锂离子电池概述分析

锂离子电池概述分析

锂离子电池概述锂离子电池是一类依靠锂离子在正极与负极之间移动来达到充放电目的的一种二次电池。锂离子电池主要由正极（含锂化合物），负极（碳素材料），电解液，隔膜四个部分组成。电池充电时，正极上锂原子电离成锂离子和电子（脱嵌），锂离子经过电解液运动到负极，得到电子，被还原成锂原子嵌入到碳层的微孔中（插入）；电池放电时，嵌在负极碳层中的锂原子，失去电子（脱插）成为锂离子，通过电解液，又运动回正极（嵌入）；锂离子电池的充放电过程，也就是锂离子在正负极间不断嵌入和脱嵌的过程，同时伴随着等当量电子的嵌入和脱嵌。锂离子数量越多，充放电容量就越高。根据功能与应用领域的不同，锂离子电池主要分成消费类锂离子电池、动力类锂离子电池和储能类锂离子电池三大类；根据封装方式和形状的不同，锂离子电池可以分为软包电池、方形电池和圆柱电池；根据使用的正负极材料体系不同，锂离子电池可以划分为磷酸铁锂电池、三元锂电池、钴酸锂电池、锰酸锂电池和钛酸锂电池等。近年来，锂离子电池产业受到世界各国政府的高度重视和大力支持。随着21世纪微电子技术的不断发展，小型化电子设备的日益增多，消费者对电源有了更高的要求，再加上新能源汽车行业的不断发展和进步，从而使锂离子电池进入了大规模的实用阶段。目前，锂离子电池已大量应用在消费类电子产品（例如手机、笔记本电脑等3C产品）、新能源汽车和储能领域等。与传统的二次电池相比较，锂离子电池具有能量密度高、工作电压高、重量轻、体积小、自放电小、无记忆效应、循环寿命长、充电快速等优势，同时由于不含铅、镉等重金属，无污染、不含毒性材料，因此被广泛应用于消费类电子产品领域，以及新能源汽车和储能等领域，被称为绿色新能源产品。中国锂电材料现状锂离子电池直接使用的一阶材料包括正极材料、负极材料、隔膜和电解液。据工信部数据，锂电直接使用的一阶材料环节，相关产品出货量2021年同比增长超过65%。2022年1-2月锂电池正极材料出货量为23．4万吨，负极材料出货量为14万吨。2021年中国锂离子电池隔膜出货量为78亿平方米，电解液出货量为50．7万吨。2022年1-2月，锂电隔膜出货量为17．5亿平方米，电解液出货量为10．5万吨。锂电间接使用的二阶材料环节，1－2月电池级碳酸锂、氢氧化锂产量分别达3．7万吨、2．9万吨，市场价格呈现高位运行并持续上涨，2月底价格分别突破48万元/吨和44万元/吨。据最新数据，2022年6月6日，碳酸锂（99．5%电池级/国产）市场均价为470972元/吨。中国锂离子电池进出口现状从锂离子电池进出口贸易来看，我国是全球重要出口国，出口大于进口。据统计，2021年我国锂离子电池出口数量为34．3亿只，出口金额达到284．3亿美元。据工信部数据，2022年1-2月，我国锂电出口贸易稳步增长，全国出口总额达到357亿元。自2015年以来，我国锂电池出口均价持续提升。从2015年的4．3美元/个提升至2021年的8．3美元/个。从出口地区分布来看，目前，我国锂电池出口金额最高的地区是美国，2021年，出口至美国的锂离子电池金额为49．75亿美元，占总出口额的17．50%。德国、韩国、越南以及中国香港紧随其后，出口额占比分别为12．28%、10．56%、8．92%和8．01%。全球锂电池产业竞争格局自1991年全球第一只商业化锂离子电池由日本索尼推向市场以来，锂离子电池产业发展已走到其第25个年头。经过20多年的发展，锂离子电池市场规模从无到有，先后超越镍镉电池、镍氢电池等其他二次电池而发展成为仅次于铅酸电池的第二大二次电池产品。从1990年至2012年间，锂离子电池产量从0．5万kWh（1990年还处在试应用阶段）快速发展到3233．47万kWh（注：与国内统计的数据有所不同），年均复合增长率高达49%，仅次于铅酸电池的3．26亿kWh。2000年之前10年的锂离子电池市场规模的年均复合增长率高达70．8%，之后10年为年均27．1%。从2010年至2015年，比传统功能手机更耗电的智能手机以及平板电脑、电动汽车等新兴市场的崛起，推动了锂离子电池市场的快速发展和市场普及。到2015年全球锂离子电池产量快速发展到7921．7万kWh，是2010年的3倍多。在全球经济总体处于低谷徘徊的情况下，如此高速增长尤为难得。