3C领域的锂电池应用3.docx

1、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35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 池的正极为钻酸锂、隹酸锂等锂化合物的粉体，涂覆在铝箔上：负极为石墨或苴它材料 （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

2、电解液 中。图1锂离子电池的构成数据來源：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钻酸锂由于其比容疑髙、循环次数长，被 广泛应用于对比容量要求较髙的消费类电子品中（目前的固态锂电池的正极大多也是用钻 酸锂的）。但是，随着钻酸锂的使用和锂电需求领域的扩展，钻酸锂的问题也就晶壺岀 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；苴次， 钻资源稀缺，导致钻酸锂造价昂贵，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

3、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0.8-13,钻酸锂的一般会在2.5以上），所以体积是限制其未来发展的 最大问题。另一个致力于解决钻酸锂成本问题的方案是发展银酸锂银酸锂的晶体构造与钻酸 锂类似，理论比容量与钻酸锂相当，但是银的价格只有钻的一半，是理想的替代钻酸锂的 材料。但是目前技术水平下很难制得理想的层状结构的银酸锂，而是混杂着二价镰、三价 镰和锂离子的混合体，导致最终产品稳定性差，因此目前镰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 是猛酸锂和钻酸锂的平均化产物，英能量密度虽然不及钻酸锂，但是仍然比较高，且安全 性较

4、好、价格相对便宜。英中線钻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 镰钻铝三元材料。但是線钻铝电池的问题在于其髙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，镰钻镭酸锂电池 的安全性较好，但是问题是比容量相对于银钻铝电池明显要低，目前小型电池领域应用较 多。表1钻酸锂各类锂离子电池正极材料对比钻酸锂傑酸锂锈酸锂磷酸铁锂银钻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3.7V3.3V3.8V3.2V3.7V3.7V理论比容址（mAIVg）

5、274274148170-实际比容量（mAIVg）160200110135160190循环寿命（次）5005005002000800800工作温度（摄氏度）-20-50-20-50-20-5020-7520-5520-55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环保性低较低好好较低较低应川领域电子设备电子.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.提高稳定性部分汽午 动力比亚迪汽 车动力丰m普锐斯 汽车动力特斯拉汽 车动力最主婆有点能:S密度高性价比离便宜热稳定性安全性和性比容虽较好.便宜价比较好商、便宜最主要缺点钻稀缺难制备高温性能比容址低温性能差商

6、温安全差、比容低.品质性差量低控制较难数据來源：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商比容址、低安全性、成木折中81515NCA钻较尚比容虽:、安全性折中、厨成木111银钻猛猛低比容址、拓安全性、低成木数据來源：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，钻酸锂的市场占比正在逐年下 降，但是钻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 前主流的钻

7、酸锂和三元材料在用锂量方而的差异很小，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2008ttWSW ttlWW2009 2010三元材料201!9()706050403020100UitRW ttrew WIKHitf iaWSSIKW WttUKW?毎lOOmAh容殂碳酸憲耗用fit数据來源:IIT（二）锂电池负极数据來源：天弘基金锂离子电池的负极主要使用电势位低的石墨材料。由于目前仃墨负极的理论比容量 已经基本上普遍超过了 300mAlVg （部分材料可以超过700mAlVg）,跟正极材料普遍不足 300mAh/g的理论比容量相比，负极

8、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“是指其晶体任嵌入或脱岀锂离子时晶格常数和体积变化都很小， 小于1%）,还可以有效提髙锂电池的安全性：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天然石飆人ifi石型 MCMB （中

9、间相规 微球无定形碳其他（硅.楊、钛能锂类）25C0 斗2030Aisb1500-t-1030500 1COO 1500 2000 2500 3000 358 4090Gravimetric en ergy(Jensity(mAh/g)503- UJVO4Sts 彗 auriOA【n00 ano oinpoKe (；i *|刚忖数据來源：Roskill（三）锂电池电解液数据來源：天弘基金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 （L1PF6）或者六氟碑酸锂（LiAsF6）。电解液中使用的锂也很少，通常六氟磷酸锂的浓 度只有lmol/L,一只典型的18650电池

