关于锂离子动力电池组的成本分析.docx

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关于锂离子动力电池组的成本分析

关于锂离子动力电池的成本分析

一、锂离子动力电池的目标市场

锂离子电池由于工作电压高、储能较大、无记忆性和质量轻等优势发展迅速，一直在移动通讯、笔记本电脑等电器上大量使用；近年来随着新能源汽车的推广，锂离子电池被认为是最有效的能量工艺装置；同时新能源（太阳能、风能）并网发电站项目建设步伐加快，锂电池组为代表的储能技术成为核心发展的对象。

针对电动汽车使用的电池以功率型电池为主，其特点是：

电池的放电倍率很大，那么在设计过程中就要注意减小电池的阻；在极片的选取上，高功率型的电池极片要厚些，在涂敷的厚度上，高功率型的电池极片要涂得薄些，这样锂离子和电子在电阻相对较大的电极活性物质上迁移的距离小，总阻减小，可以支持大电流，以达到高功率的要求；

针对储能电池以能量型电池为主，其特点与功率电池相反。

对于高能量型电池，放电的倍率较小，那么在综合考虑阻和容量的时候可以把容量排在前面，当然在增大容量的过程中也要尽可能地减小阻。

二、锂离子动力电池组的产业链状况

结合项目目前的状况，这里重点讨论电芯的成本情况，因为作为一个电池组（电池包），电芯是基础，多个电芯串并联组成电池组，多电池组串并联组成电池包，然后装在电动车上使用或做储能电源。

而且其成本特性属于变动成本，后期电池组装过程中更多的与设备、软件等固定成本相关。

电芯的关键是：

正极（阴极）、负极（阳极）、电解液和隔膜。

三、锂离子电池的成本分析

1、正极（阴极）材料：

锂离子电池的主要构成材料包括电解液、隔离材料、正负极材料等。

正极材料占有较大比例（正负极材料的质量比为3:

1~4：

1）,因此正极材料的性能直接影响着锂离子电池的性能，其成本也直接决定电池成本高低。

目前锂离子动力电池场上主要使用以下五种材料：

最新炒作比较火的材料是Li[Ni0.17Li0.2Co0.07Mn0.56]O2，日产公司与日本新能源产业机构（NEDO）联合开发的一种预期可提供更高容量的固溶体材料，预计电位可增至5V以上，能量密度280mAh/g（磷酸铁锂170mAh/g），该材料也是项目组未来使用的主要材料之一。

目前国正极材料的价格：

钴酸锂          30.3万/吨

        钛酸锂          21.0万/吨

        锰酸锂          6.0万/吨

        钒酸锂          6.0万/吨

        镍钴酸锂        20.1万/吨

        镍钴铝酸锂      21.6万/吨

        三元材料        17.2万/吨

        磷酸铁锂（三个级别）15.4万/吨 17.2万/吨 18.3万/吨

从目前形势上看，价格整体呈上涨趋势。

2、负极（阳极）材料：

锂离子电池负极材料要求具备以下的特点：

①尽可能低的电极电位；②离子在负极固态结构中有较高的扩散率；③高度的脱嵌可逆性；④良好的电导率及热力学稳定性；⑤安全性能好；⑥与电解质溶剂相容性好；⑦资源丰富、价格低廉；⑧安全、无污染。

目前，对锂离子电池负极材料的研究较多有：

碳材料、硅基材料、锡基材料、钛酸锂、过渡金属氧化物等。

但是主要应用于产业化的是碳材料，其中石墨类碳材料技术比较成熟，在安全和循环寿命方面性能突出，并且廉价、无毒，是较为常见的负极材料。

而人造石墨通过对天然石墨的氧化进行表面改性，提高了石墨的电性能，是目前最常用和用量最大的负极材料。

目前国产品价格在6万/吨-10万/吨之间；日本产品价格在10万/吨-15万/吨之间，卖到中国12万/吨-20万/吨。

3、电解液：

在锂离子电池的性能和稳定性方面，电解液一直居于中心位置。

目前常规的电解液体系一般包括有机溶剂和锂盐，EC、DMC、EMC、DEC、PC为几种常见的有机溶剂，锂盐是LiPF6。

锂盐是电解液制造的重点，锂盐目前几乎被日本几家企业垄断。

其中，关东电工化学每年生产LiPF6达到950吨（主要用于宇部），SUTERAKEMIFA年产800吨（主要用于ECOPRO），世界最大的锂盐生产商森田化学年产960吨（主要用于三菱）。

