什么是磷酸铁锂锂电池与三元锂电池性能对比
来源：宝鄂实业
2019-04-06 16:23
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一、有关知识和概念
1.1 锂资源基础知识
1）碳酸锂作为盐湖和锂矿提取的直接产品，是其他锂产品的基础原料，是锂电池最重要的原材料。锂是锂电池原材料的最主要部分，是整个电池产业链的上游。在自然界中，锂主要以锂辉石、锂云母及磷铝石矿的形式存在，也广泛分布于盐湖和海水中。目前锂资源提取主要来自盐湖及含量较高的矿石，海水提锂技术尚不成熟。在我国，锂主要从矿石中提取。
2）我国锂资源较为丰富，全球占比17%，包括盐湖及锂辉石、锂云母。由于我国盐湖分布在青海、西藏等偏远地区，开采条件恶劣，未实现大规模生产，产能释放时间较长，锂资源供应量每年的增长十分有限。
3) 我国已探明的锂资源储量约为540万吨，锂盐湖资源主要分布在青海和西藏，约占全国总储量的80%。由于开采环境的优势，青海盐湖产量增长显著于西藏。2017年国内盐湖提锂的增量约6000吨，明后两年的增量超过1万吨，总体将处于供需弱平衡状态。
1.2 动力电池基础知识
1）新能源汽车快速发展，整个产业链如同雨后春笋般势不可挡。新能源汽车三大核心零部件中：电池、电机、电控，动力电池在整车成本中所占的比例最高，并且动力电池的好坏直接影响着整车的性能。从2014年开始动力电池一直处于供不应求的状态，因此无论国内还是国外动力电池巨头纷纷加大产能的投入。
2）国内动力电池主要为磷酸铁锂电池或三元电池。三元电池比磷酸铁锂电池的能量密度更高、标准电压更强、电芯占空间更少。同时作为电动车的“心脏”，动力电池的续航能力也是非常重要的一点。三元电池的续航里程和储能强于传统锂电池，锂电池每月衰减3%的电量，而三元电池反复使用后每月衰减力度仅为1%至2%。
3）动力电池电池包的组成主要包括电芯、模块、电气系统、热管理系统、箱体和电池管理系统(BMS)。通过电池管理系统(BMS)实现对电芯的管理，以及与整车的通讯及信息交换。BMS作为连接二次电池与用电器之间的重要纽带，将电池或电池组的监测及管理集于一体，从而确保电池或者电池组的安全可靠，并以最佳状态输出动力。BMS可以实现对电池的实时监控、自动均衡、智能充放电等重要功能，在有效保障电池安全的同时，可以实现对电池剩余电量的监测，是动力电池组中不可或缺的重要部件，对于电动车的正常运行意义重大。
BMS对于动力电池而言，最核心的三大功能为电芯监控、荷电状态(SOC)估算以及单体电池均衡。通过合理设计并配置BMS，不仅可以显著提高动力电池的安全性能，还可以有效提高电池的使用寿命，幅度在20%以上。
4）当前动力电池技术已经相对比较成熟，安全问题频发的关键原因，除了电池本身设计与制造方面的缺陷，更大程度上在于BMS模块的设计缺陷以及工作稳定性不佳。目前，动力电池评价主要包括电池单体、BMS、电池系统和外壳四大部分，评价关注点在于基本性能、循环性能和安全性能，BMS成为电池评价的重要组成部分。
5）动力电池发展将走向多元化。动力电池是新能源汽车行业发展的重点和核心，掌握了动力电池技术就等于拥有了新能源汽车发展的核心优势。市场对电池最关心的关键指标集中在五大方面：安全稳定性能、循环寿命、耐宽温性、充电速度和能量密度。
6) 锂电池的技术进步发展缓慢。目前锂离子电池在能量密度、高低温特性、倍率性能上，都远远高于铅酸、镍氢电池，但还是难以满足快速增长的电子产品、电动汽车等的需求。
近些年来，研究人员努力提高锂电池的能量密度(电量体积容量比)、价值、安全性、环境影响以及试用寿命，并在设计全新类型的电池。但帕瑟里尼表示，现在传统锂电池技术已接近瓶颈，进一步优化的空间有限。
