電池及鋰離子電池概述

電池及鋰離子電池概述

電池及鋰離子電池概述（一）電池概述電池是一種能量轉(zhuǎn)化與儲存的裝置，根據(jù)原理不同可劃分為化學(xué)電池、物理電池以及生物電池，其中應(yīng)用最為廣泛的是化學(xué)電池?；瘜W(xué)電池指盛有電解質(zhì)溶液和電極以產(chǎn)生電流的杯、槽、其他容器或復(fù)合容器的部分空間，能將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能。實用的化學(xué)電池可以分成兩個基本類型：原電池與蓄電池。原電池又叫一次電池，制成后即可產(chǎn)生電流，但在放電完畢即被廢棄。蓄電池又稱為二次電池，使用前須先進(jìn)行充電，充電后可放電使用，放電完畢后還可以反復(fù)充電循環(huán)使用。目前二次電池按所用電芯的正負(fù)極材料主要分為四種：鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池。因鉛酸電池，鎳鎘電池內(nèi)含有大量鉛、鎘、汞等有害元素，廢棄后會產(chǎn)生大量有毒物質(zhì)對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，在全球范圍內(nèi)其生產(chǎn)、銷售和使用已逐步受到限制。鎳氫電池由于在能量密度、循環(huán)壽命、記憶效應(yīng)等方面遜色于鋰離子電池，近年來在手機(jī)、筆記本電腦等消費類電子產(chǎn)品領(lǐng)域的使用已逐漸被鋰離子電池替代。（二）鋰離子電池概述鋰離子電池是一類依靠鋰離子在正極與負(fù)極之間移動來達(dá)到充放電目的的一種二次電池。鋰離子電池主要由正極（含鋰化合物），負(fù)極（碳素材料），電解液，隔膜四個部分組成。電池充電時，正極上鋰原子電離成鋰離子和電子（脫嵌），鋰離子經(jīng)過電解液運動到負(fù)極，得到電子，被還原成鋰原子嵌入到碳層的微孔中（插入）；電池放電時，嵌在負(fù)極碳層中的鋰原子，失去電子（脫插）成為鋰離子，通過電解液，又運動回正極（嵌入）；鋰離子電池的充放電過程，也就是鋰離子在正負(fù)極間不斷嵌入和脫嵌的過程，同時伴隨著等當(dāng)量電子的嵌入和脫嵌。鋰離子數(shù)量越多，充放電容量就越高。根據(jù)功能與應(yīng)用領(lǐng)域的不同，鋰離子電池主要分成消費類鋰離子電池、動力類鋰離子電池和儲能類鋰離子電池三大類；根據(jù)封裝方式和形狀的不同，鋰離子電池可以分為軟包電池、方形電池和圓柱電池；根據(jù)使用的正負(fù)極材料體系不同，鋰離子電池可以劃分為磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池、鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池和鈦酸鋰電池等。近年來，鋰離子電池產(chǎn)業(yè)受到世界各國政府的高度重視和大力支持。隨著21世紀(jì)微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，小型化電子設(shè)備的日益增多，消費者對電源有了更高的要求，再加上新能源汽車行業(yè)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，從而使鋰離子電池進(jìn)入了大規(guī)模的實用階段。目前，鋰離子電池已大量應(yīng)用在消費類電子產(chǎn)品（例如手機(jī)、筆記本電腦等3C產(chǎn)品）、新能源汽車和儲能領(lǐng)域等。