锂电池知识及生产流程word版.docx
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锂电池知识及生产流程word版
锂电池知识及生产流程
第一编
一、锂电池基本知识
1、锂离子电池的特点
1.1运用于汽车领域正成为一项核心技术
1.2优点：
重量轻、储能大、功率大、无污染、也无二次污染、寿命长、自放电系数小、温度适应范围宽泛，是电动自行车、电动摩托车、电动小轿车、电动大货车等较为理想的车用动力。
1.3缺点是价格较贵、安全性较差。
不过现在已有技术开发锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸钒锂等新型材料，大大提高了锂离子电池的安全性，而且降低了成本。
二、各类蓄电池对比（纵向对比横向）
铅酸
镍镉
镍氢
锂离子
传统液态
聚合物
铅酸
质量能量密度、体积能量密度、工作温度范围、自放电率、可靠性
质量能量密度、体积能量密度、自放电率
质量能量密度、体积能量密度、电压输出、自放电率
质量能量密度、体积能量密度、结构特点、自放电率
镍镉
更好的可循环性、电压输出、价格
质量能量密度、体积能量密度
质量能量密度、体积能量密度、电压输出、自放电率
质量能量密度、体积能量密度、结构特点、自放电率
镍氢
更好的可循环型、电压输出、价格
工作温度范围、更好的可循环性、自放电率、可靠性
质量能量密度、体积能量密度、工作温度范围、自放电率、电压输出
质量能量密度、体积能量密度、结构特点、自放电率
锂
锂
离子
传统液态
更好的可循环性、安全、价格
工作温度范围、更好的可循环性、价格、安全
价格、安全、自放电率、重复循环
质量能量密度、体积能量密度、结构特点、安全、价格
聚合物
更好的可循环性
工作温度范围、更好的可循环性、价格
体积能量密度、更好的可循环性、价格
工作温度范围、更好的可循环性
绝
对
优
势
更好的可循环性、价格
工作温度范围、价格
体积能量密度
质量能量密度、体积能量密度、自放电率、结构特点
质量能量密度、体积能量密度、自放电率、电压输出、结构特点
资料来源：
陈清泉、孙立清，电动汽车的现状及发展趋势，科技导报，2005年4月，第23卷第4期
三、锂离子电池分类
四、聚合物锂电VS液态锂电
4.1聚合物——下一代锂离子电池
优势1：
用固体电解质代替了液体电解质
–具有可薄形化、任意面积化与任意形状化等优点；
–不会产生漏液与燃烧爆炸等安全上的问题，由此用铝塑复合薄膜制造电池外壳，从而提高整个电池的比容量。
优势2：
可采用高分子正极材料–其质量比能量将会比目前的液态锂离子电池提高50％以上。
优势3：
在工作电压、充放电循环寿命等方面都比锂离子电池有所提高。
劣势：
工作温度、循环性能上需要突破
五、锂离子电池产业链分析
5.1最上游：
矿资源
5.1.1最上游是矿资源，包括钴、镍、锰、磷、铁、锂及各种化合物。
目前，钴和锂用量最大。
5.1.2国内钴生产领头企业有金川、华友、嘉利柯和优美科四家，年产量都在1500吨以上，国内金属钴储量极少，目前约80%的金属钴靠进口。
5.1.3锂资源在中国储量相对丰富，仅次于智利、阿根廷。
国内资源目前主要被中信国安、西藏矿业掌控，并同时生产工业级碳酸锂。
而电池级碳酸锂则由天齐锂业、尼科国润供应，其中天齐锂业技术最成熟，是行业标准制定者，约占国内60%的市场份额，并且有部分出口。
5.2上游：
电芯原材料
5.2.1是锂电产业中最核心的环节。
5.2.2电芯原材料包括：
正极材料、负极材料、隔膜、电解液、导电剂、粘结剂、导电剂、极耳、铝塑复合膜等。
5.2.3电池成本分布如下：
5.3中游：
电芯制造和PACK组装
5.3.1劳动密集型的产业，国内外涉足企业众多。
