浅析我国动力电池的现状和未来趋势

　　动力电池是影响我国新能源汽车产业发展的重要因素之一，经过行业十余载的探索和努力，我国动力电池产业取得了一定的成果。本文将从动力电池正负极材料和隔膜制备角度，尝试解析我国动力电池的现状和未来趋势。

　　正极材料：三元材料市场占比提升，高镍是未来发展主流趋势

　　正极材料是动力电池发展的关键技术突破方向，从磷酸铁锂、三元再到高镍三元，动力电池的能量密度得到了不断的提升。另外，在电池生产成本构成中20%-30%为正极材料，正极材料除了是决定电池能量密度进一步提高的重要因素外，也是决定电池成本和性能的关键因素之一。目前，锂电池正极材料主要包含磷酸铁锂(LFP)、锰酸锂(LMO)、钴酸锂(LCO)和三元材料(NCA/NCM)，除了LCO(主要用于3C锂电池)外，剩下的都可以在动力电池中使用。而三元材料，指的是采用包含钴、镍、锰(或铝)三种元素的三元聚合物。目前，三元材料拥有着最为广阔的发展前景：相较于其他正极材料，三元材料在能量密度上具有明显的优势，同时拥有较长的循环寿命，但在安全性上低于LMO和LFP。

　　2013年以来，全球3C锂电池市场不断发展。得益于新能源汽车市场的崛起，动力锂电池也逐渐成为锂电池市场迅速发展的重要驱动力之一。新能源汽车产业的蓬勃发展，也促进了动力电池正极材料产量占比的快速增长。作为动力电池主要正极材料的LFP，在2016年以前的产能和产量扩大速度较快，在2016年之后，NCM取代LFP，成为正极材料的主要发展方向

　　三元电池未来需求空间巨大，需求量的复合增速有望达到90%，成为未来几年动力电池新增需求的主要来源。市场对三元电池需求的高速增长也将带来三元正极材料需求的不断上升，由于高镍三元材料能够有效带来高能量密度，高镍三元材料可能会出现结构性的供需紧张。

　　三元材料原料为镍盐、锰盐和钴盐，目前主流技术的发展方向是通过改增加镍含量、压实密度和充电电压上限来提高电池能量密度。但随着镍含量的增加，三元材料稳定性会随之降低，这也是三元材料发展的一大阻力，目前主要解决途径包括离子掺杂、表面包覆和调整电解液及负极材料等。在实际的生产与制造中，提升正极材料中镍的占比，在使得电池能密度上升的同时，也意味着安全性能的下降和制备难度的提升。目前，主流三元材料中622型NCM、523型、333型都已经实现量产，但能够批量生产811型的厂家仍然较少。

　　随着厂商对市场份额的不断抢占，正极材料行业竞争将愈发激烈。由于增长需求缓慢，523型、低镍333型、LFP正极材料产能利用率和利润率都将出现下降的趋势。同时由于补贴新政对于提升动力电池能量密度的鼓励，加上高镍三元正极材料本身制备技术门槛较高，市场供应量有限，未来仍将呈现紧俏趋势，这也意味着掌握高镍材料技术、拥有正极材料研发的公司将在未来的竞争中具有明显的优势。

　　石墨烯负极材料性能指标已接近理论值，硅碳有望被大规模应用

　　负极材料在锂离子电池成本中的占比约为10%-15%，是锂离子电池的重要组成部分之一，主要包括天然石墨、天然石墨、合金、中间相碳微球和钛酸锂等。性能良好的负极材料具备充放电反应的可逆性能好、与电解液兼容性好、较高的比能量、相对锂电极的电极电势低的优点。目前，石墨烯负极材料已经发展到比较成熟的阶段，未来提升锂电池能量密度的突破口极有可能为硅碳负极。

　　天然石墨工艺简单，具备较好的化学稳定性和热稳定性，但制作成本高，制作工艺复杂;硅碳类复合材料还没有在国内实现大规模生产，但其比容量较高，但循环性能较差;人造石墨具备较好的安全及循环性能，但成本稍高;中间相炭微球石墨在倍率性能上高出人造石墨与天然石墨于石墨类负极材料。综合性能与成本来看，目前人造石墨被作为国内新能源汽车动力电池的主要负极材料。区别于正极材料，相较于3C电池负极，动力电池负极工艺难度相对较低。

