粘結(jié)劑和添加劑制成糊狀膠合劑后，涂抹在銅箔兩側(cè)，經(jīng)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(huán)性能等指標(biāo)。

負(fù)極材料按照所用活性物質(zhì)，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(xì)分為鈦基材料、硅基材料、錫基材料、氮化物和金屬鋰等。

（信息來源：公開資料整理）

與正極材料不同，鋰電池負(fù)極雖路線同樣眾多，最終產(chǎn)品卻很單一，人造石墨是絕對主流。數(shù)據(jù)顯示，2020年中國人造石墨出貨量約為30.7萬噸，在負(fù)極材料出貨總量中的占比高達(dá)84%，較2019年水平進(jìn)一步提升5.5個百分點。

相較于其它材料，人造石墨循環(huán)性能好、 安全性占優(yōu)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(fù)極最核心的問題，則是石墨負(fù)極材料能量密度的理論上限為372mAh/g，而行業(yè)頭部公司的產(chǎn)品已可實現(xiàn)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。

新一代的負(fù)極材料中，硅基負(fù)極是熱門候選者。其具有極高的能量密度，理論容量比可達(dá) 4200mAh/g，遠(yuǎn)超石墨類材料。但作為負(fù)極材料，硅也有嚴(yán)重缺陷，鋰離子嵌入會導(dǎo)致嚴(yán)重的體積膨脹，破壞電池結(jié)構(gòu)，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(fù)合材料，硅顆粒作為活性物質(zhì)，提供儲鋰容量，碳顆粒則用來緩沖充放電過程中負(fù)極的體積變化，并改善材料的導(dǎo)電性，同時避免硅顆粒在充放電循環(huán)中發(fā)生團(tuán)聚。

基于此，硅碳負(fù)極材料被認(rèn)為是前景最佳的技術(shù)路線，逐漸獲得產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)企業(yè)的關(guān)注。特斯拉的Model 3已經(jīng)使用了摻入10%硅基材料的人造石墨負(fù)極電池，其能量密度成功實現(xiàn)300wh/kg，大幅領(lǐng)先采用傳統(tǒng)技術(shù)路線的電池。

不過與石墨負(fù)極相比，硅碳負(fù)極除了加工技術(shù)仍不成熟外，較高的成本也是障礙。當(dāng)前的硅碳負(fù)極材料市場價格超過15萬元/噸，是高端人造石墨負(fù)極材料的兩倍。未來量產(chǎn)后，電池制造商也會面臨與正極材料相似的成本控制問題。

電解液在鋰電池中，主要作為離子遷移的載體，保證離子在正負(fù)極之間的傳輸。其對電池安全性、循環(huán)壽命、充放電倍率、高低溫性能、能量密度等性能指標(biāo)都有一定影響。

電解液一般由高純度的有機(jī)溶劑、電解質(zhì)鋰鹽和添加劑等原料按一定比例配制構(gòu)成。按質(zhì)量劃分，溶劑質(zhì)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%。

相較于其它三種材料，鋰電池對電解液的要求最為復(fù)雜，需具備多種特性：

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(zhì)。其在各類非水溶劑中有較好的溶解度和較高的電導(dǎo)率，化學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定，安全性好，且對環(huán)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(wěn)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(huán)境的循環(huán)效果則比較一般，適應(yīng)溫度范圍窄。

此外，六氟磷酸鋰對其純度、穩(wěn)定性要求非常高，生產(chǎn)過程涉及低溫、強(qiáng)腐蝕、無水無塵等苛刻工況條件，生產(chǎn)難度也比較大。 

新一代鋰鹽中，雙氟磺酰亞胺鋰（LiFSI），被認(rèn)為有望替代六氟磷酸鋰。相較于傳統(tǒng)鋰鹽，LiFSI的的熱穩(wěn)定性更高，而且在電導(dǎo)率、循環(huán)壽命、低溫性能等方面均有優(yōu)勢。

但受限于生產(chǎn)工藝與產(chǎn)能，LiFSI成本過高，遠(yuǎn)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(zhì)。

信息來源：長江證券

鋰電池隔膜是正負(fù)極之間的一層薄膜，在鋰電池進(jìn)行電解反應(yīng)時，可用來分隔正極和負(fù)極防止發(fā)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(shù)量和厚度會影響鋰離子穿過隔膜的速度，進(jìn)而影響電池的放電倍率、循環(huán)壽命等指標(biāo)。

