中國儲能網(wǎng)訊：鋰離子電池簡析
特斯拉所使用的松下電池屬于鋰離子電池的一種。鋰離子電池是一種二次電池（充電電池），它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+ 在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負極，負極處于富鋰狀態(tài)；放電時則相反。電池一般采用含有鋰元素的材料作為電極。
其主要優(yōu)點有輸出電壓高（3.6V) 、能量密度大、自放電小、循環(huán)壽命長無記憶效應(yīng)、可快速充放電無有毒有害物質(zhì)等。缺點是溫度影響電池容量以及安全性能不好。目前主要應(yīng)用領(lǐng)域為消費電子、電動交通工具、大型動力電源以及二次充電及儲能領(lǐng)域。
特斯拉Model S專用的松下18650電池
18650是鋰離子電池的鼻祖--日本SONY公司當(dāng)年為了節(jié)省成本而定下的一種標準性的鋰離子電池型號，其中18表示直徑為18mm，65表示長度為65mm，0表示為圓柱形電池。
Model S所用18650電池是松下產(chǎn)的型號為NCR18650B三元材料電池，電容量約3.3mA，電壓達到3.6V，能量密度高達243Wh/kg。
在特斯拉的Model S 上使用的NCR18650B比之前Roadster 所使用的鈷酸鋰電池比能量高出三成，區(qū)別來源于結(jié)構(gòu)的不同，它以鎳鈷鋁三元材料為正極材料，以石墨為負極材料，以六氟磷酸鋰為電解液。最終達到比能量更大，穩(wěn)定性、一致性更好的效果。此外，單體電池尺寸小但可控性高，可降低單個電池發(fā)生故障帶來的影響，即使電池組的某個單元發(fā)生故障，也不會對電池整體性能產(chǎn)生影響。
鋰電池的構(gòu)造多種多樣，松下三元電池只是其中的一種，以下我們將主要從鋰電池的五大核心部件詳細解析鋰電池。
正極材料
正極材料決定了鋰離子電池的主要性質(zhì)，如能量密度、循環(huán)穩(wěn)定性、安全性等。正極材料目前主要包括鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料等。目前來看，鋰電池正極遵循著從二元材料向三元材料的發(fā)展趨勢。松下NRC18650B的正極材料是鎳鈷鋁三元材料，俗稱NCA。
通過引入Ni含量可提高材料的容量，而松下NRC18650B正是提高了Ni含量（摩爾分數(shù)80%）從而使電池從原來的2.9Ah提高到了3.3Ah左右，能量密度大大提升。同時受益于三元協(xié)同效應(yīng)，NCA正極材料綜合了LiNiO2和LiCoO2諸多優(yōu)點，性能比使用單一材料優(yōu)越。而且，該材料用鈷量較少，成本較低。
從目前市場角度上看，磷酸鐵鋰和三元材料為國內(nèi)最主流的兩種正極材料，由于新能源客車對磷酸鐵鋰電池的需求量較大，磷酸鐵鋰的市場占有率更高一些，但三元材料以較為迅猛的勢頭逐漸發(fā)展，成為未來的趨勢。
無論是磷酸鐵鋰正極材料還是三元正極材料，都離不開碳酸鋰。以特斯拉Model S為例測算一輛新能源汽車的碳酸鋰當(dāng)量需求：松下NCR18650電池單體重量44g ，松下官網(wǎng)說明18650 電池中正極材料重量占比20～35%，假設(shè)其正極材料在30%左右，則重量為15克左右。NCA化學(xué)式Li（Ni0.8Co0.15Al0.05）xO2，經(jīng)過測算x=0.845，分子量為87.5；碳酸鋰分子式Li2CO3，分子量為74。按鋰元素一比一，兩者重量比是74 : (87.5×2) =0.423 : 1。
