3C领域的锂电池应用3.docx
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3C领域的锂电池应用3
专题：
3C领域对锂电池的需求
主要结论：
1，到2015年，3C领域对锂的需求平均增速18%
2，长期来看锂电池被新技术替代是必然，但是在近3-5年内不必过分担心
一、锂电池简介
一个典型的锂离子电池主要由正极、负极、隔膜和电解液四部分组成。
锂离子二次电池的正极为钴酸锂、锰酸锂等锂化合物的粉体，涂覆在铝箔上；负极为石墨或其它材料（钛酸锂等），涂覆在铜箔上；正负极之间用一层多孔塑料膜隔开，通常采用微孔聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）或两者的复合膜（PE-PP-PE）；正负极和隔膜一般浸在溶有LiPF6或者LiAsF6电解质的碳酸乙烯酯（EC）和碳酸二乙酯（DEC）的混合溶剂形成的电解液中。
图1锂离子电池的构成
数据来源：
天弘基金
（一）锂电池正极
最早的商业化应用的锂电池正极材料是钴酸锂，由于其比容量高、循环次数长，被广泛应用于对比容量要求较高的消费类电子品中（目前的固态锂电池的正极大多也是用钴酸锂的）。
但是，随着钴酸锂的使用和锂电需求领域的扩展，钴酸锂的问题也就暴露出来：
首先是其安全性比较差，在高温工作、隔膜破损等情况下，甚至会发生爆炸；其次，钴资源稀缺，导致钴酸锂造价昂贵，应用于大型电池领域的成本太高。
为此，后来市场中又出现了许多其他锂化合物正极。
其中，具有橄榄石结构的磷酸铁锂是较早出现的材料，不仅价格便宜，而且安全性和稳定性好，隔膜穿刺也不会发生爆炸。
但是磷酸铁锂的问题在于其比容量低、正极材料振实密度低（只有0.8-1.3，钴酸锂的一般会在2.5以上），所以体积是限制其未来发展的最大问题。
另一个致力于解决钴酸锂成本问题的方案是发展镍酸锂。
镍酸锂的晶体构造与钴酸锂类似，理论比容量与钴酸锂相当，但是镍的价格只有钴的一半，是理想的替代钴酸锂的材料。
但是目前技术水平下很难制得理想的层状结构的镍酸锂，而是混杂着二价镍、三价镍和锂离子的混合体，导致最终产品稳定性差，因此目前镍酸锂并没有实际商用。
目前结合众多锂正极材料优点的三元材料成为新的发展方向。
三元材料简单地理解是锰酸锂和钴酸锂的平均化产物，其能量密度虽然不及钴酸锂，但是仍然比较高，且安全性较好、价格相对便宜。
其中镍钴铝材料最早由日本开发，是在全球发展比较成熟的三元正极材料，目前已经普遍应用于笔记本电脑电池，特斯拉轿车使用的INR18650电池就是镍钴铝三元材料。
但是镍钴铝电池的问题在于其高温状态下的安全性较差（因此特斯拉轿车才使用了复杂的电控系统来精确控制每块电池的温度）；与此相对地，镍钴锰酸锂电池的安全性较好，但是问题是比容量相对于镍钴铝电池明显要低，目前小型电池领域应用较多。
表1钴酸锂各类锂离子电池正极材料对比
钴酸锂
镍酸锂
锰酸锂
磷酸铁锂
镍钴锰
镍钴铝
主要应用的晶格结构
层状
层状
尖晶石
橄榄石
层状
层状
开路电压
3.7V
3.3V
3.8V
3.2V
3.7V
3.7V
理论比容量（mAh/g）
274
274
148
170
-
-
实际比容量（mAh/g）
160
200
110
135
160
190
循环寿命（次）
>500
>500
>500
>2000
>800
>800
工作温度（摄氏度）
-20~50
-20~50
-20~50
-20~75
-20~55
-20~55
资源丰富程度
稀缺
丰富
丰富
丰富
较丰富
较丰富
安全性
低
低
较高
高
较高
较高
环保性
低
较低
好
好
较低
较低
应用领域
电子设备
电子、动力
动力用
动力用
电子、动力
电子、动力
最新进展
提高安全性
试验阶段，提高稳定性
部分汽车动力