聚烯烴是當(dāng)前通用的鋰電池隔膜材料，可為鋰電池隔膜提供良好的機(jī)械性和化學(xué)穩(wěn)定性，進(jìn)一步細(xì)分則有聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、復(fù)合材料三大類。

隔膜材料的選擇與正極材料有關(guān)，目前聚乙烯主要應(yīng)用于三元鋰電池，聚丙烯則主要應(yīng)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(dāng)前鋰電池隔膜的生產(chǎn)技術(shù)分為干法和濕法兩大類。

干法又稱為熔融拉伸法（MSCS），可進(jìn)一步細(xì)分為單向拉伸和雙向拉伸兩種工藝。此技術(shù)路線的發(fā)展時間長，更加成熟，主要用于生產(chǎn)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(huán)境友好的特點，但產(chǎn)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(shù)路線。

濕法又稱為熱致相分離法（TIPS），與只對基膜進(jìn)行拉伸的干法工藝不同，濕法會對基膜表面進(jìn)行涂覆，以提高材料的熱穩(wěn)定性。相較于干法制備產(chǎn)品，濕法工藝的隔膜在性能上有著比較明顯的優(yōu)勢，其厚度更薄，拉伸強(qiáng)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(qiáng)度更高，更有利于延長電池壽命，且更加適應(yīng)高能量密度的鋰電池發(fā)展方向，目前主要應(yīng)用于三元電池。

不過與干法相比，濕法工藝相對復(fù)雜、成本高、易對環(huán)境造成污染。

當(dāng)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(huán)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(shù)據(jù)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(jìn)一步上升至了65%。

數(shù)據(jù)來源：頭豹研究院

03 三大封裝技術(shù)

除了原材料，鋰電池的封裝技術(shù)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(chǎn)的成品，在安全性、能量密度以及循環(huán)壽命等方面也不相同。

當(dāng)前，封裝技術(shù)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(nèi)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(qiáng)度更高的鋁鎂合金，進(jìn)一步強(qiáng)化對內(nèi)保護(hù)，相應(yīng)的生產(chǎn)工藝卻不復(fù)雜。但方形電池一致性較差，且由于可以根據(jù)需求做定制化生產(chǎn)，市場上型號繁多，工藝不統(tǒng)一。

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(chǎn)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(shù)量比較多，重量大，圓柱此種形態(tài)對空間的利用率也不好，導(dǎo)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(jī)械強(qiáng)度不高，生產(chǎn)工藝也更加復(fù)雜，生產(chǎn)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(lǐng)先其他技術(shù)路線。2019年，國內(nèi)方形電池裝機(jī)量為52.73GWh，同比增長 24.8%，占總裝機(jī)量 84.5%，是年度唯一保持同比正增長的技術(shù)路線。

數(shù)據(jù)來源：國元證券

除了三種成熟的封裝技術(shù)外，鋰電池目前還有新的CTP技術(shù)，并衍生出了“刀片電池”與“CTP電池”兩種新產(chǎn)品，均為方形電池的升級形態(tài)。

當(dāng)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(yōu)劣，但均處于商業(yè)化早期，制造工藝與規(guī)模生產(chǎn)仍需提高，短時間內(nèi)無法大規(guī)模替代傳統(tǒng)技術(shù)。

圖片來源：中信證券

正如開篇所講，鋰電池的產(chǎn)業(yè)鏈長且復(fù)雜，牽扯行業(yè)眾多，無法用短短數(shù)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(guān)工藝與材料。

總體上看，鋰電池的未來發(fā)展方向清晰：要么提高能量密度，要么對現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行成本優(yōu)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(zhì)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(qū)動之下，鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)的企業(yè)創(chuàng)新意愿也很強(qiáng)烈，持續(xù)對現(xiàn)有生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化，新的技術(shù)突破亦時有發(fā)生。

新的工藝與新的材料帶來性能更好的產(chǎn)品，更成熟的生產(chǎn)技術(shù)帶來更加規(guī)?；纳a(chǎn)，進(jìn)而降低產(chǎn)品價格，這是新技術(shù)商業(yè)化的基本路徑。能率先突破的企業(yè)，自然就能先人一步占據(jù)市場，在新能源的時代占據(jù)一席之地。寧德時代用三元電池鑄造的萬億神話，其它企業(yè)同樣有機(jī)會復(fù)制。

對于消費者而言，事情就簡單多了。能開上性能更強(qiáng)，安全性更高且更便宜的電動車，比什么都強(qiáng)。

本文選編自“放大燈”，作者：陳悶雷；智通財經(jīng)編輯：張金亮。