可知其中1 克鋰鈷鎳鋁三元正極材料需要0.423克碳酸鋰。則生產(chǎn)一節(jié)18650 NCA三元電池正極材料需要15×0.423 = 6.345g碳酸鋰。一輛Model S使用了7104節(jié)18650電池，折合碳酸鋰當(dāng)量=7104×6.345g=45.1kg，再加上電解液六氟磷酸鋰對碳酸鋰的需求和工業(yè)耗損，預(yù)計一輛Model S對碳酸鋰當(dāng)量需求在60kg左右，折合耗用量為0.73 kg/kWh。
按照同樣的思路進行計算，我們估計松下三元電池的鎳元素耗用量約為0.53kg/kWh。
此外，鈷元素也是NCA和NCM三元材料必不可少的上游原料，隨著三元材料對碳酸鐵鋰的替代趨勢越來越明朗，鈷需求也隨之水漲船高。NCA三元材料中鈷元素需求量約為0.14 kg/kWh。
負極材料
石墨仍為負極材料首選
鋰離子電池的負極是由負極活性物質(zhì)碳材料或非碳材料、粘合劑和添加劑混合制成糊狀膠合劑均勻涂抹在銅箔兩側(cè)，經(jīng)干燥、滾壓而成。負極材料是鋰離子電池儲存鋰的主體，使鋰離子在充放電過程中嵌入與脫出。
負極材料主要分為以下三類：碳材料（石墨類）、金屬氧化物材料以及合金材料。松下NCR18650B電池的負極材料采用石墨材料。
動力電池市場爆發(fā)以來，相比于其他材料而言，負極材料價格相對穩(wěn)定，技術(shù)路線以石墨類為主，不存在很大的爭議。中國電池網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，以動力鋰電池為例，一輛新能源汽車大約需要40千克負極材料，折合石墨耗用量約為0.9kg/kWh。目前負極材料主要以天然石墨和人造石墨為主，兩者性能有著各自的優(yōu)缺點，應(yīng)用領(lǐng)域也有所不同。
碳材料發(fā)展最前沿的產(chǎn)品就是石墨烯，它是目前為止發(fā)現(xiàn)的最薄的層狀材料，以石墨烯作為負極材料可以加大電池的容量。傳統(tǒng)石墨材料的能量密度上限（石墨烯）在372 mAh/g，較當(dāng)前正極材料的能量密度還有相當(dāng)?shù)脑Ａ?。未來提高動力電池能量密度仍是新能源汽車動力方面的關(guān)鍵，盡管價格昂貴或技術(shù)尚不成熟，鈦酸鋰以及硅基復(fù)合材料等高端負極材料也逐漸步入負極材料的應(yīng)用領(lǐng)域。
硅基負極：鋰電負極變革趨勢
Si基負極材料最大的優(yōu)勢在于極高的理論能量密度（4200mAh/g），遠高于石墨。這也符合新能源汽車對電池的要求。從目前趨勢上看，未來負極材料的發(fā)展方向先向硅基+石墨，最后將由純硅/金屬鋰完全取代低能量密度的石墨。
硅基負極材料最大的不足就是膨脹問題，充電后易膨脹碎裂，無法復(fù)原，導(dǎo)致材料最終出現(xiàn)粉末化，大大縮短了電池壽命。
在充放電過程中會有300%的膨脹，而相同條件下石墨只有7%。目前松下最新研發(fā)的碳硅基復(fù)合材料負極中硅的含量達到了10%，可以看出隨著技術(shù)水平的進步還有很大的發(fā)展空間。
負極集流體：鋰電銅箔
按生產(chǎn)工藝不同，銅箔又分為壓延銅箔和電解銅箔，壓延銅箔一般用作建筑裝飾材料。由于銅箔的導(dǎo)電性良好、質(zhì)地較軟、延展性好易加工變形，它也是制作鋰電池負極集流體的首選材料。鋰離子電池集流體的功用是將電池活性物質(zhì)產(chǎn)生的電流匯集起來，以便形成較大的電流輸出，因此集流體應(yīng)有較低的比表面能從而易于與活性物質(zhì)充分接觸，且有著優(yōu)良的導(dǎo)電性。
目前，國內(nèi)外大部分鋰電池生產(chǎn)廠家都采用電解銅箔作為鋰電池的負極集流體。近年來，新能源汽車快速發(fā)展，導(dǎo)致新能源汽車所需的鋰電池的需求量也快速增大，而銅箔是鋰電池的重要原材料，其需求量當(dāng)然也隨之增大，所以新能源汽車的發(fā)展帶動了鋰電銅箔的發(fā)展，對整個銅箔產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了不可忽視的影響。