5.3.2产业主要分布在日本、韩国、中国和台湾。
5.3.3大厂竞争优势明显，例如：
索尼、三洋、三星、LG化学、比亚迪、比克、力神、ATL能源这样的锂电巨头。
5.3.4近两三年来发展迅猛。
5.4下游：
电池应用领域
5.4.1锂电池的应用领域极广，涉及低端、中端、高端三块市场，可以应用于电动工具、UPS电源、矿灯、玩具、电动自行车、电动汽车等领域，这些都是关系民生的消费量，此外在军事和航天领域也是一种最佳的动力电池。
5.4.2由于台湾厂商在全球NB及手机等市场的极大影响力，带动了国内锂电池产业发展。
目前，我国锂电产业以NB及手机为主要应用，并逐步扩张至高功率的电动手工具、电动车等市场。
5.4.3全球关注焦点——新能源电动/混合动力汽车
六、电芯原材料之正极材料篇
6.1
6.1.1市场容量最大、附加值较高的是正极材料，大约占锂电池成本30%，毛利率低则15%，高则70%以上，取决于材料。
6.1.2目前已批量应用于锂电池的正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、钴镍锰酸锂以及磷酸铁锂。
6.1.3镍酸锂电池安全性最差（过充易起火），高温耐受度最低（高温分解），合成难度最高。
不在下表中进行对比。
6.1.4钴酸锂最早实现商业化应用，技术发展至今已经很成熟，并已广泛应用在小型低功率的便携式电子产品上，如手机、笔记本电脑和数码电子产品等。
6.1.5磷酸铁锂材料是当前用量最少的一种正极材料，据统计，2008年全球供应量1500吨左右，其中最大供应商A123供应750吨，国内厂商供应量500吨左右。
6.2常见正极材料性能比较（按目前工艺）
正极材料
钴酸锂*
镍钴锰三元材料
锰酸锂
磷酸铁锂*
材料结构
层状氧化物
层状氧化物
尖晶石
橄榄石
振实密度（g/cm3）
2.8-3.0
2.0-2.3
2.2-2.5
1.0-1.4
比表面积（m2/g）
12-20
12-20
12-20
12-20
克容量（mAh/g）
135-145
155-190
100-120
130-150
电压平台（V）
3.6
3.5-3.6
3.7-3.9
3.2-3.3
循环次数
>=300
>=800
>=500
>=2000
过渡金属
贫乏
贫乏
丰富
非常丰富
原料成本（USD/g）
很高（26-50）
高（22-40）
低廉（15-28）
低廉（15-28）
环保
含钴
含镍、钴
无毒
无毒
安全性能
差，稳定性低
较好
良好
优秀
合成困难度
容易
难
难
中等
温度耐受性
尚可，-20~55℃以外会衰退
尚可，-20~55℃以外会衰退
差，高于50℃迅速衰退
极佳（-40~70℃仍正常使用）
适用领域
小电池
小电池/小型动力电池
动力电池
动力电池/超大容量电池
缺点
1.材料成本高
2.安全性低
安全性待加强
1.高温自放电
2.循环寿命短
1.导电度差
2.体积大
6.3正极材料2009年市场预测
资料来源：
IITLIB-relatedStudyProgram08-09（March2009）注：
LCO=钴酸锂，NMC=锂钴镍锰三元材料，LNO=镍酸锂，LMO=锰酸锂，LFP=磷酸铁锂
图1：
锂离子电池正极材料平均价格变动趋势
如图1所示，几乎没有一家公司选用LCO作为汽车锂离子电池正极材料。
在当前市场中（主要集中于便携设备），即使锂金属及相关物质价格在下降，但是钴使用量下降的趋势不会停止。
预计LCO在09年的所占的市场份额将从08年的69%下降到50%。
6.4锂电供应商使用正极材料的比例
图2：
各家锂电池供应商使用正极材料的比例
资料来源：
IITLIB-relatedStudyProgram08-09（March2009）注：