與傳統(tǒng)的二次電池相比較，鋰離子電池具有能量密度高、工作電壓高、重量輕、體積小、自放電小、無記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命長、充電快速等優(yōu)勢，同時由于不含鉛、鎘等重金屬，無污染、不含毒性材料，因此被廣泛應(yīng)用于消費類電子產(chǎn)品領(lǐng)域，以及新能源汽車和儲能等領(lǐng)域，被稱為綠色新能源產(chǎn)品。全球鋰電池產(chǎn)業(yè)競爭格局自1991年全球第一只商業(yè)化鋰離子電池由日本索尼推向市場以來，鋰離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展已走到其第25個年頭。經(jīng)過20多年的發(fā)展，鋰離子電池市場規(guī)模從無到有，先后超越鎳鎘電池、鎳氫電池等其他二次電池而發(fā)展成為僅次于鉛酸電池的第二大二次電池產(chǎn)品。從1990年至2012年間，鋰離子電池產(chǎn)量從0．5萬kWh（1990年還處在試應(yīng)用階段）快速發(fā)展到3233．47萬kWh（注：與國內(nèi)統(tǒng)計的數(shù)據(jù)有所不同），年均復(fù)合增長率高達(dá)49%，僅次于鉛酸電池的3．26億kWh。2000年之前10年的鋰離子電池市場規(guī)模的年均復(fù)合增長率高達(dá)70．8%，之后10年為年均27．1%。從2010年至2015年，比傳統(tǒng)功能手機(jī)更耗電的智能手機(jī)以及平板電腦、電動汽車等新興市場的崛起，推動了鋰離子電池市場的快速發(fā)展和市場普及。到2015年全球鋰離子電池產(chǎn)量快速發(fā)展到7921．7萬kWh，是2010年的3倍多。在全球經(jīng)濟(jì)總體處于低谷徘徊的情況下，如此高速增長尤為難得。中國鋰電材料現(xiàn)狀鋰離子電池直接使用的一階材料包括正極材料、負(fù)極材料、隔膜和電解液。據(jù)工信部數(shù)據(jù)，鋰電直接使用的一階材料環(huán)節(jié)，相關(guān)產(chǎn)品出貨量2021年同比增長超過65%。2022年1-2月鋰電池正極材料出貨量為23．4萬噸，負(fù)極材料出貨量為14萬噸。2021年中國鋰離子電池隔膜出貨量為78億平方米，電解液出貨量為50．7萬噸。2022年1-2月，鋰電隔膜出貨量為17．5億平方米，電解液出貨量為10．5萬噸。鋰電間接使用的二階材料環(huán)節(jié)，1－2月電池級碳酸鋰、氫氧化鋰產(chǎn)量分別達(dá)3．7萬噸、2．9萬噸，市場價格呈現(xiàn)高位運行并持續(xù)上漲，2月底價格分別突破48萬元/噸和44萬元/噸。據(jù)最新數(shù)據(jù)，2022年6月6日，碳酸鋰（99．5%電池級/國產(chǎn)）市場均價為470972元/噸。中國鋰電池市場規(guī)模分析在國家各種支持政策的刺激下，我國新能源汽車產(chǎn)量快速增長，對動力鋰離子電池的需求量將超過140億瓦時左右，再加上電動自行車對鋰離子電池的需求，2015年動力電池市場規(guī)模將超過250億元，IT用鋰離子電池市場約為640億元，儲能用鋰離子電池市場為30億元，2015年我國鋰離子電池產(chǎn)品銷售收入估計約920億元，同比2014年增長28%以上。由于動力電池需求的快速擴(kuò)大，導(dǎo)致碳酸鋰、六氟磷酸鋰等材料產(chǎn)能不足，從2015年第三季度開始，材料價格飛速上漲。電池產(chǎn)品漲價的呼聲日益高漲。在國家各種支持政策的刺激下，我國新能源汽車產(chǎn)量快速增長，對動力鋰離子電池的需求量將超過140億瓦時左右，再加上電動自行車對鋰離子電池的需求，2015年動力電池市場規(guī)模將超過250億元，IT用鋰離子電池市場約為640億元，儲能用鋰離子電池市場為30億元，預(yù)計2015年我國鋰離子電池產(chǎn)品銷售收入將超過920億元，同比2014年將增長28%以上。