未來十年鋰電池應用領域及全產(chǎn)業(yè)鏈技術瓶頸全解

    錳酸鋰(LiMn2O4)成本較低，環(huán)境友好，但是其高溫性能不好，容量衰減明顯。自Thackeray等人1983年首次報道尖晶石型LiMn2O4以來，在鋰電池領域等到廣泛研究和利用，我國錳資源豐富，而且錳元素相對環(huán)境友好，降低了LiMn2O4的成本，LiMn2O4還具有電導率高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，環(huán)境污染小等優(yōu)勢，一直處于研究熱點。LiMn2O4制備方法有高溫固相合成法和低溫合成法，制造工藝相對簡單。但是目前市場上LiMn2O4仍存在各種問題，例如LiMn2O4具有較高的電極電位，容易導致電解液被氧化，實際工作中，LiMn2O4為正極材料的電池具有循環(huán)性能差、容量低等缺點。目前LiMn2O4為正極材料的鋰電池主要應用在消費類電子產(chǎn)品。

    磷酸鐵鋰正極材料的低溫性能和倍率放電水平發(fā)展較快，應用在動力電池領域前景廣闊。磷酸鐵鋰具有規(guī)則的橄欖石型結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性較好，在充放電過程中，沒有影響其電化學性能的體積效應，因此具有良好的循環(huán)性能。目前比較成熟的合成磷酸鐵鋰的方法是高溫固相合成法和低溫液相合成法。磷酸鐵鋰在性能上也存在一定缺陷，如振實密度與壓實密度很低，低溫性能較差。我國目前是倡導使用磷酸鐵鋰作為動力電池的國家，希望通過未來十年的努力，能夠突破磷酸鐵鋰這項技術，從而帶動電動汽車的高速發(fā)展。中國電池工業(yè)協(xié)會認為2012年以后磷酸鐵鋰材料成為最具潛力的鋰電池正極材料。

    鎳鈷錳酸鋰材料(NCM三元材料)的高容量和高安全性是其他材料無法比擬的，具有廣闊的市場應用前景。NCM的推出源于人們?yōu)榱颂岣哜捤徜?LiCoO2)的容量，改善其循環(huán)性能，降低成本，從而進行一系列的改性研究，向鎳酸鋰(LiNiO2)中摻雜鈷和錳元素，使其表現(xiàn)鎳、鈷、錳三種元素的協(xié)同效應，具有容量大、穩(wěn)定性好、成本較低和安全性高等優(yōu)點。但是三元材料也具有一些缺陷，例如電池壓實密度低，導電性能不如鈷元素，制作工藝復雜，目前技術還不夠成熟，集中在中低端市場，在中高端市場需要與鈷混合使用。

    三元材料是未來發(fā)展的趨勢。目前市場上所述的三元材料主要是以NMC(LiNixCoyMn1-x-yO2)，NCA(LiNixCoyAl1-x-yO2)為主，同時包含了鎳(Ni)、鈷(Co)、錳(Mn)三種元素的協(xié)同效應，具有容量高、電壓高等優(yōu)點，逐漸成為電動汽車應用主流，未來3-5年，高端的三元體系作為動力鋰電池，將會呈現(xiàn)供不應求的局面。目前國內(nèi)動力鋰電池仍以磷酸鐵鋰為主，國內(nèi)的鋰電池和電動汽車企業(yè)可通過對磷酸鐵鋰材料的掌握，在2-3年內(nèi)形成成熟的電池技術，然后慢慢過渡到三元材料為正極的鋰電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的道路上。

    縱觀全球，鋰電池正極材料呈現(xiàn)中、日、韓“寡頭聚集”的格局。日本和韓國的鋰電正極材料產(chǎn)業(yè)起步早，整體技術水平和質(zhì)量控制能力要優(yōu)于我國鋰電正極材料產(chǎn)業(yè)，占據(jù)鋰電正極材料市場高端領域。在日韓鋰電池市場，主要鋰電企業(yè)的供應商選擇本土鋰電正極材料企業(yè)。由于中國大型鋰電正極材料近十年迅速發(fā)展，產(chǎn)品質(zhì)量大幅度提高，并具備較強的成本優(yōu)勢，近年來日韓鋰電企業(yè)開始逐步從中國進口鋰電正極材料，目前中國鋰電正極材料市場份額已占據(jù)全球的46%，未來發(fā)展空間仍廣闊。