7) 从目前科研成果来看，采用石墨烯材料的电池的表现比锂电池要好很多，特别是在电池的动力特性、电容量、寿命等方面。然而，中国石墨烯产业技术创新战略联盟秘书长李义春对记者说，“目前有关石墨烯材料的电池的技术研究大多处于实验室阶段，尚未达到实用化，离大批量生产还有很长的路要走。
8) 目前，随着电子产品的便携化发展，电池也朝小型、轻薄同时兼具高比能量的方向发展；而对于在电动汽车中的应用，高的体积比能量也意味着一定容积的电池可以装填更多的活性物质。因此在实际应用当中，比之质量比能量，体积比能量很多时候更加重要。
9)据国外媒体报道，英国两所大学研究人员发现一种新型超级电容器材料，不仅能将充电时间缩短至10分钟以内，还可将能量密度提高到180Wh/kg，高于目前锂电池普遍的100-120Wh/kg。今年1月，南京理工大学格莱特纳米科技研究所夏晖教授课题组也发现了一种可让超级电容器的电容量提高5-10倍的新材料。
10) 有的科学家称，电池技术可说是一种“混沌的艺术”。它之所以发展得那么慢，很大程度上是因为几乎每一点微小的进步或改变，都需要经过大量的实验和测试，以保证安全和稳定。即使是发现了对于提升能量密度很有帮助的材料，都不能保证它真的能用。
11）固态电池具有发展的必然性。 固态电池采用不可燃的固态电解质替换了可燃性的有机液态电解质，大幅提升了电池系统的安全性， 同时能够更好适配高能量正负极并减轻系统重量， 实现能量密度同步提升。在各类新型电池体系中， 固态电池是距离产业化最近的下一代技术，这已成为产业与科学界的共识。
12）动力电池是电动汽车的心脏，是新能源汽车产业发展的关键。经过十多年的发展，我国动力电池产业取得长足进步，但是目前动力电池产品性能、质量和成本仍然难以满足新能源汽车推广普及需求。
1.3锂电池产业链基础知识
1）在锂电池产业链划分上，上游是锂电池材料所需的矿产资源，中游为锂电池生产厂商，下游则主要是锂电池配套应用领域，目前已被广泛应用于消费类电子产品、电动汽车、工业储能等。
2） 在上游锂电池原材料构成上，主要由正极材料、负极材料、电解液、隔膜四大部分组成。
3）从锂电池材料及电芯方面看，正极材料是锂电池的核心材料。它决定了锂电池的发展方向，也决定了电池的安全性能和能量密度大小，正极材料在电池成本中所占的比例在40%以上，因此它也决定了锂电池成本的高低。
目前已经市场化的锂电池正极材料包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料等产品。国内新能源汽车所用的动力电池，主流的有磷酸铁锂和三元材料。磷酸铁锂电池以比亚迪为代表，三元材料以特斯拉为代表。
钴是生产锂离子电池正极材料钴酸锂的主要原材料之一，中国钴金属资源量约为140万吨，但绝大多数为伴生资源，品位低生产成本高。中国的钴资源有一半以上需要进口满足。由于不能掌握钴资源，中国的钴酸锂生产商完全暴露在高钴价格之下，盈利能力受到很大削弱。
三元正极材料(NCM)结合了镍、钴、锰三种元素的特性，相比传统正极材料优势明显。三元材料尤其是NCM 拥有高比容量、高标准电压、高压实密度以及优良的低温性能等优点，且随着掺杂包覆改性和湿法隔膜涂覆的发展，其原本倍率性能差、热稳定性差、存在阳离子混排等缺点也有望得到解决，未来将逐步替代磷酸铁锂、锰酸锂等传统正极材料。三元锂电池将是新能源车未来大趋势所在，而三元正极材料尤其是国内较为主流的NCM 有望率先扬帆起航，迎来巨大发展空间。
4）负极材料技术与市场相对均较为成熟，成本比重最低，占10%左右。目前已经实际应用于锂电池的负极材料基本上都是碳素材料。
目前钛酸锂电池正在打破以石墨烯为负极的传统电池技术路线，改以钛酸锂为负极材料，钛酸锂电池有着显著特点，如快速充放电能力强，充电倍率高等。
5）电解液在电池中是作为带动锂离子流动的载体，对锂电池的运行和安全性具有举足轻重的作用。在电解液构成中，六氟磷酸锂是电解液成本占比最大的部分，约占电解液总成本的50%左右。