比亚迪汽车动力
丰田普锐斯汽车动力
特斯拉汽车动力
最主要有点
能量密度高
性价比高
便宜
热稳定性好、便宜
安全性和性价比较好
比容量较高、便宜
最主要缺点
钴稀缺
难制备
高温性能差、比容量低
比容量低、品质控制较难
低温性能差
高温安全性差
数据来源：
天弘基金
表2三元材料中各元素对应的性能（简单总结，实际情况要更复杂）
三元材料中的元素
对应电池的性能
典型产品
镍
高比容量、低安全性、成本折中
81515NCA
钴
较高比容量、安全性折中、高成本
111镍钴锰
锰
低比容量、高安全性、低成本
数据来源：
天弘基金
不过，虽然近年来随着更多的锂正极材料被开发出来，钴酸锂的市场占比正在逐年下降，但是钴酸锂依然是全球使用最多的锂电池正极材料。
这主要是因为目前锂电池最大的下游是电子类产品，这类产品对电池的比容量要求远高于对其安全性的要求。
至于使用不同的正极材料是否会造成单位材料用锂量的变动，通过对比可以发现，目前主流的钴酸锂和三元材料在用锂量方面的差异很小，用料的差异对全球锂需求的影响不大。
图2全球各类锂电池使用量
图3各类锂电池正极材料消耗碳酸锂的量
数据来源：
IIT
数据来源：
天弘基金
（二）锂电池负极
锂离子电池的负极主要使用电势位低的石墨材料。
由于目前石墨负极的理论比容量已经基本上普遍超过了300mAh/g（部分材料可以超过700mAh/g），跟正极材料普遍不足300mAh/g的理论比容量相比，负极材料在目前阶段并不是锂电池性能提升的瓶颈所在。
不过，除了石墨材料以外，目前还有一种技术路线是使用钛酸锂作为负极（这类电池通常用三元材料做正极），不仅可以明显提高理论比容量，并且由于其具有非常优秀的“零应变性”（所谓“零应变性”是指其晶体在嵌入或脱出锂离子时晶格常数和体积变化都很小，小于1%），还可以有效提高锂电池的安全性；不过钛酸锂负极电池的造价昂贵、且自放电比较严重、对电压平台要求高，所以目前没有大规模商用，若未来可以克服这些问题，钛酸锂负极电池将有可能成为未来大容量锂电池的一个新的解决方案。
图4各类负极材料的市场占有率
图5各类负极材料的比容量
数据来源：
Roskill
数据来源：
天弘基金
（三）锂电池电解液
锂电池电解液主要使用碳酸乙烯酯（EC）和碳酸二乙酯（DEC）溶解六氟磷酸锂（LiPF6）或者六氟砷酸锂（LiAsF6）。
电解液中使用的锂也很少，通常六氟磷酸锂的浓度只有1mol/L，
一只典型的18650电池（电解液大概5.2-5.8g）中只有大约0.6g六氟磷酸锂，合0.03g金属锂。
聚合物锂电池跟液态锂电池类似，只是电解液为凝胶态。
（四）隔膜
隔膜主要用作可隔离电池正负极，以防止出现短路；高性能的隔膜还可以在电池过热时，通过闭孔功能来阻隔电池中的电流传导。
隔膜的性能决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量、循环性能以及安全性能等特性。
目前，锂离子电池主要使用多孔聚乙烯或者聚丙烯类聚合物材质，隔膜本身不含锂。
二、3C领域锂电池的需求现状：
过去十年稳定增长
（一）总量：
3C产品领域在锂和锂电池消费中的比重是最大的
1，3C产品是锂和锂电池最大的下游
锂电池对锂的消费占锂总消费量的40%，而其中，3C产品对锂电池的消费又占锂电池消费量的60%，从整条锂产业链上看，3C产品是锂和锂电池最大的终端需求，在产业链上有非常重要的地位。
图6锂的消费构成
图7锂电池的消费构成
数据来源：
SQM2012年年报
2，锂电池在3C产品中的渗透率接近100%
另一方面，锂电池在3C领域中的渗透率也已经非常高。
经过短短二十年的发展，目前锂电池在手机和笔记本电脑领域（包括平板电脑）的渗透率已经达到100%，即便在消费类电子领域，数码相机使用锂电池的比例也已经迅速上升至90%以上。
