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
3C领域的锂电池应用-3
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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
钴酸锂
4.2
3.7
7.4wh
Ipad
2010
聚合物电池
改性钴酸锂
4.3
3.75
24.8wh
MacbookPro
2006
软包电池
钴酸锂
10.8
60wh
Yoga11S
2013
聚合物电池
14.8
42wh
数据来源：
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，在追求高性能的同时，产品的体积也是在不断缩小的。
这就对电池提出了新的要求：
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12Iphone4的软包聚合物电池
图13普通笔记本电脑的六芯电池
数据来源：
电池论坛
数据来源：
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，以及在这个过程中对应的电池的发展历程，从这里可以看出，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年代初就出现了，不过外形更倾向于计算器，而且基本上都使用AA电池或者镍镉电池供电，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出内置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PortegeT3400CT，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高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Macbookpro，为了使其体积更轻薄，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macbookair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
笔记本电脑雏形
AA电池，镍铬电池
惠普HP-110（1984年发布，镍镉电池，重达4公斤）
1985-1994
笔记本电脑诞生
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）
1995-2006
笔记本电脑进入锂电池时代
锂圆柱电池逐渐成为主流
东芝PortegeT3400CT（1995年，全球第一台配备锂电池和TFT屏的笔记本，待机时间6小时）
2007-2008
苹果引领高性能潮流
出现软包电池
Macbookpro（2006年，第一次在笔记本中使用软包液态锂离子电池）
2008-2010
超极本诞生
出现聚合物电池
MacbookPro（2008年，第一次在笔记本电脑中使用聚合物锂离子电池）
Macbookair（2008年，全球第一台超极本）
2011-今
超极本爆发
聚合物电池爆发
联想Yoga13（2012年，独创360度双转轴设计）
数据来源：
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节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，定位更高端的单反机有相当一部分采用镍镉、镍氢电池（比如早期单反机的代表佳能D2000使用镍镉电池、最早的现代化单反机尼康D1采用镍氢电池）。
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号是2000年的佳能D30）。
到目前为止，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
镍镉电池、镍氢电池、碱性电池
佳能D2000（1998，使用镍镉电池）
2000-今
普及期
锂电池、镍氢电池、碱性电池
佳能D30（2000，也是第一台使用CMOS传感器的单反相机）
数据来源：
天弘基金
3，手机领域
最早的手机是在1983年摩托罗拉的DynaTac8000X，也就是早期的“大哥大”的形态，这部手机使用了一块镍镉电池，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，手机仍然普遍使用镍镉电池；1997年的166C开始，摩托罗拉开始使用镍氢电池，电池容量也从此前的500-700mah增加到1300mah。
从1998年开始，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镍氢电池锂电池的过渡时间，由于镍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镍氢电池，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，随着苹果推出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
代表产品
图例
1983-1993
大哥大阶段
镍镉电池
摩托罗拉DynaTac8000X（1983年，全球第一台手机）
1993-1995
小型化和智能化
镍镉电池
IBMSimon（1993年，全球第一台智能手机）
1995-1997
镍氢电池时代
镍氢电池
摩托罗拉166C（1997年，使用镍氢电池）
1998-2007
手机普及时代
锂电池
摩托罗拉GC87C（1998年，使用锂电池）
2007-今
新型智能手机时代
锂电池
Iphone（2007年）
数据来源：
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·摩尔就有著名的摩尔定律来诠释信息技术惊人的进步速度（摩尔定律：
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年推出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定，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全球手机出货量增速
数据来源：
IDC
数据来源：
IDC
再如，传统笔记本电脑的增速虽然已经很低，但是随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年的出货量更是达到了127万台。
即使是在已经逐渐被带有照相功能的智能手机和平板电脑取代的数码相机市场，高像素、多功能的专业级单反相机也在保持正增长。
图16数码相机出货量
图17便携式电脑出货量
数据来源：
Wind
数据来源：
Wind
2，已有产品的市场普及程度会继续增加
除了推出新品以外，已有产品的市场普及程度增加也是支撑3C市场增速的重要因素。
一方面，已经推出的新产品，在市场渗透率未达到饱和之前，都会保持较高的增速，这主要是因为除了要维持更新需求以外，还要扩大市场的渗透率。
这是任何一种消费品市场发展的必经之路。
从目前来看，近几年推出的智能手机、平板电脑等新产品，市场还远未达到饱和，比如目前传统笔记本市场，在欧美地区的增长率几乎为0，甚至出现负增长，而此时美国的人均笔记本电脑持有量已经达到了0.96台；然而智能手机的全球人均持有量才仅仅0.16台，可以预计未来几年仍然是只能手机的市场扩张期。
图18智能手机的保有量
图19笔记本电脑的保有量
数据来源：
iResearch
数据来源：
iResearch
另一方面，除了产品自身的市场扩张以外，由于人均收入水平的变化，也会导致3C产品的需求增加。
因为各地的人均收入水平有差别，目前3C产品的市场分布并不均匀；而今后随着低收入水平地区的经济增长和人均消费水平的改善，也会为3C产品在当地的普及提供力量。
图20全球笔记本电脑人均保有量
图21不同地区人均GDP
数据来源：
GBII
数据来源：
CIEC
（三）3C产品的发展不断提升对电池的需求
正是由于新的3C产品不断推出、以及已有产品的市场渗透率不断扩大，导致3C产品对电池的需求基本保持15%-30%的增速区间。
图22各类电子产品出货量
图23消费类电子品对锂电池的需求
数据来源：
天弘基金
数据来源：
Wind
1，随着对消费者需求的不断开发，新产品的更新速度非常快
图243C新产品推出时间
数据来源：
天弘基金
从1991年第一块商用锂电池诞生以来，基于锂电池的3C产品不断涌现，从手机、到笔记本电脑、数码相机、随身听、MP3，到近年来开始
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