新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展導(dǎo)致我國銅箔產(chǎn)品產(chǎn)銷結(jié)構(gòu)的巨變，鋰電銅箔的產(chǎn)能由2015年的5.9萬噸上升至2016年的7.03萬噸；產(chǎn)量占比從2013年的10.35%上升至2016年的20.2%。在2013年以前，鋰電銅箔主要應(yīng)用于數(shù)碼產(chǎn)品等消費性電子產(chǎn)品，而之后才慢慢應(yīng)用于動力電池，占比慢慢提高。
在鋰電池中，銅箔的耗用量大致為0.9kg/kWh。根據(jù)銅冠銅箔的數(shù)據(jù)，2016年我國的鋰電銅箔的產(chǎn)能為7.03萬噸，而2017年鋰電銅箔的需求將上升至8萬噸，供給缺口明顯。由于新建鋰電銅箔項目建設(shè)周期較長，約為24個月，想要彌補缺口的難度非常大，銅箔加工費在剛性需求的支撐下持續(xù)上漲。
電解液
電解液，是鋰離子電池中是作為帶動鋰離子流動的載體，對鋰電池的運行和安全性具有舉足輕重的作用。鋰離子電池的工作原理也就是其充放電的過程，表現(xiàn)為鋰離子在正負極之間的穿梭，而電解液正是鋰離子流動的介質(zhì)。
根據(jù)中國電池網(wǎng)的推算，在電解液的成本構(gòu)成中，溶劑約占30%，添加劑約占10%，最主要的成分溶質(zhì)約占60%。市場上的溶質(zhì)以六氟磷酸鋰（LiPF6）為主，松下NCR18650電池也選用了六氟磷酸鋰作為溶質(zhì)，每kWh鋰電池需要0.15kg的六氟磷酸鋰。六氟磷酸鋰同樣可以通過碳酸鋰制備。
隔 膜
隔膜的主要作用是保障正負極分開的情況下鋰離子自由流通，是保障電池安全的最重要部分之一。隔膜能夠浸潤在電解液中，而且表面上有大量允許鋰離子通過的微孔。微孔密度以及材料選擇、厚度等等特性都會影響鋰離子穿過隔膜的速率從而影響電池性能。中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)估計，鋰電池中隔膜的耗用量大致為20m2/kWh。
松下供應(yīng)給特斯拉的電池所使用的隔膜，由住友化學(xué)供應(yīng)。住友化學(xué)隔膜采用單層PE作為基體材料，濕法工藝加工處理。與干法工藝相比，濕法工藝的投資成本較高，但可以提高膜表面微孔數(shù)量，且生產(chǎn)的隔膜更薄。這也是濕法工藝最大的優(yōu)勢，其薄膜厚度可以低至9μm，而干法工藝制作的隔膜厚度通常在20-40μm。
鋰電池結(jié)構(gòu)件
作為鋰電池和電池模組的重要組成部分，精密結(jié)構(gòu)件主要包括鋁/鋼殼、蓋板、連接片等，對鋰電池的安全性、密閉性、能源使用效率等都具有直接影響。由于新能源汽車在使用過程中需要大量的電芯串、并聯(lián)在一起保證能量供應(yīng)，導(dǎo)致需要使用大量的結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品以保證動力電池的安全。
鋰電池外殼保護電池在儲存和使用過程中免受外界損壞并維持電池內(nèi)部穩(wěn)定性，對電池的安全性、密封性和一致性等方面都有直接影響，是鋰電池重要組成部分之一。根據(jù)鋰電池形狀的不同，其所采用外殼材料各有差異：圓柱型電池外殼以鋼殼為主。方形電池外殼以鋁殼居多，軟包電池主要使用鋁塑膜和極耳來封裝。
電池接觸片是電池上的一個重要組成部分，采用銅，鐵，不銹鋼等材料制成。電鍍鍍金、銀、鎳、錫。安裝在導(dǎo)電膜上的電池接觸片受到按壓時，接觸片中心點接觸電池形成回路，電流通過。它具有導(dǎo)通性強、手感佳等特點。