10、（电解液大概5.2-5.8g）中只有大约06g六氟磷酸锂，合003g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：髙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而结构、内阻 等，直接影响电池的容量、循环性能以及女全性能等特性。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*2.3C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疑的40%,而其中，

11、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。1%手机笔记本电他摄放-体机其它图6锂的消费构成 图7锂电池的消费构成电池 润滑剂陶瓷玻璃制冷剂J铝刪药 聚合物 其他数据來源：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 耗的锂电池数量髙达44.89亿

12、只，英中手机和笔记本电脑分别消耗的锂电池量就髙达16.9 亿只和14.4亿只。图8各类负极材料的市场占有率 图9 2011年各类3C产品锂电池耗用量数据來源：Roskill数据來源：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髙达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)瓦时智能于机三星 Galaxy SIII23.87.8笔记木电脑Macbook pro5.510.860超极木Yoga 11S2.8414.842数码相机佳能SX240123.74平板电脑Ipad6.63.7524.8数据來源：天弘基金(二)

13、结构：3C产品使用什么样的锂电池L性能：高比容量3C产品的使用特性决泄了其对锂电池的要求，更看重锂电池的髙比容量。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而，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，具有高比容虽的 钻酸锂电池就成为了长久以来行业的第一选择。从1991年索

14、尼推出首款商用钻酸锂电池以 来，到近几年三元材料进入市场之前，3C市场几乎就是钻酸锂的天下。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钻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镰、猛金属，使得其在 保证比容量较高的同时，可以降低成本和提髙安全性。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，来生产更符合特泄需求的电池。图10各类主要电池材料的性能对比 图11中国三元和钻酸锂材料的产fit安全性钻酸锂谕酸铁锂三元材料钮酸悝探氢电池2008 2009

15、2010 2011 2012元材料 主元销艮增速70%60%50%40%30%20%10%数据來源：天弘基金数据來源：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髙的移 动PC市场的不断扩展，锂电池面临再次提高比容量的局而。而从目前的技术来看，依靠 提高压实密度的方法提高钻酸锂的比容量已经接近极限，而三元材料在应用方而尚需与其 匹配的电解液等材料的发展，因此从2008年以后，对髙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

16、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发行时间电池类型 正极材料Iphone2007聚合物电池改性钻酸锂4.23.74.5 lwhIphonelS2011聚合物电池改性钻酸锂4.23.75.25whIphone52012聚合物电池改性钻酸锂.三元材料4.353.85.45whGalaxy Sill2012软包液体锂电池钻酸锂三元材料4.353.87.8whLumia 9202012聚合物电池钻酸锂4.23.77.4wh小米2011聚合物电池钻酸锂4.23.77wh华为 Ascend Mate2013聚合物电池4.353.81539wh小米22012锂

17、聚合物电池钻酸锂4.23.77.4whIpad2010聚合物电池改性钻酸锂4.33.7524.8whMacbook Pro2006软包电池钻酸锂10.860whYoga 1 IS2013聚合物电池14.842wh数据來源：天弘基金2,外形：尽可能减小体积和提高安全性由于3C领域由于消费息息相关，因此便携性一直以来都是3C产品致力于追求的 极致目标。从笔记本电脑、手机到各类消费品的发展趋势不难看出，在追求髙性能的同 时，产品的体积也是在不断缩小的。这就对电池提岀了新的要求：即便在相同的容量下， 也需要更小的体积和相应的安全性。也正是因为如此，当3C产品进入锂电池时代之后， 除了笔记本电脑在很长时

18、期内一直是引用圆柱电池芯之外，手机和消费类电子品领域，软 包锂电池迅速普及化，因为软包锂电池可以按照产品的外形灵活设计外形，这也成为减小 电子品体积的非常重要的手段。而现在，所有的手机、平板电脑、数码相机和超极本产品 都使用软包电池，大容量的手机电池已经开始使用聚合物电解液。可见在3C领域，对电 芯制造和电池封装的要求也是非常高的。图12 Iphone4的软包聚合物电池图13普通笔记本电脑的六芯电池数据來源：电池论坛数据來源：电池论坛三、3C产品的稳定发展将持续支撑锂电池的需求（一）3C产品及其电池的发展历程：产品升级换代的平均周期只有2-3年这一部分，我们将简单回顾一下3C产品的发展历程，以