    就目前來看，國內(nèi)鋰電池正極材料產(chǎn)能過剩，產(chǎn)能利用率低，價格競爭激烈。我國正極材料生產(chǎn)廠家有200多家，從供需關系來看，我國鋰電池正極材料的總體產(chǎn)能嚴重過剩，未來兩年內(nèi)，由于三元材料以及高壓鈷酸鋰的增量，正極材料產(chǎn)能仍快速增長，國內(nèi)企業(yè)競爭加劇，國內(nèi)產(chǎn)品同質(zhì)化現(xiàn)象嚴重，從而導致鋰電池正極材料價格下跌。

    鋰電池正極材料的集成度不斷提高，優(yōu)勝劣汰的局勢更加明顯。隨著鋰電池市場的不斷發(fā)展，正極材料需求量也在不斷擴大，2010年我國鋰正極材料的需求達到52000噸，比2009年增長81.7%。我國擁有豐富的資源優(yōu)勢，原材料鋰的成本低廉并且具有一定基礎的技術底蘊，同時我國在下游領域的巨大需求推動了鋰正極材料的高速發(fā)展，鋰正極材料的產(chǎn)能正逐步向中國移動預計，未來我國鋰電池正極材料的集成度不斷提高，優(yōu)勝劣汰的局勢更加明顯。

    負極材料：國內(nèi)技術成熟，鈦酸鋰發(fā)展前景廣

    鋰電池負極材料國內(nèi)技術成熟，碳材料種類繁多。作為鋰電池的四大關鍵材料之一，負極材料技術與市場均較為成熟，成本比重最低，在5-10%左右�，F(xiàn)階段負極材料研究的主要方向如下：石墨化碳材料、無定型碳材料、氮化物、硅基材料、錫基材料、新型合金和其他材料。

    石墨產(chǎn)品主導天下。負極材料主要由碳素材料為主，包括天然石墨、人造石墨、石墨化中間碳微球。據(jù)統(tǒng)計，2012年中國負極材料出貨量為27650噸，其中天然石墨出貨量占比59%，人造石墨30%，石墨化中間碳微球8%。在全球，石墨類負極材料占總出貨量的90%，在負極材料中處于絕對主流的優(yōu)勢。

    天然石墨具有性價比高，加工性能好等特點。我國石墨礦資源豐富，成本較低，但是天然石墨也有一些缺陷，吸液性差，分子中不存在交聯(lián)的sp3結(jié)構(gòu)，墨片分子容易發(fā)生平移，從而導致石墨負極材料的循環(huán)性能差。天然石墨負極材料主要用于消費類電子產(chǎn)品。

    人造石墨因其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，循環(huán)壽命長等高性能，有取代天然石墨的趨勢。人造石墨通過對原始材料進行表面改性和結(jié)構(gòu)調(diào)整，使其部分無序化或者在各類材料中形成納米級的孔、洞和通道等結(jié)構(gòu)，加大鋰離子嵌入和脫嵌反應，因此具有高壓實、高容量、長壽命等優(yōu)勢。人造石墨主要作為動力電池的負極材料。

    中間相碳微球綜合性能好，循環(huán)壽命長。中間相碳微球是球形結(jié)構(gòu)，堆積密度高，單位體積嵌鋰容量比較大，而且小球具有片層狀結(jié)構(gòu)，有利于鋰離子的嵌入和脫嵌。700℃熱處理的中間相碳微球充電容量可達1190mAh/g，放電容量大750mAh/g，遠超過石墨的理論放電容量(372mAh/g)。