目前国一些企业也号称生产出锂动力电池使用的电解液或锂盐，但是否能批量用在动力电池上，还有待商榷。

不过，目前国已有多家上市公司在实施锂离子动力电池用电解液的产业化工作。

目前购日本产品价格在35万/吨-40万/吨，其实成本为10万/吨。

4、隔膜：

锂离子动力电池隔膜是一种具有纳米级微孔的高分子功能材料，是电芯的重要组成部分，它起到将正、负极隔开，并且具有电子绝缘性和离子导电性；同时还具有“热关闭”的特性。

隔膜的性能决定了电池的界面结构、电解液的保持性和电池的阻等，进而影响电池的的容量、循环性能、充放电电流密度、安全性等关键指标，但是隔膜制备的关键技术被日本掌握。

国虽有部分厂家，包括一些上市公司在重点实施研发和产业化工作，但是离用于锂动力电池的大规模产业化尚有一段距离。

目前购日本产品价格在20～55元/m2。

但是，目前国从日本进口的隔膜也非日本的主流产品。

5、目前单体电芯，国主要材料占比为

6、日本单体电芯的资料：

能量型电池

功率型电池

无论是何种工艺，从图表可以看出，隔膜、正极、电解液是材料的主体。

7、锂离子动力电池总成本结构

从上图中可以看到，电池制造过程中主材和折旧是成本的主要组成，这就主要是制造设备的投入、电池设计中开发支出的投入、电池管理系统研发的投入。

8、电池管理系统的成本

电池管理系统对电池组的安全使用至关重要，但是作为一种电路，它的成本主要是设计成本，就像设备一样，是一笔巨大的投入，但是如果电池的生产达到了一定的规模，它是有摊薄效应的。

四、动力锂电池未来成本趋势

主流厂商的成本情况

1、日本的成本降低目标

不断提高锂电池的性能，并通过促进电动汽车的发展达到锂离子动力电池的经济规模产量。

2、我国的成本降低目标

五、未来锂离子动力电池成本降低的设想

1、降低锂离子电池的主要材料成本，尤其是隔膜和电解液成本，目前的隔膜和电解液中的六氟磷酸锂基本靠进口，如果实现国产化则可大大降低制造成本，目前国已经有两三家企业突破了隔膜制造技术，开始批量生产，但还不能完全替代进口隔膜。

2、在保证安全性的基础上不断提高电池的能量密度，可以通过正极材料、负极材料改性及电解液的不断改进来达到目标。

3、提高锂离子动力电池制造设备的自动化程度，减少电池的不良品率和材料的综合利用率

六、成本降低的初步想法

（一）单体电芯的成本估算

（由于该估算考虑了国市场的情况，以及实际情况，所以计算的比例略有出入，而且电池部由于结构、材料掺杂不同也会带来比能量、电压、以及隔膜、电解液的消耗不同，这里只是粗略的计算，随着电池设计工作的不断深入，该数据会不断变化）

1、正极以磷酸铁锂电池为例，其理论比容量为170mAh/g，产品实际比容量一般为140mAh/g（0.2C,25°C）;但考虑粘结剂等物质的添加，实际比能量为100mAh/g。

其理论电压为3.6v，但一般认为3.3v-3.6v为虚电，实际电压为3.3v，但该数据被认为是在小电池上的数据，应用于动力电池后，也就在2.9v以上，这里按3v计算。