LCO=钴酸锂，NMC=锂钴镍锰三元材料，LNO=镍酸锂，LMO=锰酸锂，LFP=磷酸铁锂
6.5正极材料供应商市场占有率
6.5.1图3显示了正极材料供应商整体的市场占有情况。
09年预测正极材料总需求量为30845吨，同比下降16%。
6.5.2最大的两家供应商Nichia和Umicore仍然销售大量的LCO，但他们向Sanyo和SDI销售的NMC的量均有增长。
第三大供应商韩国的L&F正用LGC研制的NMC配方技术提高其产量。
排名第四的田株式会社则采用LNO作为主要产品。
图3：
09年各家锂电池正极材料供应商市场份额预测
资料来源：
IITLIB-relatedStudyProgram08-09（March2009）注：
LCO=钴酸锂，NMC=锂钴镍锰三元材料，LNO=镍酸锂，LMO=锰酸锂，LFP=磷酸铁锂
七、电芯原材料之负极材料篇
7.1负极材料占锂电成本比例较低，在国内已经实现产业化，行业前三甲企业是深圳贝特瑞、上海杉杉、长沙海容，基本满足国内市场需求。
负极材料的类别及特点、制造工艺，详见《锂离子电池负极材料详解》
7.2负极材料目前产业化现状
在锂离子电池负极材料中，石墨类碳负极材料以其来源广泛，价格便宜，一直是负极材料的主要类型。
我国拥有丰富的天然石墨矿产资源。
除石墨化中间相碳微球（MCMB）、低端人造石墨占据小部分市场份额外，改性天然石墨正在取得越来越多的市场占有率。
据来自全球电池强国日本的权威信息表明：
深圳市贝特瑞电子材料有限公司研发生产的锂电池负极材料目前处于国内第一，世界第四的地位。
公司研制、生产的高端负极材料产品，首次放电容量达360mAh/g以上，首次效率大于95%，压实比达1.7g/cm3，循环寿命500次容量保持在88%以上。
产品出口至日本、韩国、美国、加拿大、丹麦、印度等国家，并在国内40余家锂电厂家应用。
该公司年产1800吨天然复合石墨、1200吨人造石墨负极材料、3000吨球形石墨、5000吨天然微粉石墨和600吨锰酸锂正极材料，并正在不断扩大生产规模。
八、电芯原材料之隔膜篇
·认识锂电池隔膜
·锂电池隔膜材料类别
·国内外锂电池生产企业介绍
·国内隔膜产业发展现状
·国内隔膜市场容量分析
·锂电池隔膜发展趋势
·隔膜产业投资分析
·锂电隔膜评级指标
·详见《锂离子电池隔膜及市场详解》
九、电芯原材料之电解液篇
9.1
·电解液占锂电池成本的12%左右，毛利率接近40%。
目前国内已基本实现国产化，只有少部分使用进口电解液。
·根据2007年全球产业调查报告，锂电电解液市场主要集中于日本宇部（UBE）和韩国ECOPRO公司，共占全球市场份额的50%。
国内主要生产企业有国泰荣华、珠海赛纬电子、天津金牛、东莞杉杉等10余家。
其中，张家港国泰荣华占8%，中国其他企业5%。
上图：
全球锂离子电池电解液主要生产企业市场占有率
·电解液主要原材料为六氟磷酸锂（LiPF6），占成本的50%左右，其生产成本为10万元/吨，售价40万元/吨，毛利率高达75%。
六氟磷酸锂的原材料硅石/碳酸锂都可以在国内采购到，但是国内尚未有企业能够生产六氟磷酸锂。
目前市场被日本几家企业垄断。
9.2电解液:
未来工艺和市场发展趋势
·目前全球锂电电解液市场供求基本平衡，主要是靠锂电池市场，未来则看电动车行业发展。
–初步估算，一辆混合动力车需要电解液40公斤，而全球电动车辆2010年预计260万辆，其中锂电份额占10%，大约需要1.04万吨电解液，至2015年，电动车辆数量将达到900万辆，锂电份额占60%，届时消耗的电解液将达到2.4万吨。
因此，电解液3-5年后依然是一个朝阳产业。
·锂离子电池电解液材料未来——高安全性、高环境适应性；主要发展将集中在：
–新型溶剂（工作温度范围拓宽）、