6） 隔膜占锂电池成本比重仅次于正极材料及电解液，技术壁垒最高，目前隔膜在我国的技术仍需提升突破。国内锂离子电池隔膜生产企业主要以干法为主，而湿法工艺在热稳定性、与电解液浸润性及热收缩性等方面优势明显，更能满足动力锂电池需要，因此随着动力电池的需求爆发，湿法替代干法的趋势已经逐步明朗。
1.4 锂电池行业基础知识
1）锂离子电池产业从90年代初诞生以来，至今已有大约30年时间，这个行业从日本垄断，到日韩争霸，到现在中日韩三足鼎立，现在逐渐开始向中国垄断的方向发展。
2）锂电池的下游需求主要来自消费类电池、动力电池和锂电储能三大领域。动力电池是指为新能源汽车、电动自行车等提供动力来源的电池，目前几乎全部采用技术相对成熟的锂电池。
3）由于我国企业在生产管理、工艺控制、生产自动化方面还与日本、韩国有一定的差距。据锂电池行业人士介绍，日本电池生产线大约有200个左右的质量控制点，整个生产流程都在湿度严格控制的环境中完成，最大程度避免了水分的影响，而我国电池生产企业受到成本、条件的影响，质量控制点一般仅有20个左右，好的企业才能达到50个，控制程度还有较大的差距。
4）笔记本电脑电池是中国锂离子厂商的另一大软肋。笔记本电脑电池相对安全性、品质一致性和其他指标方面要求很高，是各种锂离子电池中技术门槛最高的品种，也是利润率最高的种类。但到目前为止，中国许多锂离子电池厂商都无法进入笔记型电脑电池领域。中国锂离子电池厂商生产笔记型电脑电池没有优势，原因在于笔记本电脑电池品质要求甚高，无法靠“半自动化”生产来满足，所以“中国制造”的成本优势无法体现。
5) 从国家的角度来看，在产业层面上要能够对电池行业做一个规范发展，来提升动力电池的优质产能，从产业链的角度上做协同发展。动力电池无论是用在汽车上还是储能里都是关注的焦点，不过，动力电池最主要的是应用在汽车上。
6)锂电池是一个人才、技术、资金高度密集的产业，需要相当长的时间积淀。但是，由于锂电池产业发展迅猛，人才和技术高度的奇缺，尽管锂电池项目很多，而人才与技术却严重跟不上产业的发展。
二、 行业发展前景情况
2.1 根据我国新能源汽车发展规划测算，“十三五”期间，国内动力电池总需求在170Gwh左右；电子数码产品对锂电池的需求增速比较稳定，预计消费电池总需求为100Gwh左右，加上储能消费电池总需求为30Gwh左右，合计超过300Gwh。这意味着在“十三五”期间，锂电池需求年平均增速将达到25%以上。锂电池行业相关公司的发展势头仍将得到延续，锂电池上游原材料也将继续受益锂电池下游需求增长。
2.2 中泰证券研报预计，到2020年，车用三元材料将达20万吨，年均增速将达到54%。工信部预测，2018年三元电池的出货量有望首超锂电池，成为续航电池的主流材料。三元电池产业有望迎来加速增长，进一步占领动力电池的市场份额。预计未来国内锂电池与材料行业产能结构性过剩继续存在，中高端产品包括三元动力电池等有望继续供不应求。
2.3 政策力推，中国已成为锂电材料大国。经过多年发展，中国负极、电解液占全球份额超过60%，正极和隔膜占比接近50%，具备发展电动汽车的产业链基础。行业快速发展得益于政策大力推动，14 年起电动汽车销量大幅增长，行业开始从理想走向现实。展望未来，根据政府规划2025 年销量300 万辆，以40 度电/辆测算，正负极产量将在2015 年基础上增长3 倍，隔膜增长4 倍，电解液增长2 倍。随着锂电池性能提升和成本下降，替代铅酸市场空间同样巨大，尤其是在储能和电动自行车市场。
2.4 预计到2020年动力锂电池投资规模1655亿元，消费锂电池142亿元，储能锂电池360亿元，合计市场规模超过2000亿元，未来4年设备投资复合增速48%。考虑到动力锂电池产业政策，可穿戴设备及VR产品对消费锂电池的进一步带动，以及储能锂电池技术突破价格下行带来的新的市场空间，预计锂电池自动化市场规模有望进一步超预期。