由于動力電池需求的快速擴(kuò)大，導(dǎo)致碳酸鋰、六氟磷酸鋰等材料產(chǎn)能不足，從2015年第三季度開始，材料價格飛速上漲。電池產(chǎn)品漲價的呼聲日益高漲。鋰離子電池自1991年由日本索尼首次商業(yè)化以來，市場規(guī)模從無到有，先后超越鎳鎘電池、鎳氫電池等其他二次電池，發(fā)展成為僅次于鉛酸電池的第二大二次電池產(chǎn)品。鋰離子電池通過性能優(yōu)勢，和快速下滑的價格，市場規(guī)模逐步擴(kuò)大，而需求增長直接導(dǎo)致行業(yè)產(chǎn)能擴(kuò)張、制造成本下降，又反過來刺激市場需求進(jìn)一步提升。鋰電池需求重心正處于由消費類電子產(chǎn)品的小電池市場向電動交通工具的動力電池市場轉(zhuǎn)移的發(fā)展階段，同時工業(yè)和儲能市場也開始啟動。其中電動交通工具以電動汽車和電動自行車為代表，工業(yè)和儲能市場主要以移動通信基站電源市場為代表。電動交通工具市場對鋰電池的需求呈現(xiàn)出高速增長的態(tài)勢，未來5年電動汽車市場對鋰電池需求爆發(fā)。在電動自行車市場，隨著性價比提升，鋰電池已開始規(guī)模化替代鉛酸電池，2014年電動自行車市場使用鋰電池的新品占比在20%左右，據(jù)預(yù)測，2020年占比將達(dá)95%以上。電動汽車市場是未來5年鋰電池市場規(guī)模增長的最大動力，2014年電動汽車對鋰電池的需求量占鋰電池總需求量的比重由2011年的6．6%迅速提升至16．7%，成為僅次于智能手機(jī)的鋰電池第二大細(xì)分市場，據(jù)專家預(yù)測，2016年將以2071萬kWh的需求量和22%的市場份額成為最大細(xì)分市場，2020年將以31．4%的市場份額超越整個消費類電子產(chǎn)品市場，屆時需求總量將超過6200萬kWh，CAGR約32%。移動通信網(wǎng)絡(luò)由3G向4G甚至5G方向發(fā)展，要求在人口密集地區(qū)高密度建設(shè)大量小微型移動通信基站，鋰電池成為此類基站電源的最佳選擇，未來幾年鋰電池在基站電源市場的應(yīng)用有望高速發(fā)展。同時，為降低電動汽車的售價，日產(chǎn)、特斯拉、通用汽車、三菱汽車、戴姆勒-奔馳、比亞迪等知名車企已紛紛嘗試將車載電池擴(kuò)產(chǎn)或回收二次利用，開發(fā)家庭儲能市場，以降低車載電池的價格。鋰電池是一類由鋰金屬或鋰合金為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池，是二次電池技術(shù)中能量密度最高、綜合性能最好的電池，其市場份額自誕生之日起便逐年提升。與其他充電電池相比，鋰離子電池具有高能量密度、高電壓、壽命長、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點。鋰離子電池已經(jīng)占據(jù)了手機(jī)、筆記本電腦等消費電子類產(chǎn)品電池的主要市場，未來隨著鋰電生產(chǎn)工藝和電池性能的進(jìn)一步提升，將占據(jù)儲能電池、動力電池等領(lǐng)域的主要市場。2016年中國鋰電池的產(chǎn)量達(dá)到78．42億只，同比增長40%。各類鋰離子電池的制造可統(tǒng)一分為極片制作、電芯組裝、電芯激活檢測和電池封裝四個工序段。極片制作工藝包括攪拌、涂布、輥壓、分切、制片、極耳成型等工序，是鋰離子電池制造的基礎(chǔ)，對極片制造設(shè)備的性能、精度、穩(wěn)定性、自動化水平和生產(chǎn)效能等有著很高的要求；電芯組裝工藝主要包括卷繞或疊片、電芯預(yù)封裝、注電解液等工序，對精度、效率、一致性要求很高；電芯激活檢測工藝主要包括電芯化成、分容檢測等；電池封裝工藝包括對構(gòu)成電池組的單體電池進(jìn)行測試、分類、串并聯(lián)組合，以及對組裝后的電池組性能、可靠性測試。