–离子液体、新型锂盐（提高环境适应性）、
–添加剂（阻燃、氧化还原穿梭、保护正负极成膜等）等方面，
与新型正、负极材料相匹配，提高安全性、功率和容量，最终安全方便地应用于电动车、储能、航天以及更广泛的领域。
十、电芯原材料之其他材料篇
·在锂离子电池成本占比方面，粘结剂、导电剂、极耳、铝塑复合膜较低。
·粘结剂、导电剂、铝塑复合膜毛利较高，产品主要依赖进口。
·粘结剂由阿科玛（法）、苏威（比）、三井化学（日）、吴羽化学（日）供应。
·导电剂由瑞士特密高供应。
·铝塑复合膜由大日本印刷、日本昭合供应；上述企业在国内均有代理商。
十一、特别篇：
磷酸铁锂电池
11.1磷酸铁锂电池定义
·磷酸铁锂电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。
11.2磷酸铁锂正极材料
磷酸铁锂作为锂离子电池用正极材料具有良好的电化学性能，充放电平台十分平稳，充放电过程中结构稳定。
同时，该材料无毒、无污染、安全性能好、可在高温环境下使用、原材料来源广泛等优点，是目前电池界竞相开发研究的热点。
该材料具有发上图所示的晶体结构。
工作电压范围：
2.5～3.6V，平台约3.3V，比钴酸锂电池3.7V低一些。
由于该材料导电性差，需往磷酸铁锂颗粒内部掺入导电碳材料或导电金属微粒，或者往磷酸铁锂颗粒表面包覆导电碳材料，提高材料的电子电导率；或掺杂金属离子来提高导电性。
这样材料的密度低，做成电池的体积比容量低，只有180Wh/L（钴酸锂可做到400Wh/L以上），在小电池领域，同样尺寸电池只有现有电池容量的一半不到。
11.3磷酸铁锂材料本身的优缺点
11.3.1磷酸铁锂的优点:
·安全。
磷酸铁锂的安全性能是目前所有的材料中最好的。
绝不用担心爆炸。
·稳定性高。
包括高温充电的容量稳定性，储存性能等。
这是最大的优点。
·环保。
整个生产过程清洁无毒。
所有原料都无毒。
不像钴是有毒的物质。
·价格便宜。
11.3.2磷酸铁锂的缺点：
·导电性差，目前可通过添加C或其它导电剂得到解决。
即：
LiFePO4/C正极。
·振实密度较低。
一般只能达到1.3-1.5，电池极片的面密度低，所以同样型号的电池容量更低。
从消费便携电子产品上看，磷酸铁锂没有前途，在特定的电池领域使用较有优势，如动力电池。
·制造成本偏高，在电池生产上加工困难、倍率放电不稳定（需要特定的电池工艺配合,受工艺影响很大）。
·技术还未成熟。
由于振实密度低，比表面积大，需要改变电池先行工艺。
而且电解液也需重新开发适用的电解液体系，用现有的成熟电解液难发挥其性能。
没有批量配套的保护线路和充电器，较难在现有的电子设备上发挥出其特性，需要一个整体的行业整合。
11.3.3磷酸铁锂电池产业：
优势分析
·磷酸铁锂产业符合政府产业政策的导向，各国都把储能电池和动力电池的发展放在国家战略层面高度，配套资金和政策支持的力度很大，中国在这方面有过之而不及，过去关注镍氢电池，现在则把目光更多的集中到磷酸铁锂电池上。
·LFP代表了电池未来发展的方向，随着技术成熟，甚至可能成为最廉价的动力电池。
·磷酸铁锂产业的市场蛋糕大的超乎想象，正极材料最近三年的市场容量有上百亿，三年后每年的市场容量将超过100亿元，并呈现不断增长的趋势，而电池更是有超过5000千亿美元的市场容量。
·根据电池产业发展的规律，材料和电池行业基本呈现稳定增长的趋势，抗周期性好、受国家宏观调控的影响小。
而磷酸铁锂作为新型的材料和电池，随着市场扩大和渗透率提高，产业增长速度明显快于电池行业整体发展速度。
·磷酸铁锂电池应用领域广泛。
·磷酸铁锂产业利润率非常之高。
而且由于未来强大市场的支撑，行业在长时间内可保证此高利润率。
·磷酸铁锂行业在材料方面技术壁垒很高，可以避免过分竞争。