19、及在这个过程中对应的电 池的发展历程，从这里可以看岀，3C产品从其诞生之日起，就在以超乎想象的速度飞快发 展和更新换代，并且带动电池需求不断扩张。1,笔记本领域最早的便携式电脑在上世纪80年代初就岀现了，不过外形更倾向于计算器，而且 基本上都使用AA电池或者線镉电池供电，但是运行时间则长达几十甚至数百小时，性能 比较低端。世界上第一台笔记本电脑是1985年的东芝T1100，当时的笔记本电脑还是又大 又笨重的奢侈品，而且由于电池性能限制，并没有采用内置电池；1989年开始东芝再次引 领行业先锋推岀内宜电池的轻薄型笔记本电脑。之后，随着技术的不断发展，笔记本的体 积在逐渐下降、性能在逐渐提升，对电

20、池电量的需求非常大，于是1993年，在索尼推出商 用化的锂电池2年后，东芝再次推出了全球第一款配备锂电池的笔记本电脑Portege T3400CT,续航时间高达6小时，不过体积比较小。在之后的十几年的时间内，随着彩色 显示屏屏、高性能CPU、独立显卡等一系列耗能较髙的组件被加入笔记本电脑中，笔记本 锂电池的容量在不断增加，但是直到苹果推出macbook系列笔记本电脑之前，笔记本电脑 领域基本上都在使用传统的18650钢壳锂离子电池芯。2006年苹果推出的Macbook pro, 为了使苴体积更轻薄，使用了软包液体锂离子电池：而随后在2008年推出的新版pro和革 命级产品macbook air

21、时，改用了锂聚合物电池。此后，从2011年Intel主导超极本以来, 更加轻薄的超极本普遍采用了锂聚合物电池。表5笔记本电脑及其电池的发展历程时间段历史阶段电池代表产品图例1979-1984笔记木电脑雏 形AA 电 池，银倂 电池惠普HP-110 （ 1984年发 布，傑镉电池.重达4公 斤）1985-1994笔记木电脑诞 生各类电池东芝T1100 （1985年，全 球第一台真正意义的笔记 本电脑.无内置电池11995-2006笔记木电脑进 入锂电池时代锂圆柱电 池逐渐成 为主流东芝 Portege T3400CT （1995年，全球第一台配 备锂电池和TFT屏的笔记 木，待机时间6小时）20

22、07-2008苹果引领商性 能潮流出现软包电池Macbook pro （2006 年 第一次在笔记木中使用软 包液态锂离子电池）i2008-2010超极木诞生出现聚合 物电池Macbook Pro （2008 年， 第一次在笔记木电脑中使 用聚合物锂离子电池）Macbook air （2008 年,全 球第一台超极木2011今超极木爆发聚合物电 池爆发联想 Yoga 13 （2012 年. 独创360度双转轴设计）数据來源：天弘基金2,数码相机领域：全球第一台数码相机是1975年柯达的一个实验室产物，真正意义上的数码相机是 1981年索尼的Mavica,之后的几款都是概念机的类型，外形也千奇百

23、怪，基本上都使用圆 柱电池；真正商用化的数码相机上市1995年卡西欧推出的QV -10,作为一款无内置闪光 灯、CCD像素只有25万的相机，使用2 Yj AA电池已经基本足够了。但是随后几年，随着 闪光灯逐渐成为数码相机的标配、且数码相机的CCD像素分辨率呈指数增长，对电池电量 的要求也在不断提高。1998年，单反相机开始进入人们的视野，左位更髙端的单反机有相 当一部分采用银镉、線氢电池（比如早期单反机的代表佳能D2000使用银镉电池、最早的 现代化单反机尼康D1采用镰氢电池）。之后，随着数码相机的功能不断丰富、体积不断 减小，锂电池在数码相机中的使用规模越来越大（早期比较典型的使用锂电池的型

