绿色债券系列研究：我国动力锂离子电池发展现状

摘要

锂电池的发展经历了由锂金属电池向锂离子电池的转变，即从不可充电的一次电池向可充电的二次电池延伸。锂离子电池下游应用发展体现为3C锂离子电池随着消费类电子产品增速放缓而进入平台期，动力锂离子电池随着新能源汽车的迅猛发展而进入发展期，储能锂离子电池依旧发展缓慢。因此研究主要研究动力锂离子电池的工作原理、主要性能指标、环境效益及其对环境的影响。

动力锂离子电池在锂电池众多细分种类的应用中占据着较为重要的地位。为鼓励推广新能源的应用，国家相继出台政策刺激动力锂离子电池下游新能源汽车行业，使得近年来发展迅猛的新能源汽车带动动力锂离子电池行业的快速发展。动力锂离子电池主要通过锂离子在正负极间不断嵌入和脱嵌的过程实现充放电，其产业链包括上游原材料、中游制造及下游应用三个环节。动力锂离子电池相对于传统能源和电池具有能耗低、环境污染小等优势，但从全产业链角度看，其上游稀土矿的开采、中游电池制备等环节仍存在一定程度的环境污染。

一、动力锂离子电池行业概况

（一）  锂离子电池概念及分类

锂离子电池是一类由锂金属、锂合金或锂离子化合物为负极材料的电池，按负极材料的不同分为锂金属电池和锂离子电池。其中，锂金属电池是指以二氧化锰为正极材料、金属锂或其合金金属为负极材料的一类电池，受限于不可充电，因此被归为一次电池；锂离子电池指以锂离子嵌入的化合物为正极材料、以碳素材料为负极的一类电池，该类电池具有充电性能，因此被归为二次电池，其不但能量密度大、输出电压高、自放电小、无记忆效应、循环性能优越、可快速充放电、充电效率高、输出功率大，且具有使用寿命长及环境污染低等优势，因此通常被称为绿色电池，根据锂离子电池电解液的相态可将其分为液相锂离子电池和固态锂离子电池两种。

根据下游应用行业的不同可将锂离子电池分为动力锂离子电池、3C锂离子电池及储能锂离子电池三种，电池种类不同其电池内阻、电流及电容均不同。其中，3C锂离子电池主要应用于手机电池、笔记本电池、移动电源等消费类产品；动力锂离子电池分为倍率型和功率型，倍率型动力锂离子电池是指电动工具、启动电池、航模电池等单次使用时间介于几秒钟到几分钟的电池，功率型动力离子电池可应用于纯电动汽车（EV）、电动自行车（E-bike）、电动三轮、电动摩托等领域；储能锂离子电池未来将应用于储能电站，在电力高峰期将电能存储在锂离子电池中，在电力低谷期将电能输出。受节能环保等政策的驱动，与新能源汽车相关的动力锂离子电池成为动力锂离子电池行业中发展较快的细分行业。

（二）我国锂电池发展现状

1、我国锂电池发展历史

在传统不可再生能源储量出现收紧的时代，科学家萌生了将可再生能源存储在电池中以替代不可再生能源的想法，因此能量密度较大的电池变成为了电池工业发展的重心。在已知的金属中，锂金属的密度小、电极电势低的特性使得其具有成为理想电池负极材料的潜力。锂电池的研究最早可追溯到十九世纪二十年代，五十年后最早实现产业化的锂电池为锂金属电池，负极为金属锂、正极为二氧化锰或氟化炭等活性物质，并在埋入式心脏起搏器方面得以应用。1989年，锂金属电池在充电过程中发生爆炸，使得锂金属电池在充电领域的应用遭遇瓶颈。因此，此后四十年间，锂电池的研究侧重于锂的形态类型、电解液及正极材料的研究，锂电池开发由一次电池向二次电池转变。1991年6月，第一块商品二次电池---锂离子电池在日本问世，成为电池工业史上的一座里程碑。从锂离子电池应用细分来看，2013年前，锂离子电池主要应用于电子类快销产品，例如手机、电脑、照相机等，该类电池简称3C锂离子电池，其占据锂电池近90%的市场份额。2013年后，随着政策扶持新能源汽车快速发展，以3C为主导的锂离子电池市场格局发生变化，3C类产品发展减缓，导致消费类锂电池需求增速降低，动力锂离子电池销量以近80%的高速度增长，期间锂电储能产业也在市场和政策的推动慢慢成长。2017年，锂离子电池总装机规模为79.2GWh，根据北极星储能网披露数据来看，2017年我国新能源汽车（EV+PHEV）动力电池装机总电量约36.24GWh，同比增长约29.4%，动力锂离子电池市场占有率已超过3C锂离子电池达到54.55%。由于工业储能电池目前基数较小，而消费锂电池虽然目前占比较大，但下游3C电子需求趋于饱和，近年来占比逐渐下滑，预计2020年，动力锂离子电池市场占比将达到71.98%。整体看，锂离子电池未来发展以动力离子电池为主。