实际比能量：

100mAh/g，即每安时为0.01公斤，按每公斤180元计算，每安时1.8元。

2、负极以人造石墨为例，其理论可逆比容量260mAh/g，产品实际比容量一般为240mAh/g；也是考虑各种影响后，实际比能量为170mAh/g。

实际比能量：

170mAh/g，即每安时为0.00588公斤，按每公斤140元计算，每安时0.823元

3、电解液：

电解液的注液量计算比较复杂，首先电解液要与正负极材料匹配，其次它的浓度、黏度、温度等都会对电池的性能产生影响，而且注液少了，影响电池性能，注液多了会提升电池阻，所以这里只能根据理论模型进行测试。

2.5g=780.3mAh即每安时=0.003公斤，按每公斤400元计算，每安时为1.2元。

3.4g=826.5mAh即每安时=0.004公斤，按每公斤400元计算，每安时为1.6元。

这里取平均值，每安时需电解液1.4元。

4、隔膜：

此项也是需要与电池设计等通盘考虑，这里仅选用日本某款电池设计的数据，每千瓦时17.7平米，每安时（按3v折算）为0.0536平米，每平米按35元计算，即每安时用隔膜1.876元。

5、综合上述四种主材的成本，即1.8+0.823+1.4+1.876=5.908元。

再考虑铜箔、铝箔、添加剂等的影响，电芯的材料总成本在6.5元左右。

（二）降低成本的讨论

1、提高材料的性能。

以正极材料为例，如果通过材料改性，提高了比能量，势必会降低成本，例如，通过减少添加剂将磷酸铁锂的比能量提升到140mAh，正极材料成本就会降为每安时1.38元，对总成本的贡献就是6%。

对于负极材料，利用专家擅长的天然石墨改性，比能量可以提升到365mAh，负极材料成本就会降为每安时0.38元，对总成本的贡献6.7%。

其实材料改性的真实目的不是降低成本，而是在现有价格基础上，提升电池的整体性能，提升性价比。

2、提高设备与工艺的贴合度与自动化程度，进而提高单台产出效率、成品率。

已连续搅拌工艺为例，目前日本中试线规模的连续搅拌可以实现每小时20L的搅拌量，按每天有效搅拌时间20小时计算为400L，但是目前使用的传统搅拌工艺，400L至少在35小时以上，那么节省的功效为42.85%。

3、扩大产能

电池组的制作特点，pack工序前，变动成本大于固定成本，pack工序后，固定成本大于变动成本，所以适度增加规模，有利于降低单位固定成本。

（三）周边产业环境变化对成本的影响

1、新技术的诞生

客观地说，直至目前锂离子动力电池的制造工艺、材料选型远没有固定下来。

就以最新的技术来说，据美国物理学家组织网8月4日（时间）报道，一个日本研究小组开发出一种能像电解液一样产生电流的固态电介质，并用其制造出了固态锂电池，其导电性可达到现有液态锂离子电池的水平。

研究人员表示，由于固体更紧密坚固，这种高导电性的固态锂电池能在更宽的温度围下供电，抵抗物理损伤和高温的能力更强。

该技术可能摆脱电池对隔膜的依赖。

2、锂电池所需材料相关的材料制备技术

以纳米技术为代表的新材料制备技术的突破，对未来材料的改性奠定了良好的基础，势必增加材料的稳定性，提高了材料的可靠性与安全性。

这对降低成本、提高性价比很有帮助。

3、基础材料的日趋紧

锂离子动力电池对特殊金属材料的依赖还是比较重的，随着产量的增加，对特殊金属的需求也会相应增加，势必造成材料成本的上升。

其实现在新材料在锂动力电池上的应用比较多，但多因为资源紧而未达到产业化的要求。

因此，基础材料价格的不断上涨对于降低电池成本是极大的挑战。

七、随着工作的开展，会根据最新的电池设计情况，随时进行成本预测，为决策提供依据，同时也为制定成本目标提供基础。

目前对电池组的材料配方、工艺路线确定，基本可以明确电池组的标准成本。

总之，从目前锂离子动力电池的发展来看，在未来的7-8年综合下降57%还是有可能的，将重点在材料改性和工艺设备的提升这两方面入手解决。