電池知識
鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
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鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
一、全球鋰電池市場現狀
與鉛酸和鎳氫等傳統二次電池相比，鋰電池更為輕便，循環壽命較長，能量密度更高。因此，鋰電池首先在手機、筆記本、平板電腦等便攜式數碼范疇獲得使用，近些年更延伸到智能穿戴、無人機、電動工具、新能源汽車、儲能等新興行業。
隨著使用范疇的不斷擴寬和市場需求的繼續放量，全球鋰電行業在過去10年保持了20%以上的復合上升率，2017年鋰電池出貨量達到143.5GWh(見圖1)。2017年數碼產品用鋰電池占全球鋰電池市場的52%，車用占40%，儲能占8%。2017年動力鋰電同比上升37%以上，預計2018年后動力鋰電將成為最大的使用市場，占比將超過50%以上，成為市場最大的亮點。
2017年全球新能源汽車銷量約為140萬輛，我國新能源汽車銷量約為77.7萬輛，占比超過50%(見圖2)。2018年前6個月，我國新能源汽車產/銷分別完成41.3萬輛和41.2萬輛，比2017年同期分別上升94.9%和111.5%，預計全年可以完成100萬輛目標。2018年全球預計銷售新能源汽車超過180萬輛，我國市場占比55%。預計到2020年全球新能源汽車銷量有望達到350萬輛，我國成為全球最大的新能源汽車加工基地和銷售市場。
我國為了鼓勵新能源汽車的發展，相關部委和各級政府出臺了一系列新能源汽車補貼政策，從整車、電池、充電樁等全方位進行支持，并對加工廠商提出了強制供給要求。2016年以來，我國政府審時度勢，逐漸減弱鼓勵需求力度，加強了強制供給端力量，采用長短政策相結合的方式，對行業鏈條進行整頓，以便扶優抑劣。在政府筆直補貼繼續退坡的背景下，積極推進雙積分政策的進程。
依據《乘用車公司均勻燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理方法》規定，每家車企無論加工多少輛燃油車，都要按照一定比例加工新能源車型。盡管雙積分政策從2018年四月才執行，新能源積分比例從2019年才設定，但工業和信息化部仍舊公布了《有關2016-2017年度乘用車公司均勻燃料消耗量管理有關工作的通知》，對2016-2017年提出了明確的抵償要求，倘若公司的油耗考核出現負積分，可以參照雙積分政策規定的關聯公司間轉讓、購買新能源汽車正積分等方式，在年度積分考核時抵償歸零。可見，新能源積分已經開始發揮用途。從筆直補貼到雙積分政策的轉變，標志著我國政府對新能源汽車的態度從鼓勵向強制過渡，支持的力度不降反增。由于目前雙積分政策只針對乘用車范疇，后續市場化程度更高的乘用車發展將會更為迅猛。由于我國是新能源汽車緊要的加工地和銷售市場，我國鋰電及正極材料廠商擁有雙重地緣優點，獲得了前所未有的發展機遇。
2。小型消費電子鋰電進入成熟期
電子消費品市場對鋰電的需求在智能手機、平板電腦等更新換代需求日趨平穩。IDC數據顯示，2017年全球智能手機出貨量14.65億臺(圖3)，同比下降0.3%，預計2018年還將繼續頹勢，全年出貨量約為14.62億臺，同比下降0.2%。2017年全球筆記本、平板電腦出貨量3.28億臺，同比下降2.3%，預計2018年還將進一步萎縮，預計全球出貨量約為3.11億臺，同比下降5.3%。