鋰離子電池的生產(chǎn)工藝復(fù)雜，不同型號的鋰離子電池的生產(chǎn)工藝不同，甚至同一型號但不同的電池生產(chǎn)商所用生產(chǎn)工藝也不同。國外企業(yè)單一設(shè)備精度高，價格昂貴。目前，日本和韓國的鋰電設(shè)備居于世界領(lǐng)先地位，相對于國內(nèi)研發(fā)起步早，設(shè)備精度高、自動化程度較高、性能優(yōu)越、技術(shù)更加成熟，價格也相對價高。企業(yè)分工精細(xì)，基本上都是從事單一設(shè)備的研發(fā)制造，如國外生產(chǎn)鋰電卷繞設(shè)備的企業(yè)主要有日本皆藤、CKD以及韓國的Koem；生產(chǎn)涂布設(shè)備的企業(yè)主要有東芝、富士、東麗、平野；生產(chǎn)分條設(shè)備的企業(yè)主要有日本的西村等。下游需求旺盛推動離子電池行業(yè)市場發(fā)展目前鋰離子電池電解液行業(yè)的下游應(yīng)用仍在不斷豐富中。在動力電池應(yīng)用領(lǐng)域，全球汽車電動化趨勢愈發(fā)明朗，新能源汽車行業(yè)發(fā)展迅速，滲透率不斷提升，帶動動力電池裝機(jī)量迅速提升。中國鋰離子電池行業(yè)市場現(xiàn)狀鋰離子電池是一種二次電池，它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時則相反。鋰離子電池按照應(yīng)用領(lǐng)域分類可分為儲能、動力和消費電池。儲能電池涵蓋通訊儲能、電力儲能、分布式能源系統(tǒng)等；動力電池主要應(yīng)用于動力領(lǐng)域，服務(wù)的市場包括新能源汽車、電動叉車等；消費電池涵蓋消費與工業(yè)領(lǐng)域，包括智能表計、智能安防、智能交通、物聯(lián)網(wǎng)等。近年來3C產(chǎn)品對鋰離子電池需求量的穩(wěn)定增加，以及隨著新能源汽車的不斷發(fā)展和儲能電池的需求擴(kuò)大，我國鋰離子電池產(chǎn)量規(guī)模也不斷擴(kuò)大。從容量規(guī)模來看，據(jù)工信部數(shù)據(jù)，2022年我國鋰離子電池產(chǎn)量達(dá)750GWh，同比增長超過130%，其中儲能型鋰電產(chǎn)量突破100GWh；從數(shù)量規(guī)模來看，據(jù)國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)，2022年我國鋰離子電池產(chǎn)量達(dá)239．28億只。經(jīng)過幾十多年的發(fā)展，中國鋰離子電池生產(chǎn)廠從最初的幾家到現(xiàn)在的上百家，完成了數(shù)量的突破，中國成為全球最大的鋰離子電池生產(chǎn)國和消費國。在政策、補(bǔ)貼的雙重推動下，中國鋰離子電池產(chǎn)業(yè)誕生出眾多具有全球競爭力的企業(yè)。根據(jù)中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會按照營業(yè)收入（僅統(tǒng)計鋰離子電芯及動力用、消費類產(chǎn)品用和儲能用鋰離子電池模組或系統(tǒng)）排序，前10家企業(yè)2021年營業(yè)收入為2787．80億元。其中，寧德時代新能源科技以1051．15億元營業(yè)收入位居第一，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他企業(yè)。鋰離子電池因其較小體積條件及優(yōu)越的性能條件，是現(xiàn)代電子產(chǎn)品優(yōu)先選擇的儲能電池種類，也是新能源汽車主要使用的動力電池。未來中國市場對電子產(chǎn)品的需求會保持相對穩(wěn)定，再有新能源汽車市場需求的穩(wěn)步增長，鋰離子電池下游應(yīng)用行業(yè)將帶動行業(yè)發(fā)展。