　　经过一段时间的发展，目前石墨烯负极材料理论上已经不能提升动力电池的能力密度，其性能指标已经接近理论值。随着行业对动力电池能力密度要求的不断提升和相关技术的不断突破，已有锡基、硅基为代表的符合材料应用到电池的生产中，其中最有希望被规模应用的下一代材料极有可能是硅碳负极材料。

　　就产业现状而言，负极材料集中度相对较高。2017年，中国锂电池负极材料产量共计14.7万吨，其中江西紫宸、杉杉股份、贝特瑞产量合计占据市场份额的63%，为9.3万吨，负极材料市场呈现出寡头垄断的形势。总体而言，负极材料行业格局相对稳定，行业集中度较高，利润率水平稳定。未来，在硅碳负极产业化实现突破的企业将有望占领更大的市场份额。

　图2 2017年负极材料市占率

　　(资料来源: GGII)

　　三元锂电池的不断发展带动湿法隔膜成为主流

　　隔膜技术是锂离子电池组件中技术含量较高的部分之一，其主要作用是隔离正负极的同时，保证锂离子的通过，对保证锂电池的安全有着十分重要的作用。目前，隔膜制作工艺包括湿法和干法(见表1)。

　　湿法工艺将液态烃或一些小分子物质与聚烯烃树脂混合，加热熔融后，形成均匀的混合物，然后降温进行相分离，压制得膜片，再将膜片加热至接近熔点温度，进行双向拉伸使分子链取向，最后保温一定时间，用易挥发物质洗脱残留的溶剂，可制备出相互贯通的微孔膜材料。日本旭化成、日本东燃、韩国SK等均采用此工艺。应用范围：高性能锂离子电池等。干法工艺相对简单，附加值高，环境友好，但孔径和孔隙率难以控制，产品难以做薄

　　干法制作工艺又称熔融拉伸法，是指将聚烯烃树脂熔融、挤压、吹膜制成结晶性聚合物薄膜，经过结晶化处理、退火后，获得高结晶度的结构，并在高温下进一步拉伸，将结晶界面进行剥离，形成多孔结构以增加薄膜孔径的制备工艺。湿法工艺薄膜孔径小而且均匀，薄膜更薄，但是投资大，工艺复杂，环境污染大。

表1 干湿法隔膜比较

　　随着三元锂电池的不断发展，湿法隔膜有望成为技术主流。目前，动力电池主要以三元电池(正极为镍钴锰(NCM))和磷酸铁锂电池为主，其中碳酸铁锂电池主要采用干法隔膜，而湿法隔膜在三元电池的使用比率较高。随着市场对电池能量密度要求的不断提高，三元材料等正极材料开始兴起，电池隔膜发展方向也开始倾斜。另外，随着PVDF、陶瓷等涂覆技术的不断发展，“涂覆+湿法”的生产工业也会明显改善锂电池的热稳定性。此外，由于产业对动力电池安全性要求的不断提升，高端湿法涂覆作为目前提升电池安全性最有效的方法之一，未来市场需求也将加速提升。

　　随着新能源汽车产业的蓬勃发展，隔膜产业未来市场景气，隔膜企业需要具备创新技术、研发力量、有效专利、高端装备和资金实力。近年来，隔膜产业扩张较快，预计不久后隔膜供需格局将会发生转变，产能的释放会带来激烈的价格竞争，掌握关键技术和具有成本优势的企业有望获得较大市场份额。

　　结语

　　随着新能源汽车产业的不断发展，动力电池产业也将迸发出新的活力，呈现出新的趋势：高镍材料是正极材料未来发展主流趋势;石墨烯负极材料性能指标已接近理论值，硅碳材料有望成为下一代大规模应用的主流材料;而三元锂电池的不断发展也将带动湿法隔膜成为主流。