2022年我国新能源车迎来爆发式增长，新能源乘用车累计批发销量为649.8万辆,同比增长96.3%[1]。在新能源汽车的强劲需求的带动下，动力电池产业迎来了快速发展，成为近年来增长最快的产业赛道之一。本文从动力锂离子电池基本概念出发，对动力锂离子电池产业发展现状、存在问题以及未来发展趋势进行全面阐述。
01 认识：动力锂离子电池
（一）定义与类型：磷酸铁锂、三元锂、钴酸锂、锰酸锂
动力电池是指专为工具提供动力来源的电源，多指为电动汽车、电动列车、电动自行车、高尔夫球车提供动力的蓄电池。随着对动力电池性能要求的不断提升，动力电池不断换代革新，从可反复循环使用的铅酸电池，到镍镉电池，再到镍氢电池，再到如今的锂离子电池、钠离子电池、燃料电池。动力锂离子电池相比同时代其他电池，具有能量密度高、技术成熟度高、长循环寿命等特点，是现阶段的主流动力电池。
动力锂离子电池按照正极所用材料类型可分为磷酸铁锂电池、三元锂电池、钴酸锂电池、锰酸锂电池，相较于锰酸锂和钴酸锂，磷酸铁锂电池和三元锂电池在能量密度、安全性、循环次数及生产成本等方面具备综合优势，因此应用更为广泛。
表1各类锂离子电池性能对比
（二）原理与构成：正极、负极、电解液、隔膜
锂离子电池主要由正极、负极、隔膜、电解液及其他辅助材料构成。电池充电时，在外加电源的作用下锂离子从正极脱离通过电解液透过隔膜运动到具备能够嵌入锂离子的负极。电池放电时，嵌入在负极中的锂离子脱离负极通过电解液流向正极，同时电子在外电路相应移动形成电流。
图1锂离子电池内部结构及工作原理
（图片引用自网络）
正极材料是锂离子电池中重要的锂离子来源，主要类型有磷酸铁锂、三元锂、钻酸锂、锰酸锂等，目前磷酸铁锂和三元锂较为常用。
负极材料是锂离子和电子的载体，有着蓄能和释放作用，主要类型有天然石墨、人造石墨、中间相碳微球、石墨烯、硅基复合材料、钛酸锂等。出于成本技术成熟度等方面考虑目前负极材料市场依旧以人造石墨为主。
隔膜是用以将正负两极分开防止在电解池中直接反应损失能量的一层薄膜，主要为聚烯烃微孔膜，包括PP（聚丙烯）/PE（聚乙烯）/PP多层复合隔膜、PP或PE单层微孔膜及其涂布膜。
电解液是一种媒介物质，在正、负极之间起着输送离子的作用。电解液由溶质、溶剂和添加剂组成。溶质主要为LiPF6、LiBF4；溶剂主要为碳酸酯类溶剂；添加剂主要有碳酸亚乙烯酯（VC）、氟代碳酸乙烯酯（FEC）等。
02 通晓：动力锂离子电池产业概况
（一）产业链：产业链条长，涉及材料多
锂离子电池产业链上游主要为锂矿、钴矿、镍矿、石墨等矿物元素的开采与冶炼，以及聚烯烃、有机碳酸酯和其他各类化合物的制备与提纯。产业链中游主要为包括正极材料、负极材料、隔膜、电解液和其他各类辅助材料的制备，以及电芯制作、模组集成、电池包集成等。产业链下游主要为新能源汽车、电动自行车及回收利用等领域。
图2锂离子动力电池材料产业链
动力电池是新能源车制造成本最高部分，正极材料是动力电池成本占比最高的原材料。动力电池生产成本约占新能源车生产成本的38%，正极材料约占电池材料总成本的比例的35%-45%；负极材料约占比10%-20%；隔膜约占比15%-20%；电解液约占比10%-15%；其他辅助材料如钢壳、铝壳等约占成本的10%-15%左右。
图3新能源车及动力锂电池成本构成[2]
（二）产业规模：增长迅速，空间广阔新能源汽车销量迅速增长，渗透率逐年提升。全球新能源汽车销量由2016年的79万辆增长至2022年的1082.4万辆，年复合增长率达54.68%，全球市场渗透率也由0.9%增长至12%。我国新能源汽车增长更为迅速，销量由2019年的120.6万辆增长2022年的649.8万辆，市场渗透率亦从4.68%上升至27.6%[3]。