    鈦酸鋰是安全性最高的負極材料，在充放電循環(huán)中保持“零應變性”。零應變性是鈦酸鋰嵌入和脫嵌鋰離子晶格常數(shù)和體積變化很小，能夠有效避免由于電極材料的來回伸縮導致結(jié)構(gòu)的破壞，從而大大提高電極的循環(huán)次數(shù)。另外，鈦酸鋰的電勢比純金屬鋰的高，不易產(chǎn)生晶枝，為保障鋰電池的安全提供了基礎，但是鈦酸鋰的比容量比其他負極材料低很多，容量為175mAh/g，作為電池材料其振實密度比較低，單位體積容量較小。

    硅碳(Si-C)復合材料適合做高容量電池的負極材料。硅具有非常高的理論比容量和較低的嵌入和脫嵌鋰電位。硅碳復合材料采用高比容量的硅為主要活性體，采用體積效應小、循環(huán)穩(wěn)定性好的碳為載體，合成新型的硅/碳復合材料，能夠有效避免硅在充放電過程中由于體積過度膨脹而粉化，但是硅碳復合材料同時也有一些劣勢，其安全性以及倍率性能較差，當電流密度稍大些時，容量下降很明顯。

    負極材料集中度高，日本向中國產(chǎn)能轉(zhuǎn)移比較明顯。目前負極材料以碳素材料為主，占鋰電池成本較低，在國內(nèi)基本全面實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。負極材料產(chǎn)業(yè)集中度高，從企業(yè)來看，全球前四大企業(yè)：日立化學、深圳貝特瑞、JFE、三菱化學，市場份額合計占比為78%，負極材料表現(xiàn)出高度集中化。從區(qū)域看，中國和日本是全球主要的產(chǎn)銷國。從車用動力鋰電池企業(yè)負極供應體系來看，目前動力電池企業(yè)采購負極主要來自于日本企業(yè)。近幾年，隨著中國生產(chǎn)技術的不斷提高，中國又是負極材料原料的主要產(chǎn)地，鋰電負極產(chǎn)業(yè)不斷向中國轉(zhuǎn)移，市場占有率不斷提高。

    國內(nèi)負極材料行業(yè)產(chǎn)能快速增長。受平板電腦、超級本、電動自行車、新能源汽車以及儲能等終端市場需求帶動，鋰電池產(chǎn)量將保持平穩(wěn)增長，2013年上半年中國負極材料實現(xiàn)銷量16560噸，相比于2012年上半年增長19.8%。由于在鋰電池四大材料中，國內(nèi)負極材料相關技術發(fā)展最為成熟，國內(nèi)產(chǎn)能較大，但受產(chǎn)能相對過剩的影響，負極材料的價格近幾年呈現(xiàn)下降的趨勢。

    負極材料未來發(fā)展的趨勢：以提高容量和循環(huán)穩(wěn)定性為目標。作為鋰電池四大關鍵材料之一，負極材料決定了鋰電池的性能，如充放電效率、循環(huán)壽命等等。常規(guī)石墨負極材料的倍率性能已經(jīng)難以滿足鋰電池下游產(chǎn)品的需求。在動力電池方面，碳酸鋰可能是新的發(fā)展方向;在消費類電子產(chǎn)品方面，需要提高電池的能量密度，以硅-碳(Si-C)復合材料為代表的新型高容量負極材料是未來發(fā)展趨勢。

    國內(nèi)電解液產(chǎn)能釋放，聚合物電解質(zhì)受青睞

    電解液對鋰電池的運行和安全性具有舉足輕重的作用。電解液作為帶動鋰離子流動的載體，對電池的比容量、工作溫度范圍、循環(huán)效率和安全性能等至關重要，是鋰離子電池獲得高電壓、高比能的保證。電解液一般由高純度的有機溶劑、電解質(zhì)鋰鹽、必要的添加劑等原料組成，在一定條件下，按一定比例配制而成的，其中電解質(zhì)在電解液成本中比重最大，也是電解液中技術壁壘最高的環(huán)節(jié)，目前主要被日韓壟斷。