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锂电池材料特性与性能的深度关联

摘要： 本文深入探讨了锂电池中正极材料、负极材料、电解液和隔膜等关键材料的特性对电池性能的多方面影响。通过详细分析这些材料的性质特点，揭示了它们如何决定电池的放电容量、循环寿命与安全性等关键性能。旨在为锂电池的进一步优化和发展提供全面的理论基础参考。

一、引言

为了满足日益增长的能源需求以及提高电池的性能和安全性，理解锂电池材料特性与其性能之间的关系显得至关重要。

二、正极材料特性对锂电池性能的影响

（一）放电容量的决定性因素

正极材料的比容量是决定电池整体放电容量的关键之一。例如，当正极材料的比容量提高 50%时，电池的功率密度能够显著提高 28%。锰酸锂作为一种早期的正极材料，具有成本低、合成简单的优点，但相对较低的比容量限制了其在高能量密度需求场景中的应用。

（二）循环寿命的影响

三元材料由于其在容量和循环性能之间的较好平衡，逐渐成为许多锂电池的首选正极材料。三元材料的结构稳定性在长期充放电过程中也面临挑战，这会影响电池的循环寿命。

（三）安全性考量

磷酸铁锂以其出色的热稳定性和安全性能而受到关注。但其相对较低的电压平台和比容量，需要在能量密度和安全性之间进行权衡。

三、负极材料特性对锂电池性能的影响

（一）石墨材料的局限性

目前广泛使用的石墨负极材料，虽然具有良好的循环性能和较低的成本，但其理论比容量相对较低（约为 372 mAh/g），限制了电池能量密度的进一步提升。

（二）硅基材料的突破与挑战

硅基材料由于其极高的比容量（约为 4200 mAh/g），被视为极具潜力的下一代负极材料。硅在充放电过程中巨大的体积变化（约 300%）会导致电极结构的破坏，从而缩短电池的循环寿命。

（三）改善硅基材料循环寿命的研究方向

目前的研究重点在于通过设计纳米结构（如纳米线、纳米球等）、构建复合电极（与石墨或其他缓冲材料复合）以及优化电解液组成等策略，以减轻硅的体积膨胀效应，提高硅基电极的循环稳定性。

四、电解液特性对锂电池性能的影响

（一）有机溶剂的关键作用

有机溶剂的选择直接影响电解液的电导率、溶解性和稳定性。例如，碳酸乙烯酯（EC）具有较高的介电常数，有助于盐的解离和锂离子的传输，但低温性能较差。

（二）盐类的影响

常见的盐类如六氟磷酸锂（LiPF₆）具有较高的离子电导率，但热稳定性稍逊。新型盐类如双氟磺酰亚胺锂（LiFSI）在热稳定性和离子传输方面展现出更优异的性能，但成本相对较高。

（三）优化电解液性能的策略

通过混合不同有机溶剂以改善电解液的综合性能，以及开发新型盐类和添加剂，是提高电解液性能、延长电池循环寿命和增强安全性的重要途径。

五、隔膜特性对锂电池性能的影响

（一）隔膜的基本功能

隔膜不仅要实现正负极的物理隔离，防止短路，还要具备良好的电解质离子透过性能，以确保锂离子的顺畅传输。

（二）隔膜材料的选择

常见的隔膜材料包括聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP），它们具有较好的化学稳定性和机械强度。这些材料的孔径分布和孔隙率对离子传输和电池内阻有显著影响。

（三）新型隔膜的发展趋势

为了满足高性能锂电池的需求，研发具有更高孔隙率、更好热稳定性和更均匀孔径分布的新型隔膜材料，如陶瓷涂覆隔膜和聚酰亚胺基隔膜，成为当前的研究热点。

六、综合考虑材料特性以平衡锂电池性能

（一）能量密度与循环寿命的平衡

追求高能量密度往往需要采用高比容量的正负极材料，但这可能会牺牲部分循环寿命。因此，在材料选择和电池设计中需要找到最佳平衡点。

（二）安全性的保障

材料的热稳定性、化学稳定性以及电解液的阻燃性能等都是保障锂电池安全运行的重要因素。通过优化材料组合和设计安全防护机制，能够有效降低电池热失控的风险。

（三）成本与性能的权衡

高性能的材料往往伴随着较高的成本。在实际应用中，需要根据具体需求和市场接受程度，在成本与性能之间进行合理的取舍。

七、结论

锂电池的性能是由其内部各个材料的特性共同决定的。正极材料、负极材料、电解液和隔膜的性质相互关联、相互影响，共同塑造了电池的放电容量、循环寿命、安全性和成本等关键性能指标。未来的研究和发展方向将致力于优化现有材料的性能、开发新型高性能材料以及实现更合理的材料组合与电池设计，以满足不断增长的能源存储需求。深入解析和理解这些材料特性对性能的影响，无疑将为锂电池技术的持续创新和突破提供坚实的理论基础和实践指导。