图4 新能源汽车销量及渗透率
我国动力电池装机量持续提升，约占全球装机总量的五成。2021年全球动力电池在电动汽车上的装机量约为297GWh[4]，较2020年增长超过100%。中国凭借新能源汽车产业的先发优势，动力电池产业进入快速成长阶段，已经成为全球最大的动力电池生产国之一。2021年我国动力电池装机量共计154.5GWh，占全球装机量的五成。
图5 2018-2021年动力电池装机量
展望未来，动力电池产业将在绿色革命的推动下继续保持高速增长。世界主要经济体均设立了电动化目标，推动新能源汽车的发展。2020年10月，我国国务院办公厅印发《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》，明确在2025年我国新能源汽车新车销售量达到汽车新车销售总量的20%左右，2035年，纯电动汽车成为新销售车辆的主流，公共领域用车全面电动化。美国亦在2020年《清洁能源革命和环境计划》和2021年《新基建计划》中充分鼓励新能源汽车的发展，并确立了2030年新能源汽车渗透率50%的目标。欧洲国家中，法国提出2040年无使用化石燃料的汽车，英国提出2035年电动化率达100%。发展新能源汽车已成全球主要经济体的共识，动力电池作为新能源汽车能量存储与转换装置的基础单元，是新能源汽车的核心零部件，其技术发展水平是全球汽车产业电动化转型的关键支撑。在全球汽车产业电动化的浪潮下，动力电池未来仍有数倍的增长空间，GGII预计，2025年全球动力电池出货量将达到1,550GWh，2030年有望达到3,000GWh。
（三）竞争格局：竞争激烈，集中度高
动力电池生产商主要集中于中国、日本和韩国，行业内参与企业众多，竞争较为激烈，龙头企业占据较高的市场份额，行业整体市场集中度较高。根据SNE Research调研数据，2021年全球前十动力电池企业装机量约为270.8GWh，占全球动力电池装机量的91.2%。
我国部分企业已具备国际竞争力，在全球市场具备一定的竞争地位，在全球动力电池装机量前十名中，我国企业占据6席，市场份额约为48%。宁德时代动力电池装机量最高达96.7GWh，市场份额约为32.6%。此外，比亚迪、中创新航、国轩高科、远景动力、蜂巢能源均进入装机量全球前十。2021年中国前十动力电池企业装机量占市场份额92.20%，在新能源汽车的强劲带动下，市场对锂离子动力电池的需求不断提升，由于头部企业产能及供应链保障更加充分，保障了快速增长的需求供应，市占率得到进一步的提升。
表2 2021年全球动力电池装机量TOP10(GWh)[5]
03 知悉：动力锂离子电池产业发展困境
（一）成本：锂资源成本高昂抑制产业发展
根据中国地质调查局全球矿产资源战略研究中心数据，全球锂矿储量12828万吨（碳酸锂当量，同下），其中锂矿可采资源量达到34943万吨。锂矿资源分布不均，大多分布在南半球，目前锂矿储量最大的国家是智利，占全球锂矿储量的41.06%。中国锂矿储量位于全球第四位，但以盐湖锂为主，锂含量低，提取难度大，因此目前国内70%的锂依赖进口。
图6全球碳酸锂资源分布[6]
旺盛的需求刺激锂价格的持续提升，2019年-2020年中旬国内碳酸锂价格仍维持为4-5万元/吨，2021年年初上涨到7万元/吨，2022年11月中旬一度逼近60万元/吨大关，价格两年内上涨幅度超过十倍。碳酸锂作为锂离子电池生产的关键原料，其价格的激增侵蚀了电池厂商的利润，抑制了产业的健康发展。
图7 国内碳酸锂价格走势[7]
（二）安全：高能量密度与高安全性难以兼顾