2.5中金公司认为，受下游需求与新能源汽车技术路线图等因素推动，优质电池等产品将保持高增长。2016年至2020 年，(中国)锂电池与四大材料对应的需求年均复合增速超过30%，其中锂动力电池需求量由28Gwh 增长2.2 倍至89Gwh，年均复合增速超过30%。
2.6 业内人士预计，中国锂电池行业正成为世界第一。中国正在出现的超大型的锂电池工厂，让电池大部分新产能集中在中国，中国锂电池产能在2020年将占全世界的62%。
2.7锂电设备行业将出现“整线化、标准化、全球化”三大趋势。预计2020年我国锂电设备规模约210亿元，2016-2020年复合增长率约17%。
2.8 前瞻认为，在政策的利好以及各国新能源汽车产量不断走高的趋势带动下，未来五年，动力电池PACK行业的增速将保持在30％左右的水平。到2023年，全球动力电池PACK市场规模将达到1863亿美元。
三、有关政策支持情况
3.1 2017年3月1日，工信部、发改委、科技部、财政部联合印发《促进汽车动力电池产业发展行动方案》(以下简称“方案”)。整体规模目标： 电池产业到 2020 年达到总产能超过 1000 亿瓦时，并形成产销规模在 400 亿瓦时以上、具有国际竞争力的龙头企业。 产品性能目标： 到 2020 年，新型锂离子动力电池单体比能量超过 300 瓦时/公斤；系统比能量力争达到 260 瓦时/公斤、成本降至 1 元/瓦时以下，使用环境达-30℃到 55℃，可具备 3C 充电能力。到 2025 年，新体系动力电池技术取得突破性进展，单体比能量达 500 瓦时/公斤。
3.2 2018年2月26日，工信部等7部委于联合发布了《新能源汽车动力蓄电池回收利用管理暂行办法》，明确动力电池生产企业产品的设计要求、生产要求和回收责任等，旨在加强新能源汽车动力蓄电池回收利用管理，规范行业发展。
3.3 2018年4月出台《汽车动力蓄电池和氢燃料电池行业白名单暂行管理办法》(以下简称“白名单”)，已不再与补贴政策挂钩，以引导和扶持自主品牌技术进步为核心指导。外资品牌也将涌入，从而实现更充分的市场竞争。
3.4 2018年 7月3日，工信部发布《新能源汽车动力蓄电池回收利用溯源管理暂行规定》，提出按照《新能源汽车动力蓄电池回收利用管理暂行办法》，建立"新能源汽车国家监测与动力蓄电池回收利用溯源综合管理平台"，对动力蓄电池生产、销售、使用、报废、回收、利用等全过程进行信息采集，对各环节主体履行回收利用责任情况实施监测，8月1日起执行。
四、 行业发展有关情况
4.1 有关数据统计
1）在动力电池产业高速增长的背后，产能过剩现象却逐步凸显。据高工产研锂电研究所(GGII)数据显示，截至2017年年底，国内动力电池总产能135GWh，有效产能110GWh。新能源汽车的产销量在2017年均接近80万辆，与2016年相比增幅达50%。动力电池装机总电量约36.4GWh，这也就表示，动力电池的全国产能利用率只有40%。
2）中国电动汽车百人会理事长陈清泰在6月27日举行的中国(青海)锂产业与动力电池国际高峰论坛上表示，中国动力电池配套企业已经从2015年的约150家降到了2017年的100家左右，1/3企业已经被淘汰出局。
3）预计2020 年全球电动车销量 500-600 万辆，对应动力锂电池需求 200-250GWh，设备总需求约 700 亿元。新能源汽车市场空间广阔，对应上游锂电池行业将进入高扩产时期。
4) 2017年我国锂离子电池累计产量达111亿只，首次突破百亿只，同比增长31%以上，增速相比2016年高位略有回落。2017年，我国锂离子电池产业规模达1510亿元，首次突破1500亿元大关，同比增长18%，继续保持快速增长。