中国锂电池市场规模分析在国家各种支持政策的刺激下，我国新能源汽车产量快速增长，对动力锂离子电池的需求量将超过140亿瓦时左右，再加上电动自行车对锂离子电池的需求，2015年动力电池市场规模将超过250亿元，IT用锂离子电池市场约为640亿元，储能用锂离子电池市场为30亿元，2015年我国锂离子电池产品销售收入估计约920亿元，同比2014年增长28%以上。由于动力电池需求的快速扩大，导致碳酸锂、六氟磷酸锂等材料产能不足，从2015年第三季度开始，材料价格飞速上涨。电池产品涨价的呼声日益高涨。在国家各种支持政策的刺激下，我国新能源汽车产量快速增长，对动力锂离子电池的需求量将超过140亿瓦时左右，再加上电动自行车对锂离子电池的需求，2015年动力电池市场规模将超过250亿元，IT用锂离子电池市场约为640亿元，储能用锂离子电池市场为30亿元，预计2015年我国锂离子电池产品销售收入将超过920亿元，同比2014年将增长28%以上。由于动力电池需求的快速扩大，导致碳酸锂、六氟磷酸锂等材料产能不足，从2015年第三季度开始，材料价格飞速上涨。电池产品涨价的呼声日益高涨。锂离子电池自1991年由日本索尼首次商业化以来，市场规模从无到有，先后超越镍镉电池、镍氢电池等其他二次电池，发展成为仅次于铅酸电池的第二大二次电池产品。锂离子电池通过性能优势，和快速下滑的价格，市场规模逐步扩大，而需求增长直接导致行业产能扩张、制造成本下降，又反过来刺激市场需求进一步提升。锂电池需求重心正处于由消费类电子产品的小电池市场向电动交通工具的动力电池市场转移的发展阶段，同时工业和储能市场也开始启动。其中电动交通工具以电动汽车和电动自行车为代表，工业和储能市场主要以移动通信基站电源市场为代表。电动交通工具市场对锂电池的需求呈现出高速增长的态势，未来5年电动汽车市场对锂电池需求爆发。在电动自行车市场，随着性价比提升，锂电池已开始规模化替代铅酸电池，2014年电动自行车市场使用锂电池的新品占比在20%左右，据预测，2020年占比将达95%以上。电动汽车市场是未来5年锂电池市场规模增长的最大动力，2014年电动汽车对锂电池的需求量占锂电池总需求量的比重由2011年的6．6%迅速提升至16．7%，成为仅次于智能手机的锂电池第二大细分市场，据专家预测，2016年将以2071万kWh的需求量和22%的市场份额成为最大细分市场，2020年将以31．4%的市场份额超越整个消费类电子产品市场，届时需求总量将超过6200万kWh，CAGR约32%。移动通信网络由3G向4G甚至5G方向发展，要求在人口密集地区高密度建设大量小微型移动通信基站，锂电池成为此类基站电源的最佳选择，未来几年锂电池在基站电源市场的应用有望高速发展。同时，为降低电动汽车的售价，日产、特斯拉、通用汽车、三菱汽车、戴姆勒-奔驰、比亚迪等知名车企已纷纷尝试将车载电池扩产或回收二次利用，开发家庭储能市场，以降低车载电池的价格。锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池，是二次电池技术中能量密度最高、综合性能最好的电池，其市场份额自诞生之日起便逐年提升。与其他充电电池相比，锂离子电池具有高能量密度、高电压、寿命长、无记忆效应等优点。锂离子电池已经占据了手机、笔记本电脑等消费电子类产品电池的主要市场，未来随着锂电生产工艺和电池性能的进一步提升，将占据储能电池、动力电池等领域的主要市场。2016年中国锂电池的产量达到78．42亿只，同比增长40%。各类锂离子电池的制造可统一分为极片制作、电芯组装、电芯激活检测和电池封装四个工序段。极片制作工艺包括搅拌、涂布、辊压、分切、制片、极耳成型等工序，是锂离子电池制造的基础，对极片制造设备的性能、精度、稳定性、自动化水平和生产效能等有着很高的要求；电芯组装工艺主要包括卷绕或叠片、电芯预封装、注电解液等工序，对精度、效率、一致性要求很高；电芯激活检测工艺主要包括电芯化成、分容检测等；电池封装工艺包括对构成电池组的单体电池进行测试、分类、串并联组合，以及对组装后的电池组性能、可靠性测试。锂离子电池的生产工艺复杂，不同型号的锂离子电池的生产工艺不同，甚至同一型号但不同的电池生产商所用生产工艺也不同。国外企业单一设备精度高，价格昂贵。目前，日本和韩国的锂电设备居于世界领先地位，相对于国内研发起步早，设备精度高、自动化程度较高、性能优越、技术更加成熟，价格也相对价高。