动力锂离子电池对安全性和能量密度有着同样的极致追求，但目前二者之间存在着一定的不可协调性。一是在电池充放电过程中，电池的能量损失致使放电时化学能／充电时电能会转变成热能。基于能量守恒原理，能量密度越高，产生热量越多。无法及时散出的热量会在电池内部积聚从而形成高温。当电池长期工作在高温状态下，电池内部的化学反应会越来越多，产热也越来越多，会导致温度不断升高，进而引发热失控风险。二是锂离子电池电解液中有机溶剂具有易燃性，电池的高能量密度值是通过升高电池电压来获得的。若电解液耐高压能力不足，就会被氧化分解，放出的热量使电池温度升高，高温会引起电池内部各种副反应的发生。如负极与电解液发生放热反应；隔膜熔化，从而导致正负极发生短路等，最终导致热失控的发生，甚至引发火灾和爆炸。目前的技术水平下锂离子电池的安全性和高能量密度之间的不可兼得性，一定程度上抑制着动力离子电池产业的进一步发展。
（三）过剩：产能过剩已经成行业发展的最大忧虑
中国动力电池产业创新联盟对宁德时代、比亚迪、中创新航、国轩高科、蜂巢能源等超80家电池、汽车、新能源领域厂商的248个项目的产能统计数据，以2025年为时间节点仅宁德时代、比亚迪、蜂巢能源、中创新航、国轩高科这6家头部企业产能规划就达到3039GWH。浙商证券预计，到2025年全球主要动力锂电池厂商的规划产能将达到4335GWh。而根据SNE Research预计2022年全球动力电池出货量为443GWh，3年十倍的增幅显然并不切合目前实际。中国汽车动力电池产业创新联盟副秘书长王子冬指出，“2023年中国本土市场的新能源汽车增速很可能会下降，加上动力电池企业新建产能释放，随之电池供应一定会过剩。”亿纬锂能董事长刘金成也曾表示“预计最晚2024年，全产业链将出现产能过剩的情况。”中国科学院院士欧阳明高也曾表示“2025年中国电池产能可能达到3000GWh,而出货量则为1200GWh，产能过剩明显。”
04 洞察：动力锂离子电池技术发展趋势
电池技术发展的主线，就是在不触碰安全底线的情况下，追求高的能量密度，同时兼顾成本、循环寿命等其他指标及性能的过程。围绕这一主线，动力电池技术发展可分为三大类方向：一是电池主体的全面升级、二是电池内部材料的升级、三是电池工艺的升级。
（一）电池：从液态向半固态、全固态演进
半固态、全固态电池由于能在根本上提升能量密度和安全性两大核心性能，被认为是最具前景的新一代动力锂电技术。能量密度方面，其单体能量密度最高能达到900Wh/kg，是当前三元锂电池的2-3倍。安全性方面，许多无机固体电解质材料不可燃，聚合物固体电解质存在一定可燃风险，但相较于电解液安全性也大幅提高。温度敏感性方面，能在-50℃~200℃温度保持放电功率，可以极大程度缓解冬天电池容量衰减的问题。但固态电池目前在固态电解质和电极的界面处理、电极内部多级界面处理、长期使用稳定性等技术方面存在技术难题亟待突破。相关专家预计，固态电池真正投入大规模商业应用大概的时间是在2025-2030年之间。钠离子有望成为产业发展新方向。随着锂离子电池价格上涨、资源储量有限等问题的显现，资源分布广泛的钠离子电池逐渐进入人们的视野。钠资源的地壳丰度是锂资源的423倍，并且在全球均匀分布。在成本方面，钠离子电池的成本低廉，比磷酸铁锂电池可降低约30%-40%。中国科学院物理研究所在国内率先开展钠离子电池的研究，并于2017年成立中科海钠科技有限责任公司，专注于钠离子电池的研发与生产。开发的钠离子电池能量密度达150 Wh/kg, 循环寿命达5000次，高低温性能优异，安全性能好，于2018年推出全球首辆钠离子电池电动车，2021年建成全球首套1 MWh钠离子电池储能系统，并成功投入运行。宁德时代第一代钠离子电池电芯单体能量密度已经达到了160Wh/kg，并计划于2023年达成量产。未来成本更低、资源更丰富的钠离子电池，将成为新能源电池产业发展的新方向。
（二）材料：高能量密度承载、高可靠性进化