鋰電池行業(yè)成本仍有下降空間降低成本是電動汽車對鋰離子電池行業(yè)發(fā)展提出的另一需求。電動汽車的造價成本一般比傳統(tǒng)燃油車高。而電動汽車中動力電池成本占比在40%左右，動力電池成本的降低對整車降本貢獻(xiàn)最大。而且鋰離子電池成本下降空間一直存在。自從大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用以來，鋰離子電池的制造成本呈現(xiàn)急速下降趨勢。根據(jù)BloombergNEF數(shù)據(jù)，2019年全球動力鋰離子電池包價格在156美元/kWh，預(yù)計到2024年降至93美元/kWh，到2030年進(jìn)一步降至61美元/kWh。鋰離子電池的失效分為性能失效與安全性失效。性能失效指鋰電池容量衰減、循環(huán)壽命短、倍率性能差、一致性差、易自放電、高低溫性能衰減等。安全性失效包括熱失控、脹氣、漏液、析鋰、短路等。失效的內(nèi)因較為復(fù)雜，電芯四大材料皆存在失效導(dǎo)火索。動力鋰電池的失效直接影響電池的使用壽命與安全性。有效解決電池?zé)崾栴}主要方法為：1）使用阻燃添加劑防止有機(jī)電解液燃燒；2）開發(fā)不易燃的固態(tài)電解質(zhì)。近年來，鋰電池不僅廣泛應(yīng)用于新能源汽車、消費類電子產(chǎn)品、儲能領(lǐng)域，而且受工業(yè)智能化、信息化、民用便利化以及互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市快速發(fā)展帶動，應(yīng)用場景日趨豐富、產(chǎn)品質(zhì)量持續(xù)提升。根據(jù)高工產(chǎn)業(yè)研究院（GGII）統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2021年中國鋰離子電池產(chǎn)量達(dá)到324GWh，同比增長126．57%。同時，我國鋰電池行業(yè)創(chuàng)新持續(xù)加速，高端產(chǎn)品供給能力不斷提高，三元電池、磷酸鐵鋰電池等產(chǎn)品能量密度陸續(xù)取得突破，預(yù)計2022年中國鋰離子電池產(chǎn)量將達(dá)到489GWh。從應(yīng)用領(lǐng)域來看，我國鋰電池主要分為動力型鋰電池、消費型鋰電池和儲能型鋰電池三大類，廣泛應(yīng)用于電動汽車、手機(jī)、筆記本電腦、電動自行車、電動工具、數(shù)碼相機(jī)和儲能等眾多下游領(lǐng)域。根據(jù)高工產(chǎn)業(yè)研究院（GGII）數(shù)據(jù)顯示，2021年受新能源汽車發(fā)展帶動，鋰電池市場中動力型鋰電池產(chǎn)量最大，為220GWh，占比達(dá)到68%。2021年，雖然全球經(jīng)濟(jì)依然受到了新冠疫情的負(fù)面影響，但一方面，國內(nèi)新能源終端市場增長超預(yù)期，新能源汽車市場產(chǎn)量超過350萬輛，同比增幅達(dá)到159．5%，帶動國內(nèi)動力電池出貨量增長；另一方面，歐洲新能源汽車市場繼續(xù)高增長，帶動國內(nèi)部分頭部電池企業(yè)出口規(guī)模提升。因此，我國動力型鋰電池產(chǎn)量呈高增長態(tài)勢。根據(jù)高工產(chǎn)業(yè)研究院（GGII）數(shù)據(jù)顯示，2021年我國動力型鋰電池產(chǎn)量達(dá)到220GWh，同比增長175．0%，預(yù)計2022年我國動力型鋰電池產(chǎn)量將達(dá)到306GWh。在可穿戴設(shè)備、電子煙、無人機(jī)、服務(wù)機(jī)器人、電動工具等新興市場快速增長背景下，消費型鋰電池需求呈較快增長態(tài)勢。