文章来源：锂电池技术知识平台

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锂电材料盘点！火爆还能维持多久？谁将逆袭？

最近，锂电池材料圈里，最常听到的两个词就是——“涨价”、“缺货”。

自去年下半年疫情恢复后，新能源车一直保持超高速增长，过去的1~5月，新能源车产销双双超90万辆，同比增速均超过200%，预计全年能达到230万辆。

下游需求端的持续火热，直接导致上游两大产业链供应紧张，分别是车载芯片和锂电池材料。

“缺芯”就不多说了，从年初开始持续到现在，影响波及全球，导致众多车企焦虑不安，停工停产的消息也是不绝于耳。

动力电池这边，情况相对好一点，各大电池厂直接产能拉满，共同贡献了超过40GWh的装车量，没有给车企拖太多后腿。

然而往上看，锂电池原材料这块就有点难顶了。

上游碳酸锂、磷酸铁锂、电解液（六氟磷酸锂、VC溶剂）、铜箔由于供需失衡，从去年下半年开始，便开启了涨价模式。

这里再简单介绍下，动力锂电池由正极、负极、隔膜和电解液构成，成本占比分别为44%、19%、12%、12%左右。

其中，正极是动力电池的核心，三元正极和磷酸铁锂正极因不同的物理及化学结构，导致性能差异，决定了二者不同的应用场景和范围。

三元正极材料价格上涨主要受到上游钴锂涨价的带动，电池级碳酸锂由单吨4万元涨至9万元，区间涨幅达125%。

磷酸铁锂正极从20年9月最低3.2万元上涨至目前最高5.25万元，涨幅超过50%，主要由于碳酸锂涨价，以及磷酸铁锂电池持续火热导致需求量大增。

今年5月，磷酸铁锂电池的出货量已经超过三元电池，不排除在全年产量上，磷酸铁锂最终逆袭超越三元。

不过，跟电解液相比，上面的材料在涨价方面只能算小儿科。

电解液的核心材料六氟磷酸锂（六氟），占电解液成本比重高达50%，自去年三季度后价格一路飙涨，报价从底部8万元/吨升至35万元/吨，创下近4年新高，涨价速度就跟坐火箭一样。

生产1GWh电池需要1100吨电解液，而电解液与六氟的配比约为8：1，即1GWh电池大约需要140吨六氟，以此推算，一季度新增的电池产能就将拉动4.5万吨的六氟需求。