2011年，全球消耗的锂电池数量高达44.89亿只，其中手机和笔记本电脑分别消耗的锂电池量就高达16.9亿只和14.4亿只。
图8各类负极材料的市场占有率
图92011年各类3C产品锂电池耗用量
数据来源：
Roskill
数据来源：
天弘基金
而按照目前电子类消费品的普通规格来计算，仅手机、笔记本电脑和数码相机三类，对锂电池的年需求量就高达8.5万MWH！
表3各类3C产品的锂电池规格
代表产品
安时
电压（V）
瓦时
智能手机
三星GalaxySIII
2.1
3.8
7.8
笔记本电脑
Macbookpro
5.5
10.8
60
超极本
Yoga11S
2.84
14.8
42
数码相机
佳能SX240
1.12
3.7
4.1
平板电脑
Ipad
6.6
3.75
24.8
数据来源：
天弘基金
（二）结构：
3C产品使用什么样的锂电池
1，性能：
高比容量
3C产品的使用特性决定了其对锂电池的要求，更看重锂电池的高比容量。
因为3C产品的使用寿命通常都不长（1-2年），工作环境温度要求也不高（-15到40摄氏度），对安全和循环性的要求相对较低；3C产品消费的锂电池容量不大，成本因素也不是那么重要；不过，由于3C产品普遍讲究轻薄的便携性，以及较长的续航时间，因此对于比容量的要求是非常高的。
而前文也说过，虽然在比容量的提升方面，负极、隔膜和电解液同样重要，但是目前的技术水平，电池正极是限制比容量的关键因素。
因此，在3C领域，具有高比容量的钴酸锂电池就成为了长久以来行业的第一选择。
从1991年索尼推出首款商用钴酸锂电池以来，到近几年三元材料进入市场之前，3C市场几乎就是钴酸锂的天下。
不过，近年来，三元材料的技术不断突破，也为3C产品的电池市场带来了一些新的选择。
因为三元材料本质上跟钴酸锂材料的晶体结构是一致的，意味着两种材料的性能也比较相近，不过三元材料由于使用了更加便宜且活性相对较小的镍、锰金属，使得其在保证比容量较高的同时，可以降低成本和提高安全性。
此外，三元材料由于配方可以灵活变动，也为电池厂商提供更多的便利，来生产更符合特定需求的电池。
图10各类主要电池材料的性能对比
图11中国三元和钴酸锂材料的产量
数据来源：
天弘基金
数据来源：
天弘基金
近年来，随着大耗电量的智能手机的迅速发展，以及对待机时间要求越来越高的移动PC市场的不断扩展，锂电池面临再次提高比容量的局面。
而从目前的技术来看，依靠提高压实密度的方法提高钴酸锂的比容量已经接近极限，而三元材料在应用方面尚需与其匹配的电解液等材料的发展，因此从2008年以后，对高电压技术的研究开始推动3C锂电的进一步升级。
从iphone5首次使用4.35V充电限制电压的锂电池以来（此前充电限制电压是4.2V），三星、华为等手机企业已经陆续推出了使用4.35V高电压锂电池的手机，以提高锂电池的比容量。
表4近年来各主要3C产品的锂电池使用情况
产品
发行时间
电池类型
正极材料
充电限制电压
电压
容量
Iphone
2007
聚合物电池
改性钴酸锂
4.2
3.7
4.51wh
Iphone4S
2011
聚合物电池
改性钴酸锂
4.2
3.7
5.25wh
Iphone5
2012
聚合物电池
改性钴酸锂，三元材料
4.35
3.8
5.45wh
GalaxySIII
2012
软包液体锂电池
钴酸锂，三元材料
4.35
3.8
7.8wh
Lumia920
2012
聚合物电池
钴酸锂
4.2
3.7
7.4wh
小米
2011
聚合物电池
钴酸锂
4.2
3.7
7wh
华为AscendMate
2013
聚合物电池
4.35
3.8
15.39wh
小米2
2012
锂聚合物电池
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