與數碼消費電子產品相反，由于園林和家用電動工具的不斷普及，小型手持電動工具出貨量增速分明。電動工具市場普遍分布在歐美日發達國家，全球最大的電動工具加工商緊要是美國的史丹利百得(StenleyBlack&Decker)公司，歐洲的羅伯特·博世有限公司、喜利得(Hilti)有限公司、麥太保(metabo)公司，日本的牧田(Makita)株式會社、日立可紀(HitachiKoki)工業機械株式會社、松下電器(Panasonic)產業株式會社和TTI集團。電池供應商緊要是索尼(Sony)公司、SDI、Panasonic等國內外鋰電巨頭，電動工具廠商和其電池供應商都非常聚集，這個范疇的客戶更重視產品的性能而非價格；加工廠商為了確保技術先進性，在產品研發上投注了較大的精力，這個市場獲得了健康的良性循環。
由于航模、無人機、玩具、智能穿戴等新興市場的不斷張大，高倍率鋰電池銷量也取得了高速上升。由于小型消費電子產品的功能不斷新增，電動工具市場的不斷張大，新興倍率市場的不斷出現，小型鋰電對正極材料的需求仍在平穩低速新增。
3。儲能鋰電池即將進入啟動期，基數小，但出貨快速上升
從使用范疇看來，大型風光儲能、通信基站的后備電源、家庭儲能等儲能3大范疇中，通信基站的后備電源范疇目前占比重較大，家庭儲能借著特斯拉掀起的能源家庭浪潮，有較大的進一步發展擴容的空間，大型風光儲能短時間看來發展速度較慢。當前，限于儲能政策、鋰電池價格、電力等因素，鋰電池使用規模還比較小。
二、鋰電正極材料市場現狀
全球鋰電池市場由于使用范疇不斷擴寬，市場處于成長期，過去5年保持了快速上升，而正極材料使用量也不斷增大，每年上升都超過25%。預計2018年全球鋰電正極材料出貨量約為36萬t，其中鈷酸鋰7萬t，多元材料22萬t。
從市場趨勢來看，近幾年緊要的出貨量上升點在新能源汽車行業，其中動力鋰電主流正極材料從磷酸鐵鋰轉變為鎳鈷錳酸鋰(NCM)和鎳鈷鋁酸鋰(NCA)。而由于小型數碼鋰電保持平穩，因此鈷酸鋰的使用量維持平穩。儲能市場處于發展的初級階段，基數較小，且上升以國際儲能使用為主，這類儲能電池緊要選用了多元體系，因此磷酸鐵鋰的上升并不分明。鋰電正極材料加工由中、日、韓三分天下，我國正極材料供應商占據半壁江山，但日、韓正極材料公司產量緊要聚集于兩三個材料巨頭，而我國的材料公司力量較為均衡，以中型公司為主，但近兩三年，我國材料公司也出現了洗牌加劇，產量更聚集于前幾名材料公司的狀況。2017年產量超過萬噸的材料公司約有10家，除日、韓各2家外其余都是我國公司。
由于日、韓鋰電巨頭對成本的追求日益嚴苛，他們開始在我國正極材料供應商中篩選性價比優秀者。我國政府也對出口鋰電正極材料采取了積極的支持態度，給予鈷酸鋰和多元材料13%的出口退稅，因此從我國出口到日韓的正極材料緊要是鈷酸鋰和多元材料。從2005年至今，鋰電正極材料的出口量不斷攀升。
受到我國新能源汽車動力鋰電需求的筆直刺激，國內外正極材料公司爭相公布新的產量擴充計劃，國際大型廠商中優美科外擴產較為激進，在廣東江門新建20萬t正極材料產線。而住友金屬礦山由于特斯拉(Tesla)的熱賣也有相應的匹配擴產計劃。國內大型廠商實力較為均勻，但產量張大的步伐卻更為積極，貝特瑞、巴莫、當升科技、廈門鎢業等緊要廠商都公布了積極的擴產計劃，這些產量緊要聚集在2021-2025年達產。
遠超過需求的產量擴產計劃將加劇行業洗牌，無技術優點和市場渠道的材料廠商將不得不退出動力鋰電市場競爭。
三、全球鋰電正極材料技術發展趨勢
便攜式數碼鋰電池中首先使用的鋰電正極材料是鈷酸鋰，它能量密度高，但安全性較差、由于戰略小金屬鈷占比較大，成本也比較高，因此不適合使用于車用動力鋰電。車用動力鋰離子電池上首先得到使用的正極材料是錳酸鋰和磷酸鐵鋰。錳酸鋰安全性較好，但是存儲性能差，能量密度低，因此緊要使用在大巴車，或者與多元材料摻混使用。磷酸鐵鋰安全性和循環性能相對優異，但能量密度低、低溫性能差，在市場化乘用車的使用上受到較大限制。