2、动力锂电池技术发展概述

动力锂离子电池能量密度高、寿命长等优点使其成为最具实用价值的新能源电动汽车车用电池候选者，而在动力锂离子电池生产过程中，其相关性指标（安全性、容量、内阻、循环寿命等）却互相矛盾，因此电池生产需在装配技术、电池系统成组技术及管理技术的协调下兼顾电极材料、电解液、隔膜的性能，从而使得电池的相关性指标最大程度上发挥协同效应。

（1）动力锂电池材料技术

在科技进步、下游市场需求及补贴政策的多重刺激下，动力锂电池材料逐渐发生迭代，使得电池整体的性能趋向于高能量密度、高安全性、长寿命和低成本的方向不断实现破。在当前的材料技术水平下，正极材料、负极材料、隔膜及电解液在成本中的占比分别约为40%、15%、20%~30%及10%~15%。

正极材料，作为锂离子电池中最核心部分，其特性对于电池的储能密度、循环寿命、安全性等具有直接影响。2017年我国锂电池正极材料产量32.3万吨，同增49.54%。动力锂离子电池中常用的正极材料有磷酸铁锂（LFP）、钴酸锂（LCO）、锰酸锂（LMO）和三元材料（例如NCA和NCM）。以上正极材料中，LFP发展较早，其能量密度较低，约130wh/kg~150wh/kg，低温性能较差，例如在-10℃的环境下，一块容量3500mAh的锂离子电池经过100次左右的循环充放电后，其容量将大幅衰减至500mAh，但其分解温度高达800℃，安全性较高，且贵金属含量较低，成本可控，目前较多汽车品牌应用LFP电池，如雪佛兰Volt、日产Leaf、比亚迪E6和FiskerKarma；LCO与LFP电池相比，技术较为成熟，功率高、能量密度大且一致性较高，但安全系数较低，热特性和电特性较差，例如特斯拉所用的18650电池在外电压但凡低于2.7V或高于3.3V，均会出现过热，在应用过程中要严格控制电池电压、电流及温度；三元材料以镍、钴、锰盐为原料，常见的镍钴锰比列为424/333/523/701/515/811，目前以523为主，未来发展趋向于低钴高镍NCM，优点为能量密度较高，约为160wh/kg~200wh/kg，缺点为分解温度较低，约为200℃左右，安全性能低，且因含有贵金属镍、钴和锰，成本略高；LMO价格优势很大，但能量密度最低，为其他正极材料的过渡材料。2017年，中国动力锂离子电池搭载的正极材料国产化率约92%，根据北极星储能网披露数据来看，动力锂离子电池装机中，磷酸铁锂电池、三元锂电池、锰酸锂电池和钛酸锂电池占比分别为50%、45%、4%和1%，LFP及三元锂电池的装机量占据动力锂离子电池市场的主要份额。从细分车型来看，新能源乘用车及货车细分市场以三元锂电池为主、LFP为辅，而新能源客车领域则主要为LFP。

负极材料主要影响电池的安全性和循环性能。2017年中国锂电池负极材料产量14.6万吨，同比增长23.7%。理想的负极材料应具有以下特点：

a、与正极材料电化学位差大以提高电池功率；

b、材料层间距相对较大，锂离子嵌入反应所需自由能小，易具有较大的锂离子容量，且嵌入后不膨胀，循环性能好；

c、电极电位不受锂离子嵌入量影响，有利于电池工作电压稳定；

d、热力学稳定性好，不与电解液反应；

e、锂离子在负极材料中的扩散速率高，易于容纳大量的锂离子；

f、石墨化程度越低，SEI[1]膜稳定性越好可避免电解液嵌入电极材料；

g、易制备，成本低。

[1]在锂电池首次充放电过程中，电极材料与电解液在固-液相界面上发生反应形成的一层覆盖于电极表面的钝化膜，称为固体电解质界面膜（solid electrolyte interface，简称SEI膜），其具有固体电解质的特征-对电子绝缘的同时允许Li+透过，SEI膜厚度在100~120nm，其性质受电极表面结构孔隙率及颗粒尺寸影响。