企业分工精细，基本上都是从事单一设备的研发制造，如国外生产锂电卷绕设备的企业主要有日本皆藤、CKD以及韩国的Koem；生产涂布设备的企业主要有东芝、富士、东丽、平野；生产分条设备的企业主要有日本的西村等。锂电池行业综述电池（Battery）指盛有电解质溶液和金属电极以产生电流的杯、槽或其他容器或复合容器的部分空间，能将化学能转化成电能的装置。电池根据放电时内部反应分为化学电池、物理电池和生物电池。电池可根据是否可以充电分为一次电池和二次电池。一次电池也称原电池，是指电极反应不可逆，可连续或间歇放电，放电后不能充电复原的电池。主要包括锌锰电池、碱锰电池和锂一次电池等。二次电池又称为充电电池或蓄电池，是指在电池放电后可通过充电的方式使活性物质激活而继续使用的电池，主要包括铅酸电池、镍铬电池、镍氢电池和锂离子电池，目前行业主流电池为锂离子电池。锂离子电池按照锂电池不同的组成成分、形状及其应用，可以从几个原则进行分类：电解质形态、正极材料、应用领域、外包装材料、形状。从外包装材料来分，目前锂离子电池主要方形、圆柱、软包三大类，其中方形和圆柱的外壳主要采用铝合金、不锈钢等硬壳。而软包的外壳则采用铝塑膜来制造：铝塑膜（ALF）是由铝箔、多种塑料和粘合剂（包括粘接性树脂）组成的复合材料：在软包电池中，单片电池组装后用铝塑膜密封，铝塑膜起保护内容物的作用；从应用领域来看，目前锂离子电池主要包括三种：消费电池、储能电池和动力电池。从锂离子电池生产工艺来看，锂电池生产分前端、终端和后端生产工艺，主要包括搅拌、涂布、分切、卷绕、注液、化成、分容等环节，其涉及搅拌机、模切机、卷绕机等一系列锂电设备。锂电池产业链锂离子电池产业链上游，需要完成初始矿石原料的采矿、冶炼、化工制作等流程，将原始矿产转变为适合制作动力电池的二级电池材料，包括正极材料、负极材料、电解液、电池隔膜、和其他原材料产业；中游锂离子电池生产与组装要经过两个环节：1）将一定数量的电芯进行串并联组装成电池模组；2）电池模组加上热管理系统、电池管理系统（BMS）以及一些结构件组成完整的电池包，又称作电池PACK；下游锂离子电池主要应用领域是新能源汽车动力电池、消费电子、储能设备。从新能源汽车的成本构成看，动力电池属三大成本要素之一，而动力电池主要由正极、负极、隔膜以及电解液等组成，其中正极材料成本占比最多达45%。中国锂离子电池行业市场现状锂离子电池是一种二次电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。锂离子电池按照应用领域分类可分为储能、动力和消费电池。储能电池涵盖通讯储能、电力储能、分布式能源系统等；动力电池主要应用于动力领域，服务的市场包括新能源汽车、电动叉车等；消费电池涵盖消费与工业领域，包括智能表计、智能安防、智能交通、物联网等。近年来3C产品对锂离子电池需求量的稳定增加，以及随着新能源汽车的不断发展和储能电池的需求扩大，我国锂离子电池产量规模也不断扩大。从容量规模来看，据工信部数据，2022年我国锂离子电池产量达750GWh，同比增长超过130%，其中储能型锂电产量突破100GWh；从数量规模来看，据国家统计局数据，2022年我国锂离子电池产量达239．28亿只。经过几十多年的发展，中国锂离子电池生产厂从最初的几家到现在的上百家，完成了数量的突破，中国成为全球最大的锂离子电池生产国和消费国。在政策、补贴的双重推动下，中国锂离子电池产业诞生出众多具有全球竞争力的企业。根据中国化学与物理电源行业协会按照营业收入（仅统计锂离子电芯及动力用、消费类产品用和储能用锂离子电池模组或系统）排序，前10家企业2021年营业收入为2787．80亿元。其中，宁德时代新能源科技以1051．15亿元营业收入位居第一，且远远超过其他企业。锂离子电池因其较小体积条件及优越的性能条件，是现代电子产品优先选择的储能电池种类，也是新能源汽车主要使用的动力电池。未来中国市场对电子产品的需求会保持相对稳定，再有新能源汽车市场需求的稳步增长，锂离子电池下游应用行业将带动行业发展。锂离子电池行业未来发展趋势在动力电池领域，系统的能量密度与电动汽车的续航里程直接挂钩，高能量密度几乎成为市场衡量电池性能的绝对标准。目前，多国政府和企业对动力电池能量密度提出发展规划。从国家规划来看，韩国的规划相对激进，提出电芯能量密度在2030年达到600Wh/kg。美国先进电池联合会提出在2020年电芯能量密度提升至350