领先优势进一步扩大。2017年，我国占全球锂离子电池产业的比重达到了46%，较2016年提高了6个百分点，进一步拉开了与日本、韩国之间的差距。
5）据天风证券测算，2018年全国新能源汽车销量超100万辆，对应动力电池需求约50GWh;2020年全国新能源汽车销量超200万辆，对应动力电池需求约110GWh。而2018年全球新能源汽车销量将超过200万辆，对应动力电池需求约79.8GWh;2020年全球销量近450万辆，对应动力电池总需求约195GWh。
6）2015-2017年三年来动力电池系统单位成本虽然也在下降，但降成本的速度却低于价格下降速度。据高工产业研究院数据显示，2017年底动力电池价格较2017年初下滑20%-25%。磷酸铁锂动力电池组价格从年初的1.8-1.9元/Wh下降到年底的1.45-1.55元/Wh;三元动力电池包价格从年初的1.7-1.8元/Wh下降到年底的1.4-1.5元/Wh。
7）数据显示，2017年我国锂电设备行业营收增速高达128%，在新能源汽车各细分子行业中排在首位。2018年目前继续保持高增长，其中赢合科技、先导智能、科恒股份、星云股份、金银河等5家锂电设备企业，2018年第一季度合计实现营业收入18亿元，同比增长96%，归母净利同比增长68.93%。
8）数据显示，2017年全球氢氧化锂产量4.75万吨，需求量5.01万吨，缺口0.26万吨。业内人士认为，未来如果我国盐湖卤水提锂提纯产业化技术没有重大的实质性突破，国内电池级氢氧化锂供需缺口将更大，而电池级氢氧化锂价格也可能将会迈上20万/吨以上台阶。
9）根据前瞻产业研究院的统计，截止2018年上半年，国内锂电池隔膜行业企业数量(不包括参股)已经达到75家，但大部分企业规模较小，根据前瞻产业研究院对各家公司锂电池隔膜2017年业绩的统计，目前锂电池隔膜市场销售额超过1亿元的不超过10家。
10）高工产研锂电研究所(GGII)调研数据显示，2018年二季度国内正极材料总出货量6.41万吨，同比增长13.7%。其中三元材料同比上涨52.1%，磷酸铁锂同比下滑33.6%，三元材料成为带动正极材料市场增长主要驱动因素。
11）据统计数据显示，2016年全球锂离子电池市场规模达1850.23亿元。随着产业链的良好拉动，锂电池市场增长，截止到了2017年全球锂离子电池市场规模将达2060.62亿元。预计到2018年全球锂电池市场规模将达2313.26亿元。
12）截止到2018年1-7月，锂离子电池产量达到78.2亿只，同比增长8.6%。预计2018年我国锂离子电池产量将达到131亿只，未来五年(2018-2022)年均复合增长率约为17.89%，预计到了2022年我国锂离子电池产量将达到253亿只。
13）数据显示，2018年1-11月份中国动力电池装机量达43.63GWh，同比增长77%。从材料体系来看，三元电池装机量为25.21GWh，占比约57%，同比增长约76%。
4.2 产业方向和趋势情况
1）由于政策的导向，从技术路径来看，2017年动力电池技术的更迭换代突出表现在三元材料领域(三元材料能量密度远高于磷酸铁锂电池)。根据《中国制造2025》对动力电池的发展规划：2020年，电池能量密度达到300Wh/kg；2025年，电池能量密度达到400Wh/kg。
2）随着需求的快速增长，预计到2019年前后，金属锂和钴等不可或缺的原料将持续吃紧。电芯缺货涨价这一情况预计将长期存在。
3）磷酸铁锂电池在未来1-2年将面临较严峻的产能过剩问题，三元锂电池将会出现阶段性产能过剩。不过，从中长期来看，我国的动力电池产业仍有非常大的成长空间，根据工信部整车出厂合格证产量数据测算，到2020年，我国国内动力锂电池总需求约90GWh，到2025年，动力电池需求量将达到310GWh。