目前來看，在保障電池結(jié)構(gòu)件原有作用性能和安全性的前提下，電池包的輕量化是結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)最重要的目標，動力電池企業(yè)對鋰電池精密結(jié)構(gòu)件制造企業(yè)在新產(chǎn)品、新技術(shù)等方面提出了更多的要求。同時更多的精密結(jié)構(gòu)件制造企業(yè)通過優(yōu)化電池系統(tǒng)的設(shè)置進一步實現(xiàn)輕量化。
特斯拉21700性能成本碾壓18650
回顧動力鋰電發(fā)展之初，特斯拉將廣泛應(yīng)用于3C領(lǐng)域的18650引入到動力鋰電之中，開辟了一條新能源汽車動力的新道路。但18650受限于體積和關(guān)鍵組件限制，普遍在2.2-3.6Ah之間，而目前動力電池最大的瓶頸仍然在于提高比能量，才能對傳統(tǒng)的燃料汽車構(gòu)成有力競爭。
因此，特斯拉新款Model 3將采用21700電池全面替代之前成熟的NCR18650。
能量密度更大
21700電池的能量密度要優(yōu)于18650電池。根據(jù)目前特斯拉披露的信息，在現(xiàn)有條件下，其生產(chǎn)的21700電池系統(tǒng)的能量密度在300Wh/kg左右，比其原來18650電池系統(tǒng)的250Wh/kg約提高20%，容量也將達到4.8Ah左右。
究其原因，21700在保有高鎳含量的NCA三元正極材料的同時，負極材料由原來的100%的碳基材料升級為摻有10%左右Si的碳硅復(fù)合材料。前文已述Si的理論能量密度要遠高于石墨，但存在容易膨脹的缺陷。21700也是首次將碳硅復(fù)合材料負極運用到動力電池中，具有里程碑意義。
同時因為能量密度的提升，相同容量的電池組需要的電芯數(shù)量會大幅減少，BMS更簡單，PACK所需要的附件更少，輕量化都會有大幅度提升。
成本不升反降
根據(jù)Tesla披露的電池價格信息，預(yù)計21700的動力鋰電池系統(tǒng)售價為170美元/Wh，相比18650的售價185美元/Wh，價格下降幅度可達8.1%左右。18650的系統(tǒng)的成本約為171美元/Wh，改用21700后，系統(tǒng)成本約能實現(xiàn)9%左右的降幅，達到155美元/Wh。
單體容量提升后，PACK所需配件數(shù)同比例減少帶動PACK成本下降。從18650型號切換至21700型號后，電池單體電池容量可以達到4.8Ah，大幅提升35%，同等能量下所需電池的數(shù)量可減少約1/3，Tesla Models電動汽車使用7104節(jié)18650電池串并聯(lián)成電池組，預(yù)計在新款MODEL3電池節(jié)數(shù)將大幅減少。在降低系統(tǒng)管理難度的同時將同比例的減少電池包采用的金屬結(jié)構(gòu)件及導(dǎo)電連接件等配件數(shù)量。
由于整個電池系統(tǒng)都相應(yīng)簡化，帶動成本下降。特斯拉的電池占到整車成本的三成以上，那么我們預(yù)計整車的成本都相應(yīng)的出現(xiàn)可觀的下降。
特斯拉電池產(chǎn)業(yè)鏈
根據(jù)seeking alpha的推算數(shù)據(jù)，以特斯拉Model S為例，其電池系統(tǒng)價值占整車成本的33.23%。在特斯拉的電池系統(tǒng)里，價值最高的毫無疑問是單體電池，其成本可占整個動力電池系統(tǒng)的83%。
我們再繼續(xù)拆解單體電池的成本，由于沒有松下電池最精確的數(shù)據(jù)，就以業(yè)內(nèi)估計的動力鋰電池數(shù)據(jù)作為參考。其中，占比最高的是正極材料，一般在30%-40%之間；隔膜和電解液均在15%-20%之間。
由于特斯拉的電池系統(tǒng)可以分為兩個層次：單體電池以及電池組管理系統(tǒng)，那么以特斯拉電池為原點、以這兩個層次為路徑向上游追溯，則可以梳理出其完整的產(chǎn)業(yè)鏈。