自1965年锂金属被应用于负极材料至今，锂电池负极材料主要经历了金属材料、合金材料、氧化物和碳材料（石墨、硬碳和软碳等）四个进化阶段，其中锂金属充放电过程中锂离子在金属表面附着，容易产生锂枝晶而导致起火或爆炸等安全性问题；合金类材料在锂离子嵌入后体积变化较大，SEI膜不稳定，循环性能弱；氧化钼嵌锂所需电位高（0.75V）且容量低（125mAh/g）；石墨负极材料平台电压较为平稳，充放电电位较低，缺点在于比容量低，充放电倍率性能差，与电解液溶剂（尤其碳酸丙烯酯PC）相容性较差，有机溶剂易随锂离子共同嵌入石墨层，导致石墨逐渐剥落、电池循环性能差。因此，后续改进技术将石墨材料表面氧化形成微孔结构以提升其与电解液的相容性，或更换电解液溶剂（碳酸乙烯酯EC）。

电解液在锂电池组件中连接正负极材料，同时是锂离子传输的载体，是使电池具备高电压、高比能的关键。2017年，中国电解液产量10.2万吨，同比增速为15.38%。电解液由溶剂、电解质（锂盐）和添加剂组成，其中溶剂具备介电常数高、粘度小、纯度高、吸湿性好等特性易于提高电解液的导电性，工业化常用的溶剂为环状碳酸酯（碳酸乙烯酯EC、碳酸丙烯酯PC）及链状碳酸酯（碳酸二甲酯DEC、碳酸甲乙酯MEC和碳酸二乙酯DMC），高导电性溶剂EC、PC易于溶解电解质，而低粘度溶剂DEC、MEC和DMC有利于Li+的运输；电解质为电解液中锂源，部分锂盐由于高温安全性差、导电率低、价格昂贵等原因别摒弃，目前较为应用较多的为六氟磷酸锂LIPF6，但考虑到LiPF6为易水解、热稳定性存在不足，未来芳基硼酸锂和烷基硼酸锂或因其较好的热稳定性及循环性能成为电解质的应用热点；添加剂主要为成膜添加剂、导电添加剂、阻燃添加剂和多功能添加剂四种。

隔膜是保障电池安全的最重要组件之一，其浸渍在电解液中位于正负极材料之间起到避免正负极材料接触导致短路的作用，同时隔膜应具有热塑性，在高温环境下隔膜发生熔融、微孔关闭从而达到断电目的，因此隔膜通常采用具有绝缘、不溶于有机溶剂、强度高等特性的聚烯烃多孔膜。锂离子可通过隔膜表面的微孔通道完成其在正负极间的流通，因此隔膜材料孔结构、厚度和微孔数量等特性都会影响锂离子穿透速度，进而影响到电池的内阻、放电倍率、循环寿命等性能。隔膜生产工艺主要为干法和湿法两种，其中干法工艺包含单向拉伸和双向拉伸两种工艺。由于湿法工艺所制隔膜较薄，容易击穿导致电池短路，而干法-单向拉伸工艺所制隔膜厚度较厚（20~40um）、孔径均匀、熔点高且稳定性好的特点符合电动汽车对锂电池安全性能的要求，但干法隔膜的厚度优势在一定程度上削弱电池的能量密度，因此长期来看改进后的湿法隔膜（例如湿法涂覆隔膜）将成为锂电池隔膜未来的发展方向。目前常用的隔膜有聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）及丙烯-乙烯共聚物等，隔膜产品主要有单层PP、单层PE、PP+陶瓷涂覆、PE+陶瓷涂覆、双层PP/PE、双层PP/PP和三层PP/PE/PP等，目前中国尚无将PP/PE双层复合膜的技术，产品主要为双层PP/PP为主，而全球汽车动力锂电池使用的隔膜以三层PP/PE/PP、双层PP/PE以及PP+陶瓷涂覆、PE+陶瓷涂覆等隔膜材料产品为主。

（2）动力锂电池控制技术

驱动一辆电动汽车需要大量电池单体，例如TeslaRoadSTer和Tesla ModelS的电池系统分别包含6831节和8000节18650钴酸锂电池。电池单体并联封装成电池砖，电池砖串联成电池片，电池片组成一个电池包，经过三层组装为一个可以为汽车提供动力的电池系统，但数量众多的电池单体组合加剧了其热稳定差、安全系数低的短板，因此需要对电池单元、电池砖、电池片每层级设置保险丝，防止电池系统过热或电流过大。从锂离子动力电池系统角度看，关键核心技术包括电池成组技术（集成电池配组、热管理、碰撞安全、电安全等）、电池管理系统（BMS）电磁兼容技术、信号的精确测量（如单体电压、电流等）技术、电池状态精确估计、电池均衡控制技术等。

3、动力锂离子电池产业链

动力锂离子电池产业链包括上游原材料（钴矿、镍矿、锰矿、锂矿、石墨矿及有机材料）、中游制造及下游应用三个环节，其中中游制造环节包括基础材料生产、动力锂离子电池材料（正极、负极、电解液、隔膜及其他材料）制造、电芯制造及PACK封装。本章节主要分析影响锂离子电池应用的技术指标及锂电池全产业链对环境的影响。