·磷酸铁锂产业不会过分依赖国外市场，原料和设备也不会受制于国外企业，国内整个产业链相对是比较成熟的，只不过国内企业在对设备、工艺的理解和控制上略逊于国际领先企业。
11.3.4磷酸铁锂电池产业：
劣势分析
·磷酸铁锂产业还处于初级阶段，最大的风险在于技术，而技术的瓶颈不是局限在某一点，而是涉及到整个产业链。
目前看来，材料技术、电池组技术和电池控制系统这三项关键技术都没有得到完美的解决。
在这三个领域里面，国内都有企业涉足，但是还没有一家真正意义上成功的企业。
因此，短期内磷酸铁锂很难有大的作为，特别是在混合动力或纯电动汽车应用方面。
·磷酸铁锂第二个制约的瓶颈是成本问题。
虽然磷酸铁锂电池有部分已渗透到电动工具、电动玩具、矿灯、UPS电源、电动自行车或其他代步车等市场，但是在推广过程中难度依然很大，主要原因是在价格上没有竞争优势，镍氢、镍镉、铅酸电池仍然占据市场的主导。
对于很多企业瞄准的新能源汽车市场受制于技术和使用环境，要打开局面还需要等待很长时间。
因此，“磷酸铁锂现在没有市场”也是不争的事实。
·第三个比较突出的问题是磷酸铁锂行业现在处于无序的状态，产业分工不明确，上下游衔接不畅。
导致材料商生产的材料得不到很好的利用，结果只能自己去做电芯；电芯厂买不到合适材料，结果自己去搞材料。
很多企业刚开始的时候定位很明确，只做一个环节，到后来把产业链拉得很长，结果人才、资本和管理跟不上导致项目失败。
·磷酸铁锂行业人才分散，形成不了一种互补机制。
磷酸铁锂是一项高科技的产业，项目成败不是靠个人，而是靠一个团队。
但国内大部分磷酸铁锂企业都是靠1-2技术人员在支撑，没有团队的概念。
这个行业目前技术人员心态浮躁的居多，只要是有点能耐的，都不甘当配角，而是喜欢自立门户。
优秀的人才集结不起来，是这个行业很致命的问题。
11.4锂离子电池产业化现状和未来
发展：
·1992年，锂离子电池由索尼公司产业化，全球锂电市场基本由日本独霸天下。
·2000年以前，日本锂离子电池产量约占世界总产量的95%以上。
·2003年，中国电池总产量已达262亿只，约占全球电池总产量的一半以上，中国已是名副其实的电池制造大国，目前的电池产量和出口量都位居世界第一。
·动力电池方面，由于钴酸锂的安全问题和高昂的价格，导致锂电始终没有完全进入动力电池领域。
现在的情况是钴酸锂和锰酸锂小批量配合使用，但是由于其固有的缺陷，阻碍了大批量的商业化运作，产品只是在小批量试生产阶段。
·除成本问题之外，锂电仍有电池寿命机理（高功率电池老化特征、老化电池诊断、老化电池电化学模型、电池寿命预测方法开发）、电池的低温性能表现（低温性能特点、低温电解质模型、低温性能模拟）、容许偏差、过热偏差、过负载偏差、检查诊断与降低电池成本（材料筛选与开发、低成本制造）等。
而长期探索研究主要集中在系统与材料两方面。
11.5未来趋势
·磷酸基正极材料依其超长的循环寿命，极好的安全性能，较好的高温性能，极其低廉的价格，而且低温性能和倍率放电已经可以达到钴酸锂的水平等，使其成为最有希望的动力电池材料，其在未来的5年内可能会成镍镉电池的主要替代品，在未来的10年内会成为铅酸电池的有力竞争者，在未来的20年内可能会取代铅酸电池，成为主要的启动电源、UPS电源和后备电源，成为二次电池的老大。
·一方面，各企业所公布的大部分纯电动汽车蓄电池实验室测试数据，如加速性能、充电时间、持续里程数等，还须在复杂的外部环境实际运行下，进一步验证其可靠性，以及生产批量化质量控制。
另一方面，在我国锂离子电池生产中，锂离子电池所需隔膜材料未能有实质性的突破，全部依靠进口，价格昂贵，占到动力电池成本的30%以上。
如果在这一材料上实现规模化生产技术，即可大幅度降低成本。
·对于缺少自主的、核心的汽车零部件技术的中国来说，混合动力/电动汽车用电池和电机系统，是中国相关企业成为全球领先供应商的重要机会。