新能源汽車產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展為最上游的原料供應(yīng)商提供了超預(yù)期的需求增量，這也是鈷、鋰等金屬價格飛漲的核心原因。以特斯拉的松下NCA電池為例，我們匯總了前文分析的各類原料的耗用狀況。隨著未來新能源汽車的滲透率不斷提高，相關(guān)原料的需求增長將會非?？捎^。
特斯拉電池產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)商全梳理
松下電器是特斯拉電池的唯一供應(yīng)商，二者的合作從2011年就已經(jīng)開始。2013年特斯拉和松下續(xù)簽4年合同，松下將在未來4年內(nèi)向特斯拉提供約20億塊電池。由于松下電池的產(chǎn)能仍不足以滿足特斯拉的生產(chǎn)需求，二者又在2014年簽訂協(xié)議，合作建立Gigafactory電池超級工廠，計劃年產(chǎn)能35GWh，目前已于2016年開業(yè)，計劃在2018年生產(chǎn)出超過2013年全球產(chǎn)量總和的鋰離子電池。因此，未來特斯拉在單體電池這一塊將會逐步走向自給自足。
如果說松下電池為電動車的續(xù)航能力與快速加速提供了可能，那么特斯拉自主研發(fā)的電池管理系統(tǒng)將這種可能變成了現(xiàn)實。特斯拉BMS能夠提供精確的電池健康狀態(tài)預(yù)估技術(shù)、電池平衡管理技術(shù)、電池殘電量管理技術(shù)、電池?zé)峁芾砑夹g(shù)、診斷與預(yù)警技術(shù)。這是這個BMS使得電動車在續(xù)航里程、電池壽命、充電時間達到實用性的要求，從而開啟新能源汽車潮流的新時代。
由于松下電器是特斯拉單體電池的直接供應(yīng)商，電池管理系統(tǒng)則是特斯拉自主研發(fā)的。因此要進入到特斯拉電池產(chǎn)業(yè)鏈之中，只能采取成為松下的供應(yīng)商或者是特斯拉的認證供應(yīng)商的方法。對此，我們進行了細致的梳理：
電池管理系統(tǒng)
特斯拉的電池管理系統(tǒng)的技術(shù)來源于自主專利，而零配件采取了全球化采購策略，由全球最大車用線材廠日本矢崎以及臺灣貿(mào)聯(lián)提供線束，世界上最大的模擬電路技術(shù)部件制造商德州儀器提供芯片處理器。
國內(nèi)的均勝電子則為特斯拉的電池管理系統(tǒng)提供傳感器原件。公司2015年的年報信息披露，公司在BMS方面是寶馬全球獨家供應(yīng)商，而在報告期內(nèi)也開始為特斯拉供應(yīng)部分傳感元器件。而到了2017年，在特斯拉最新下線的Model 3上，公司旗下的普瑞(Preh)和百利得(KSS)分別為特斯拉的安全氣囊、方向盤和電池充電系統(tǒng)等多個系統(tǒng)和部件提供產(chǎn)品和技術(shù)。
常鋁股份7月10在投資者互動平臺上披露動力電池散熱系統(tǒng)用鋁材通過特斯拉一級供應(yīng)商已應(yīng)用于特斯拉車輛的。
單體電池
松下電池的供應(yīng)商比較固定，尤其是和住友財團的企業(yè)合作密切。比如，住友金屬礦山負責(zé)提供正極材料，住友化學(xué)提供隔膜。在其他方面，日立化成負責(zé)提供負極材料，三菱化學(xué)提供電解液。
與此同時，國內(nèi)也有不少企業(yè)獲得了松下電器的供應(yīng)商認證，借此打入特斯拉供應(yīng)鏈。根據(jù)各公司在公開平臺上披露的信息，中國寶安旗下貝瑞特為松下提供鋰電池負極材料，新宙邦為松下提供電解液，長園集團子公司江蘇華盛給松下供應(yīng)電解液添加劑量。
由于Gigafactory的建立，也有部分企業(yè)也相當(dāng)于是直接為特斯拉供應(yīng)零部件，比如安潔科技與旗下新星控股為松下供應(yīng)電子精密構(gòu)件，科達利為特斯拉提供電池連接件。