多元材料與其他正極材料相比，性能表現比較均衡，具有克比容量較高，循環性能優異的特點，但多元材料從材料本征上來說安全性較差。多元材料鎳可以調配鎳鈷錳(鋁)3種元素的比例，依據鋰電池實際的使用范疇來強化不同的性能要求，靈活性很強，多元材料被眾多鋰電和材料專家認定為將來緊要的車用動力鋰電池正極材料。
1。動力鋰電正極材料聚集于多元材料，向單晶化和高鎳發展
能量密度、成本、循環壽命是國際動力鋰離子電池通用的緊要評價指標。從替代燃油車的角度來看，里程焦慮問題不可回避。因此，要怎么樣提升能量密度以及加快充電速度是目前車用動力鋰電池最大的難題。
多元材料鎳(Ni)、鈷、錳元素比例可以調整，且隨著鎳含量提高，材料克比容量提高，電池的能量密度也不斷提升。同時由于鈷原料的成本較高，鈷價波動振幅也較大，導致高鈷低鎳的多元材料的成本居高不下，鋰電公司為了降低成本和尋求更高能量密度的材料，傾向于采用Ni含量比較高的NCM622，NCM811和NCA。
常規多元材料的電池工作電壓是4.2V，動力鋰電及正極材料公司希望可以將工作電壓提升到4.35~4.4V以提高電池能量密度。未經優化解決的鋰電多元材料在高工作電壓條件下，由二次粒子團聚而成的多元材料多次循環后會出現結構不穩定，在電子顯微鏡下觀察可以發現材料的一次粒子界面出現了粉化或分離，因此鋰電池的內阻變大、容量迅速衰減，循環曲線出現跳水。高端的鋰電多元材料綜合使用摻雜和多元化包覆工藝，減小材料與電解液之間的副反應，確保在高電壓下二次顆粒多元材料結構亦可穩定存在，不出現結構坍塌。另外，材料廠商開發出另一種單晶型高電壓多元材料，這種材料具有較好的層狀結構，從而提高材料在高電壓下的循環性能。在3~4.4V工作電壓下，可以提高鋰離子傳遞效率，多元材料的放電比容量可提升15%以上。
2。小型鋰電正極材料向高電壓低鈷化方向發展
小型數碼市場側重鋰電能量密度和安全性。在高電壓鈷酸鋰的工作電壓繼續提升至4.45V以后，高電壓多元材料也成為數碼鋰電池正極材料發展的緊要研究方向。傳統的能量密度提升辦法緊要是通過提升鈷酸鋰電池的工作電壓來實現；鈷酸鋰的充電電壓從4.2V一路攀升至4.5V.4.5V高電壓鈷酸鋰的產業化，是鈷酸鋰技術發展的一個里程碑。[email protected]/g鈷酸鋰的工作電壓和容量發展接近極限。4.35V高電壓鈷酸鋰的改性原理緊要是摻雜改性；而4.5V高電壓鈷酸鋰沖破了在火法段進行包覆和摻雜的傳統技術辦法，開始從體相進行摻雜，并結合表面包覆。這樣的辦法使得改性鈷酸鋰在高電壓體系下結構更為穩定，循環壽命更長。
近兩年來鈷價格走出了暴漲暴跌的行情，振幅高達200%，含鈷量占質量百分比60%的鈷酸鋰承受了巨大的成本考驗，鋰電廠商紛紛尋求低鈷和無鈷的低成本正極材料處理辦法。部分可以用多元材料筆直替換鈷酸鋰的范疇，如筆記本圓柱形鋰電已基本全部替換成多元材料。而在一些智能手機和平板電腦軟包電池項目，鋰電廠商開始在4.40V以下的產品中逐漸采取鈷酸鋰摻混多元材料的方式，達到降成本的目的。可以想見，多元材料替代鈷酸鋰的技術日趨成熟，多元材料的使用將更為廣闊，而且這種低成本替換將是不可逆的。
3。儲能鋰電正極材料
世界范圍內儲能電池目前大量使用的鉛酸蓄電池，能量密度都在50~60Wh/kg，鋰電池和這些電池相比在能量密度上都可以達到100Wh/kg，所以鋰電池的循環壽命和成本是鋰電池是不是可以替代鉛酸蓄電池的關鍵。磷酸鐵鋰相對其他鋰電池密度較小，但是它成本低，安全性高，電池壽命較長。從循環壽命和將來成本的降低空間看，磷酸鐵鋰是比較有潛力的儲能電池正極材料。
錳酸鋰和多元材料緊要使用在UPS移動電源和對電池的能量密度有所要求的特殊儲能和家庭儲能范疇。如特斯拉的儲能墻(PowerWall)就是采用了多元材料體系。
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