目前，六氟行业库存已经探底，部分生产企业持续满产，订单也已经饱和，行业开工率超过八成。

到9月份传统生产旺季，六氟的价格预计还将上涨，达到40万元/吨，接近16年的顶点水平。

而另一块影响电解液产能的VC溶剂，价格也已上涨至27万元/吨，较去年市场均价的15万元增长了80%，一度出现断供的局面，后面很多中小电解液企业可能拿不到货。

按目前的情况，以上材料，下半年还将维持紧缺或紧平衡的状态。

电解液由于扩产周期长，六氟紧缺的情况短期内难以缓解，可能延续至2022年上半年，带动电解液价格继续强势。

正极方面，电池级碳酸锂和磷酸铁锂需求旺盛，产能释放缓慢，正极材料价格也将维持高位。

动力电池生产环节，材料成本约占80%，工费成本约20%。

上游材料疯狂涨价，各电池厂表示压力很大，一季度由于库存原因，受到的影响相对有限，但二季度开始，随着低价原材料库存出清，电池厂的毛利率肯定会有明显下滑。

在销售端，电池厂想通过涨价来转移成本的方式较为困难，但头部企业总有办法，宁德、亿纬、国轩等企业纷纷通过技术优化、拓展产业链等形式来降低成本。

宁德财大气粗，降本的方式最直接，就是买买买，直接或间接参股的上游材料企业超过20家，涉及领域包括锂、钴、镍，碳酸锂/氢氧化锂、正负极材料、电解液及添加剂等。

针对这次电解液涨价，宁德的解决办法更是壕气十足，直接预付6.75亿给天赐材料，锁定了1.5万吨电解液。

今年4月，公司公告计划对产业链优质上市公司投资不超过190亿，准备进行垂直一体化布局，打造一方电池王国。

“二线”大哥亿纬锂能，虽然财力上比宁德差点，但也在通过扩大“朋友圈”的方式来降本提效。

5月份，亿纬锂能宣布子公司与贝特瑞、SKI设立合资公司，确定了5万吨高镍三元正极的年产量。

此前，亿纬还与德方纳米成立合资公司，保证了磷酸铁锂正极供应；18亿元入股华友钴业，加码高镍正极和三元前驱体。

“技术流”玩家国轩高科不光在电池能量密度上不断突破，对产业链的布局也非常深入，除了四大材料，还开展了电池循环回收业务。

前几天，国轩在肥东的电池材料基地正式开工，总投资120亿元，计划建设年产10万吨负极材料产线和20万吨磷酸铁产线，目标实现对自己100GWh电池产能的供应。

对电池厂而言，最大的诉求是上游供应链稳定，未来都是上百GWh的产能，上游随便出个幺蛾子，搞得停产停工，损失难以估计。

因此，为了紧跟电池厂扩张步调，材料企业也在积极部署产能扩张，争取拿到头部企业的订单。

原材料涨价，对原料成本占比高、成本加成定价的环节影响更加正面，比如正极、电解液，二者原材料成本占比均为90%左右，可以通过产品涨价来覆盖原料涨价，因此在本轮涨价行情中更加受益。

正极材料

之前的文章中也提到，动力电池目前两大确定性路线是高镍三元和磷酸铁锂，前者主打高续航，后者主打安全、性价比。

以此为区分，正极材料也分成三元和铁锂两大阵营，2020年全球动力电池所需正极材料合计为27万吨，三元正极材料需求为18.3吨，磷酸铁锂正极材料需求为8.7万吨，比例大概为2：1。

在今年双方的交锋中，三元处于下风；CTP、刀片技术改善了铁锂的能量密度后，选择铁锂电池的车型也越来越多，甚至包括了中高端车型，比如比亚迪汉EV、特斯拉Model 3、小鹏P7等等。

当续航能达到400~600公里的时候，铁锂电池真正痛点似乎只剩下低温表现差这一项了。

不过，主流铁锂电芯能量密度已接近极限，未来降本空间主要取决于规模效应及原材料单价下降。

而需要看到的是，三元正极仍处于技术迭代上升期，能量密度不断提高。

1.三元正极

2020年，三元材料市场集中度逐年小幅提升，CR5达到52%，容百科技继续蝉联第一，产量超过2.5万吨，天津巴莫、长远锂科分列二三名。

三元电池中，镍、钴、锰等金属含量配比决定了正极材料的不同性能，如何平衡效率、安全、成本是三元技术路线的重要议题。

正极材料价格主要由原材料价格决定，而其中，钴价对于成本的影响最大。

全球钴资源都非常稀缺，探明储量仅750万吨，超45%还集中在局势动荡的刚果（金），国内储量仅占1%，高度依赖进口。

此外，钴价走势周期性明显，供需经常出现缺口，价格起伏很大。

而镍价格相对稳定，基本在8-13万元/吨之间，多用于不锈钢合金，动力电池需求对其影响小。

从成本和供应稳定两方面考虑，高镍低钴路线是目前三元正极的最优解。

2020年，国内高镍三元正极材料（NCM8系及NCA）渗透率迅速提升，三元正极出货23.6万吨，其中高镍正极出货5.19万吨，占比达到22%，比19年提高了9个点。

相对于低镍材料，高镍材料的生产流程更为复杂，8系高镍制造费用比5系高近一倍，对公司技术和成本控制的要求更高。

目前各大材料企业都在积极布局高镍产能，2021年底产能释放后，正极的竞争格局也会发生改变。

高镍这一块，目前优势最大的是容百科技，技术布局全面，成功实现大规模量产，未来的产能规划也最高。

容百是宁德高镍正极的主要供应商，去年NCM811材料销量翻倍，今年Q1的增长维持了高速增长。

容百贵州10万吨和韩国7万吨高镍正极材料项目都已经陆续开工，预计明年底建成，产能爆发会在2023年。

传统龙头当升科技这边，高镍的进展就慢很多了，2020年811材料的销售额仅占15%左右，产能扩张上也明显不如容百，在市场对高镍材料将不断渗透的预期下，当升的股价走势相当疲软。