三元正极材料的发展趋势为高镍化。正极材料开发主线为能量密度提升，高镍材料随着镍含量增加，材料实际放电比容量由160mAh/g提高到200mAh/g以上，能量密度显著提高，因此高镍正极得到快速发展。磷酸锰铁锂有望成为磷酸铁锂的重要升级方向。磷酸锰铁锂(LMFP)属于LFP与MP相结合的产物，由于LMFP兼具磷酸锰锂及磷酸铁锂的优点，具有高安全性和稳定性，LMFP理论能量密度比LFP高15-20%，且两者成本无明显差异。但LMFP目前仍需克服循环寿命较短、充放电能力较差的问题，才能得到进一步发展。硅基负极成为负极材料前进方向。负极材料研发趋势为低成本、高能量密度，石墨负极仍为现阶段主流，硅碳混合负极材料、纯硅负极材料为主要研发方向。据高工锂电统计2022年石墨材料及其一体化项目拟新建产能同比增长超1.5倍。硅基材料及其一体化项目拟新建产能同比增长近3倍，与石墨材料相比虽然硅基材料市场体量较小，但增速较快。硅基负极相比石墨负极具有更高的比容量，有望成为理想的下一代负极。隔膜应用涂覆技术将成为行业趋势。湿法隔膜在实际应用中仍存在稳定性不足等缺陷，而涂覆手段则可以有效增强隔膜的热稳定性和机械性能。实验表明未经涂布的PE隔膜在145℃下热处理30分钟，热收缩率为63.5%，而经6μm氧化铝涂层涂布的PE复合膜同等条件下收缩率降至12.7%。同时涂覆材料还可以提高隔膜的抗穿刺能力以及浸润性，可有效提高电池的安全性和使用寿命。目前，三元动力电池已基本全部采用隔膜涂覆技术，LFP电池的涂覆比例在60%左右且对涂覆技术的应用逐步提升。双氟磺酰亚胺锂盐有望逐步替代六氟磷酸锂盐成为电解液的主要溶质。六氟磷酸锂盐存在低温下易结晶、热稳定性差等缺陷。双氟磺酰亚胺锂盐（LiFSI）相比六氟磷酸锂盐作为电解液溶质具有更好的低温放电和高温性能保持能力、更长的循环寿命、更高的放电性能及安全性能。动力电池高镍化、高能量密度、高电压的趋势出现，对于电池高温性能、循环寿命、导电性能提出了新的高要求，促使LiFSI等新型溶质逐步被采用。固态电解质或成为电解质演变发展的重要方向。目前固态电解质主流技术路线分别为聚合物、氧化物和硫化物，许多无机电解质材料不可燃，聚合物固体电解质存在一定可燃风险，但相较于电解液安全性大幅提高，电化学稳定窗口能达到5V以上，可匹配高性能电极材料。但固态电解质目前仍存有成本高、电导率低，倍率性偏低，内阻较大等技术难题亟待攻克，未来随着固态电池技术不断革新，固态电解质有望迎来广阔发展空间。
（三）工艺：做大电池电芯，推动系统集约化
动力电池制造工艺的改善可以一定程度上提升点电池的性能，目前各大电池厂商主要从做大电池容量电芯与推动电池系统集约化两个方面优化动力电池制造工艺。做大容量电芯主要是通过改变电芯的形状结构如长条型方形电芯、大圆柱电池，以减少电芯附属件对电池整体能量密度的影响。电池系统集约化主要为去掉冗余零件、功能及繁杂工艺，如 Cell To PACK（CTP）技术，将电芯直接集成到电池包，省去电池模组组装环节，降低动力电池的制造成本，有效提高电动车的续航里程和经济性。 Cell to Chassis（CTC）技术，将动力电池电芯、有关组件和底盘进行集成，进一步降低制造成本，提升新能源车续航表现。
[1] 数据来源：乘联会
[2] 数据来源：钜大锂电、高工锂电、头豹研究院，中关村产业研究院整理
[3] 数据来源：中国乘联、EVTank，中关村产业研究院整理
[4]数据来源：SNEResearch、蜂巢能源招股说明书，中关村产业研究院整理
[5]数据来源：SNEResearch
[6]数据来源：中国地质调查局《全球锂、钴、镍、锡、钾盐矿产资源储量评估报告(2021)》
[7]数据来源：Choice金融终端
