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(fù)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(fù)極，負(fù)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(biāo)準(zhǔn)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(dá)到3.6V，能量密度高達(dá)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(fù)極材料，以六氟磷酸鋰為電解液。最終達(dá)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(xì)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?jǐn)?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(jìn)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(fù)極材料
石墨仍為負(fù)極材料首選
鋰離子電池的負(fù)極是由負(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)極材料，折合石墨耗用量約為0.9kg/kWh。目前負(fù)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(fù)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(fù)極材料也逐漸步入負(fù)極材料的應(yīng)用領(lǐng)域。
硅基負(fù)極：鋰電負(fù)極變革趨勢
Si基負(fù)極材料最大的優(yōu)勢在于極高的理論能量密度（4200mAh/g），遠(yuǎn)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(fù)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(fù)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(fù)極中硅的含量達(dá)到了10%，可以看出隨著技術(shù)水平的進(jìn)步還有很大的發(fā)展空間。
負(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(hù)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(biāo)，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(jìn)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(dá)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(fù)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(yuǎn)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(fù)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(dá)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(dá)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(dá)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(dá)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(jìn)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(rèn)證供應(yīng)商的方法。對此，我們進(jìn)行了細(xì)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(fù)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(fù)責(zé)提供負(fù)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(rèn)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(fù)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(dá)利為特斯拉提供電池連接件。