除了技术更迭，三元正极另一大特点是原材料成本占比高，行业整体毛利率低，基本维持在15%左右，很难拉开差距。

为了降本，正极龙头也在搞一体化布局，拓展三元前驱体和电池材料回收业务。

格林美、华友钴业在前驱体、钴镍资源、材料回收业务均有布局。

格林美很早就攻克了高镍NCA&NCM811前驱体制造技术，目前拥有13万吨产能，2020年产量仅次于中伟股份，排名国内第二。

高镍前驱体毛利很高，预期会拉高格林美的整体毛利率，此外，格林美4月份还跟全球第二大NCA生产商韩国ECOPRO签订了35万吨高镍前驱体订单，销路不愁。

镍资源方面，格林美通过青美邦项目保证了材料供应，可以安心走高镍路线。

华友钴业目前正在转型，从传统资源型企业向成长型材料企业转变。

5月份，华友钴业宣布向杭州鸿源购买其持有的巴莫科技38.6175%的股权，加上华友控股的表决权，实现对巴莫科技的控制。

巴莫是国内高镍正极龙头，高镍领域市占率位居国内第二，2020年市占率36%，仅次于容百科技；而在2021Q1，三元正极市占率上，巴莫超过容百排名第一。

6月份，华友钴业又准备发行可转债，募资76亿元用于高镍正极、三元前驱体的建设，预计在2023年可以建成。

此外，华友还和好基友亿纬锂能一起完成了对印尼红土镍矿的布局，锁定原料供应。

总体上，三元正极的竞争非常激烈，各大企业都瞄准市场红利，做出扩产动作。

2021年以来，包括容百科技、当升科技、振华新材、科隆新能、厦钨新能等三元正极材料企业扩产规划、项目开工均提上日程，项目总投资合计近108亿元。

杉杉股份、优科美也通过抱紧巴斯夫大腿，增强在技术、产能、市场上的竞争力。

三元正极的格局还不太清晰，必须抓住两大重点——高镍化和一体化 ，高镍正极材料出货量容百科技领先，一体化布局格林美、华友钴业更加全面，当升科技则是传统龙头。

正极企业普遍毛利不高，优先关注企业盈利水平的改善，格林美、华友钴业Q1的毛利率环比都有不小提升，随着一体化布局的深入，成本优势预计会更加明显。

目前两家企业估值上都不算太贵，产能和ROE也在不断提高，可以多多关注。

2.磷酸铁锂正极

相比于三元正极，铁锂这边的竞争格局就要清晰得多。

德方纳米优势明显，凭借其独特的液相法优势和与大客户宁德时代的绑定，18年开始就成了行业第一。

宁德2020年在磷酸铁锂电池的市占率接近6成，德方纳米作为一供，供应了其一半左右的正极材料。

产能利用率上，德方纳米也一直优于行业平均水平，扩产需求明显。

老二贝特瑞为了聚焦负极和高镍三元正极业务，把磷酸铁锂正极业务卖给了龙蟠科技，龙蟠凭此收购加码锂电业务，贝特瑞产能加上自建产能，2021年产能合计可达到7万吨。

除了传统龙头，一堆搞钛白粉的化工企业也开始涉足磷酸铁锂正极领域，包括中核钛白、龙蟒佰利、安纳达等等。

由于钛白粉生产过程中产生的废酸、硫酸亚铁可成为磷酸铁锂的生产材料，因此钛白粉企业生产铁锂正极有天然的成本优势。

由于需求过于旺盛，铁锂正极的相关企业也开始了疯狂扩产，去年Q4以来总共有6家公司宣布了扩产或开工项目。

其中，最激进的要属钛白粉老二中核钛白，50万吨的产能规划比德方还高，当不成钛白粉老大就想当铁锂正极老大。

目前，在传统企业中，德方纳米规模和成本优势明显，不过几家化工企业进入后，会加剧行业竞争。

中核钛白、安纳达由于产能没有释放，估值上还未摆脱化工股的影子，随着项目逐渐投产，大概率会有个估值爬升的过程。

电解液

上半年，整个锂电池乃至新能源车产业链中，电解液都是最吸睛的那一个。

由于供需严重失衡，电解液核心材料六氟（六氟磷酸锂）价格创下四年新高，直奔40万元/吨大关。

另外，VC添加剂自去年Q4开始供应紧张，今年已经出现了明显的缺口，上半年也没有新的产能投放，缺口预计会进一步扩大。