4、动力锂离子电池行业相关政策

锂离子电池主要作为新能源汽车的组件投放到终端消费市场，因此政策通过对下游新能源汽车产业作用，进而间接传导至锂离子电池行业，达到对整个产业链的调节。为鼓励下游新能源汽车的发展，中央财政安排专项资金对购买新能源汽车进行补贴，通过双积分政策提高传统汽车企业生产新能源汽车的积极性。

新能源汽车推广产品技术要求涉及动力锂离子电池指标包括单位载质量能量消耗量（Ekg）、续驶里程、电池系统总质量占整车整备质量比例、快充倍率、30分钟最高车速及百公里耗电量（Y）等指标。近年来新能源汽车的补贴政策不断收紧，补贴退坡的同时对补贴车型的能量密度及续航里程等指标要求逐步提升。能量密度方面，在2018年7月工信部发布的第七批《新能源汽车推广应用推荐车型目录》中，45款纯电动乘用车对应的系统电池能量密度均在120Wh/kg及以上，其中120~140Wh/kg、140~160Wh/kg及160Wh/kg以上占比分别为28.89%、55.56%和15.56%，而在2018年首批推荐目录中，搭载的电池能量密度在120Wh/kg以下的新能源乘用车尚占11%份额。随着技术的不断进步，预计未来补贴政策将继续向高能量密度车型倾斜，动力锂离子电池整体能量密度水平也将进一步持续提高。续航里程方面，6月12日，财政部再次调整补贴政策，对续航里程150公里以内的新能源车型取消补贴，而续航里程在300公里以上车型的补贴仅与2017年持平。

2017年9月出台的双积分政策意味着传统车企在中国每生产一辆燃油车，就必须拿出一定比例的钱用于购买新能源积分，且比例将越来越高，而每生产一辆电动车，除了获得正常的收益外，还可得到传统车企的补贴。这无疑将大大推动新能源汽车的发展，动力电池产业也将从中受益。

除鼓励锂电池下游产业新能源汽车的相关政策外，2017年以来，锂电池行业电池回收利用方面也频频出台新政。2017年，锂电池回收利用各项规范相继出台，例如车用动力电池回收利用拆解规范（GB/T33598-2017）、汽车动力电池编码规则（GB/T34014-2017）、车用动力电池回收利用——余能检测（GB/T34015-2017）和电动汽车用动力蓄电池产品规格尺寸（GB/T34013-2017）。而2018年，随着新能源汽车动力蓄电池回收利用试点工作的展开，我国动力电池回收利用市场建设进入导入期。

5、动力离子电池与绿色债券支持范畴的一致性

中国人民银行2015年12月发布的公告第39号的附件、即中国金融学会绿色金融专业委员会编制的《绿色债券支持项目目录（2015年版）》（以下简称《目录》）中，在第四大类“清洁交通”中，列出了“4.6新能源汽车”，具体包括两个子项，即“4.6.1零部件生产及整车制造”，其界定条件为“电动汽车、燃料电池汽车、天然气燃料汽车等新能源汽车整车制造、电动机制造、储能装置制造以及其他零部件、配件制造”；以及“4.6.2配套设施建设运营”，界定条件为“新能源汽车配套充电、供能等服务设施建设运营”。

国际上的绿色债券准则（Green Bond Principles，GBP）及气候债券标准（ClimateBonds Standards，CBS）的支持项目类别里亦都有与动力锂离子电池相匹配的领域。GBP体系下，支持项目类型中有一大项为清洁交通项目，具体包括电力交通、混合动力交通、公共交通、铁路交通、非机动车、联运及与之配套的基础设施、可减少有害气体排放的清洁能源车辆等；动力锂离子电池归属于这一范畴。CBS体系下，其支持的项目中有一大类为低碳陆地交通项目，具体包括公共交通、以电力/混合动力/可替代能源驱动的货物运输工具、专用的货运铁路线及配套的基础设施等，动力锂离子电池在CBS体系中亦明确符合其要求。

由于动力锂离子电池分类较多，其性能参数、节能性能及对环境的影响存在差异，本章节现就动力锂离子电池进行相关的梳理、分析和研究。

二、小结与展望

总体看，动力锂离子电池在锂电池众多细分种类的应用中占据着较为重要的地位。为鼓励推广新能源的应用，国家相继出台政策刺激动力锂离子电池下游新能源汽车行业，使得近年来发展迅猛的新能源汽车带动动力锂离子电池行业的快速发展。动力锂离子电池主要通过锂离子在正负极间不断嵌入和脱嵌的过程实现充放电，其产业链包括上游原材料、中游制造及下游应用三个环节。动力锂离子电池相对于传统能源和电池具有能耗低、环境污染小等优势，但从全产业链角度看，其上游稀土矿的开采、中游电池制备等环节仍存在一定程度的环境污染。

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