根據(jù)高工產(chǎn)業(yè)研究院（GGII）數(shù)據(jù)顯示，2021年中國消費型鋰電池產(chǎn)量達(dá)到72GWh。預(yù)計隨著5G技術(shù)的進(jìn)一步普及、應(yīng)用場景的持續(xù)拓展，未來鋰電池在消費相關(guān)領(lǐng)域?qū)⑨尫鸥蟮氖袌隹臻g，帶來更多發(fā)展機(jī)遇，預(yù)計2022年我國消費型鋰電池產(chǎn)量將達(dá)到122GWh。在風(fēng)電、光伏裝機(jī)量持續(xù)增長與5G基站建設(shè)加快的背景下，儲能鋰電池需求快速增長。2021年，在電力與通信儲能市場推動的同時，加上全球化石能源價格上漲、儲能參與電力市場收益性提升和國內(nèi)新型儲能示范項目快速上馬等因素驅(qū)動，中國儲能型鋰電池需求繼續(xù)保持高增長，根據(jù)高工產(chǎn)業(yè)研究院（GGII）數(shù)據(jù)顯示，2021年國內(nèi)儲能電池出貨量達(dá)到32GWh，預(yù)計2022年我國消費型鋰電池產(chǎn)量將達(dá)到61GWh。鋰離子電池行業(yè)未來發(fā)展趨勢在動力電池領(lǐng)域，系統(tǒng)的能量密度與電動汽車的續(xù)航里程直接掛鉤，高能量密度幾乎成為市場衡量電池性能的絕對標(biāo)準(zhǔn)。目前，多國政府和企業(yè)對動力電池能量密度提出發(fā)展規(guī)劃。從國家規(guī)劃來看，韓國的規(guī)劃相對激進(jìn)，提出電芯能量密度在2030年達(dá)到600Wh/kg。美國先進(jìn)電池聯(lián)合會提出在2020年電芯能量密度提升至350Wh/kg。日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)提出在2020/2030年電芯能量密度分別達(dá)到250/500Wh/kg。中國的目標(biāo)最為穩(wěn)健，計劃在2020/2025/2030年分別達(dá)到300/400/500Wh/kg。新技術(shù)、新體系將推動行業(yè)競爭格局良性改變。目前成熟的鋰電池體系的能量密度天花板已現(xiàn)。對于電芯而言，能量密度提升的本質(zhì)在于提高正負(fù)極材料的比容量以及正負(fù)極材料的電勢差。短期可以通過調(diào)節(jié)材料元素成分或改善制備工藝提高現(xiàn)有體系的能量密度，如無鈷高鎳技術(shù)、干電極技術(shù)；長期看，現(xiàn)有鋰電成熟體系的能量密度天花板已現(xiàn)，未來十年里，固態(tài)電池、鋰空/鋰硫電池等新體系的開發(fā)或?qū)⒊蔀橹攸c。鋰電池行業(yè)綜述電池（Battery）指盛有電解質(zhì)溶液和金屬電極以產(chǎn)生電流的杯、槽或其他容器或復(fù)合容器的部分空間，能將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。電池根據(jù)放電時內(nèi)部反應(yīng)分為化學(xué)電池、物理電池和生物電池。電池可根據(jù)是否可以充電分為一次電池和二次電池。一次電池也稱原電池，是指電極反應(yīng)不可逆，可連續(xù)或間歇放電，放電后不能充電復(fù)原的電池。主要包括鋅錳電池、堿錳電池和鋰一次電池等。二次電池又稱為充電電池或蓄電池，是指在電池放電后可通過充電的方式使活性物質(zhì)激活而繼續(xù)使用的電池，主要包括鉛酸電池、鎳鉻電池、鎳氫電池和鋰離子電池，目前行業(yè)主流電池為鋰離子電池。鋰離子電池按照鋰電池不同的組成成分、形狀及其應(yīng)用，可以從幾個原則進(jìn)行分類：電解質(zhì)形態(tài)、正極材料、應(yīng)用領(lǐng)域、外包裝材料、形狀。從外包裝材料來分，目前鋰離子電池主要方形、圓柱、軟包三大類，其中方形和圓柱的外殼主要采用鋁合金、