24、号是 2000年的佳能D30） 0到目前为I上，虽然也有新型号的数码相机使用圆柱电池，但是绝大 多数的数码相机都是使用锂电池了。表6数码相机及其电池的发展历程时间段历史阶段电池代表产品图例1975-1995数码相机试验 期各种电池都有Mavica （1981,最早的 数码相机1995-1998数码相机商用 化碱性电池为主卡西欧 QV-10 （ 1995, 第一台商用化数码相 机）1998-2000单反机诞生银镉电池.银氢电池、碱性电池佳能 D2000 （1998,使用银镉电池）2000-今普及期锂电池、银氢电 池、碱性电池佳能D30 （2000.也是 第一台使用CMOS传感 器的单反相机）数据

25、來源：天弘基金3,手机领域最早的手机是在1983年摩托罗拉的DynaTac 8000X,也就是早期的“大哥大“的形 态，这部手机使用了一块银镉电池，通话时间仅有20分钟，但是充电却需需要10小时的 时间。随后摩托罗拉一直引领整个手机行业的发展，这期间，包括IBM在1993年推出全 球第一款智能手机Simon、诺基亚1992年转型并在1994年推出标志性的智能手机9000, 但是一直到1995年摩托罗拉推出世界上第一款翻盖手机8900时，手机仍然普遍使用礫镉 电池；1997年的166C开始，摩托罗拉开始使用線氢电池，电池容量也从此前的500- 700mah增加到1300mah。从1998年开始，

26、摩托罗拉开始生产使用锂电池的手机（比如 GC87C,使用1200mah的锂电池），1998年到2000年基本上可以看做是線氢电池锂电池 的过渡时间，由于線氢电池价格比较便宜且安全性好、技术成熟，其在手机领域曾经还是 比较主流的：但是2001年之后，随着越来越多的性能被加入到手机中，且锂电池的成本在 迅速下降，导致锂电池迅速替代線氢电池，2002年以后的手机基本上都是以锂电池为主的 型号了。2007年开始，随着苹果推岀iphone,手机步入新型智能机时代，而由于手机功能 强大导致耗电量直线增加，体积轻便、比容量大的锂聚合物电池开始得到大规模的推广。表7数码相机及其电池的发展历程时间段历史阶段电池

27、代表产品图例1983-1993大哥大阶段铢镉电池摩托罗拉DynaTac 8000X （1983年，全球第一台手机）r1993-1995小型化和智能化傑镉电池IBM Simon （1993 年，全球第 一台智能手机）11995-1997傑氢电池时代铢氢电池摩托罗拉166C （1997年，使用银氢电池）J1998-2007手机普及时代锂电池摩托罗拉GC87C （ 1998年， 使用锂电池）j r2007今新型智能手机时代锂电池Iphone （2007 年）数据來源：天弘基金（二）从历史到未来：3C产品会维持较高的发展增速1,推陈出新是必然规律从前文总结的主要的3C产品的发展历史来看，推陈出新是3C

28、领域的必然规律， 而且对于3C产品来说，这个速度是非常惊人的。Intel的创始人之一戈登摩尔就有著紅的 摩尔左律来诠释信息技术惊人的进步速度（摩尔左律：当价格不变时，集成电路上可容纳 的晶体管数量每个18个月就会增加1倍，晶体管的性能也会增加一倍）。比如苹果2007年推岀iphone智能手机之后，智能手机成为接替传统功能手机的另一 个新的增长点，手机的增速虽然在近几年保持稳泄，但是从结构上来看，智能手机的占比 从2007年开始就在迅速增加，到2013年，整个市场大约有一半的手机都已经是智能手 机。图14手机和智能手机出货量图15全球手机出货量増速600.000.0050().0(X).(X)400.000.0030().0(X).(X)2(X).0(X).(X)100.0()0.00千部二箜w【nXQloozr-le l z s O c oc 一O C O ra r.0()1.800.000.001.600.000.0()1.400.000.001.200.000.0()1.000.000.00800.000.006(K).0(X).(X)4(K).0(X).(X)200.000.000.00机出货fit增速数据來源：IDC 数据來源:IDC着新型的平板电脑诞生并在市 场中迅速发展，平板电脑近几年呈现爆发式增长，从2010年年出货20万台、到2011年出 货68万台，2012年的