在这方面，中国企业和国外的差距没有现在的零部件核心技术那么大，并且拥有成本优势，以及在电动自行车用电池（尤其是锂电池）方面积累的经验。
十二、产业政策解读
12.1>直接相关篇
早期：
·国家科技部“九五”计划：
“先进电池及其材料产业”被列入重大科技专项。
·“十五”期间，“863”计划第二批发布的项目指南中，明确了高能比、大容量、长寿命锂离子电池材料的研究重点。
·可惜这两条政策颁布的时间较早，但只停留指导层面，没有实质性的措施。
后续：
·国家863计划投资20亿资助“电动车”重大专项，科技部“973”计划启动了“绿色二次电池新体系”课题，并投资3000万资助LiFePO4材料，作为对电动车项目的基础研究的补充；“十一五”高技术产业发展规划将磷酸铁锂材料列入重点支持的领域。
·这里明确了锂电重点支持的对象和资助的金额，但扶持的力度是有限的。
近期：
·国家安监总局明文规定：
自2006年4月1日起，所有煤矿必须全部换用新型矿灯，由于磷酸铁锂电池安全性能异常优异，是目前矿灯电池的首选。
·2006年9月14日，国家财政部等五部委联合印发了《关于调整部分商品出口退税率和增补加工贸易禁止类商品目录的通知》。
根据《通知》规定，铅酸蓄电池、氧化汞电池的出口退税政策被取消，而将锂电池出口退税13%上调至17%。
·这对锂电行业的发展是实质性的利好。
12.2>间接影响篇
·2008年1月24日，财政部、科技部发出了《关于开展节能与新能源汽车示范推广试点工作的通知》，决定在北京、上海、重庆、武汉、深圳等13个城市以财政政策鼓励在公交、出租、公务和环卫等公共服务领域率先推出新能源汽车，对推广与使用单位购买节能新能源汽车给予补助。
·2009年2月5日，财政部确认了中央财政对购置新能源汽车给予补贴的对象和标准，其中购车补贴标准最高的为最大点功率比50%以上的燃料电池公交车，每辆车可获得60万元的推广补助。
这一补贴政策适用于镍氢、锂离子电池和燃料电池汽车，补贴的力度根据节油量而定，并没有对那类新能源车有特别倾斜。
·国家电网公司目前制订了“十一五”期间详细的车辆替换和运行计划，以及电动电力工程车辆替换的优化设计方案，并已经在北京、上海、天津、山东、浙江、湖北、湖南等省（市）试点区域开始付诸实施。
·2009年3月20日公布的《汽车产业振兴规划》指出，到2011年形成10亿安时车用高性能电池的生产能力，形成50万辆纯电动、充电式混合动力和普通型混合动力等新能源汽车产能，新能源汽车销量占乘用车销售总量的5%左右。
·《规划》针对性地提出推广使用节能和新能源汽车的5项政策措施，一是启动国家新能源节能和示范型汽车工程。
二是县级以上人民政府制定规划，优先在城市公交、出租、公务、环卫、机场等领域推广使用新能源汽车。
三是建立电动汽车快速充电网络，加速停车场等公共场所公用充电设施的建设。
四是在政府采购中对自主创新的新能源汽车实施政府优先采购。
五是增加110亿元专项资金，重点支持新能源汽车和零配件发展。
12.3行业政策现状和预测
·目前中国针对锂电行业的政策措施还没有完全明确到位，主要原因有几点：
·一是国家制定政策先从大处着眼，比如针对风电、太阳能、新能源汽车都做了明确的产业规划并颁布了相应的政策措施，锂电作为与新能源配套的产业，在现阶段各项政策措施不能马上到位情有可缘，好在目前在各方的呼吁下已被提上议程；此外，中国对锂电是否代表储能和动力电池的未来终极方向还是存有异议，目前国家也是鼓励多种技术并存，对燃料电池、镍氢电池、超级电容等都是鼓励发展，没有对哪项技术有特别青睐。
·近年来，
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