4）动力电池行业逐渐步入兼并重组的关键期，合资合作日益明显。不少业内人士认为，在行业小的时候，做好细分市场的分工就好，而当行业壮大，上下游的联动就显得非常重要，能减少中间环节成本，获得巨大回报。
5）高工产研锂电研究所(GGII)认为，在当前CATL一家独大的情形下，是喜悦，说明国内动力电池制造业已跻身全球领先水平；也是担忧，当所有车企都押宝在一家供应商时，容易因为一些突发事件大则造成整个行业波动，小则影响单家车企日常经营。
因此国内还需要崛起3-4家动力电池企业，以满足未来新能源汽车往100万辆、500万辆、1000万辆等体量发展。
6) 全固态锂电池作为替代传统锂电的未来电池技术方向之一，吸引了众多国内外研究机构和企业进行研发，但是在固体电解质材料、界面性能优化、电极材料选择以及成本、工艺上还有相当长的路要走，不论是生产工艺制程、或是生产线的周遭环境都需要大量的资本投入和严格参数控制，对后进的初创公司而言，要从实验室走到量产线的路很长很远很昂贵。当然，面对其巨大的商业价值空间，一定还会有更多类似宝马一样的优秀汽车制造商以及电池企业投入其中，相信随着研发技术的推动和深入，固态电池产业化步伐将逐步加快。
7) 目前国内电池企业面临加速洗牌，行业集中度将不断提升，初步预计国内锂电池前五大企业将垄断80%以上的市场份额。业内人士认为，锂电产业短期内有两波洗牌浪潮，目前是第一波，表现是市场份额的变化，三四年之后会有第二波，表现在技术革新方面，未来资金不是追逐规模就是追逐技术。
8) 在整体行业出现结构性产能过剩的情况下，扩产主体趋向于规模企业及新进入者。
数据显示，2018年主要有3股力量系主要扩产势力：一类是已经取得一定市场占有率，且有一定规模的企业。其需要不断扩产，以满足客户2020年及以后的需求，这类代表企业有CATL、孚能、比亚迪、国轩等;第二类企业是2016–2017年才成立的电池企业，其需要建设第一期产能，如瑞浦能源、塔菲尔、华鼎国联等;第三类企业是需要多技术发展，建设另外一种形状电池产能的企业，如湖北猛狮、江苏远东福斯特、力信等。三类企业中第一类企业的投资规模更大，单期新增产能以4–10GWh。
9) 随着动力电池行业的飞速发展，国内电动车已经可以发起690公里的里程挑战。在6月24日-29日第五届环青海湖电动汽车挑战赛上，多款纯电动车的竞技直观体现了电动车不输燃油车的极限性能，让更多人认识到了新能源汽车时代已经到来。
10) 宁德时代副总裁、首席科学家吴凯介绍，电池企业进行研发注重考虑两方面因素，一是能量密度;二是成本平衡设计。这两条曲线与经济学的供需曲线相似，在某个位置形成平衡点。这个平衡点的时间节点是2020年，能量密度达到300Wh/Kg，价格为1元/Wh。在这个平衡点之下，三元/石墨体系的电池会成为流行趋势，随着能量密度提升，硅基负极体系、固态电池等会显示出优势。
11）动力电池从磷酸铁锂转向三元体系后，能量密度有了较大幅度的提高，但是，瓶颈问题依然没有解决。燃料电池和固态电池被大家认为是未来的发展方向，为了抢占未来的制高点，我国企业出现了较有代表性的现象：不少整车企业偏向燃料电池，动力电池企业偏向固态电池研发。
12）8月中旬，比亚迪和宁德时代都爆出明年将推出高镍811电池的消息！而此前的印象中，两位巨头似乎对高镍811电池并不积极，因为比克电池、国轩高科等企业早就量产了高镍811电池。而全国动力电池领域的老大和老二，如今终于出手，释放的信号非常明显，高镍三元时代真的来了！
13）业内人士认为，2019年开始以电池级氢氧化锂为原料的高镍三元电池会逐渐成为市场需求主流。通常来讲，每1GWH高镍三元电池约需要787.5吨氢氧化锂。根据预测，2018年全球电池级氢氧化锂需求量或迎来爆发式增长，有望达4.7万吨。预计2018-2020年全球电池领域对氢氧化锂需求的复合增长率达78%。