下半年，六氟方面预计会有部分产能释放，供应稍微有所缓解，而VC添加剂可能成为整个锂电池放量的瓶颈。

2020年的市场占有率上，天赐26.8%排第一，新宙邦14.5%排第二，国泰第三。

去年电解液市场给人的感觉还是天赐材料和新宙邦双龙头格局，结果新宙邦拉胯严重，天赐的领先优势开始变大。

在新型锂盐LIFSI被广泛使用前，六氟依然是电解液的核心材料，二者的价格走势基本一致。

现状是，谁有六氟产能，谁就牛逼。

国内企业中，天赐的六氟产能最高，不过基本以自用为主，然后是多氟多、九九久、天际材料、石大胜华等，最近相关公司股价也跟着六氟价格水涨船高。

六氟扩产周期一般是一年半左右，目前价格可能维持到明年1季度。

天赐和多氟多预计在今年3季度会分别投放2万吨和5千吨产能，略微缓解供需紧张的情况。

短期来看，如果六氟价格继续上涨，那么多氟多、石大胜华、天际股份的股价应该还有上升空间；

但如果六氟价格横盘，或者出现小幅下降，那肯定也会反映在公司的股价上。

长期来看，电解液领域应该投资天赐材料这种一体化公司，6月17日，天赐宣布计划自筹资金10.5亿元，在安徽建设六氟项目，2023年投产后公司总产能超过9万吨。

由于自给比例高，六氟价格波动对天赐的成本影响较小，总体材料成本会比同行低6%~8%，今年Q1天赐的毛利率也成功超过老对手新宙邦。

行业老二新宙邦、老三江苏国泰目前六氟都需要外购，未来电解液的产能规划也比不上天赐，在一体化和规模优势面前，差距只会越拉越大。

不过，这次六氟涨价也加速了其替代品——“新型锂盐LIFSI”的发展，正极高镍趋势下，电解液会用到更多的LiFSI。

之前由于技术难度大、成本高，LiFSI尚未直接用作溶质锂盐，而是作为溶质添加剂与六氟混用，随着规模化生产及大幅降本的实现，LiFSI将逐步替代六氟。

而在新型锂盐的布局上，天赐也同样领先于竞争对手。

六氟具备成本优势，自给比例高；新型锂盐LiFSI技术路线布局完善；布局锂盐、溶剂、添加剂以及正极原材料。

天赐材料同时拥有以上优势，是电解液行业确定性最高的公司，具备长期投资价值，但短期不建议追高。

紧跟电池厂的扩产脚步，上游四大材料——正极、负极、隔膜、电解液，也开始了疯狂扩张模式。

目前这个阶段，对锂电池产业公司未来市占率、行业竞争力影响最大的因素就是产能，所以各家都在玩命的投资、扩产。

近期扩产的项目，会在22、23年陆续投产，到那时才是各大公司业绩爆发的时候，对应着当前的高股价预期。

无论从电池厂，还是材料厂的扩产计划来看，未来产能过剩都是一个大概率事件。

以2025年为节点，行业产能集中释放后，很可能在23、24年就出现局部产业过剩的情况，比如上文提到的磷酸铁锂正极和六氟。

整个锂电池产业链的份额都在往头部集中，目前格局已经趋于明显，正极、负极市场较大，竞争也更激烈，但龙头基本确定；

隔膜、电解液相对清晰，恩捷股份和天赐材料优势不小。

如果把2025年看做中期节点，2030年看做长期节点，以上公司的发展才刚刚开始。

由于还在发展初期，很多小体量公司随便发布个几万吨、几GWh的产能计划，就能因为高业绩弹性引起短期股价剧烈上涨。

但到产能过剩的时候，这些公司就是被去产能的命，没有长期投资价值。

强者只会恒强，在基本面不发生重大改变的情况下，龙头的价值会越来越高，比如宁德、比亚迪、恩捷股份、天赐材料、德方纳米等等。

锂电池产业链目前最大的选股逻辑是规模化和一体化，能在这两块做好的公司，才值得长期持有。

锂电池材料性能锂电池材料特性与性能的深度关联

锂电池材料特性与性能的深度关联

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