锂电池含多少锂锂电池到底需要多少锂？|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

锂电池到底需要多少锂？

随着电动汽车的快速发展，锂资源的价格瓶颈日益突出，2022年碳酸锂的价格最高来到了60万元/吨，是2021年初5万/吨的12倍。进入到2023年，碳酸锂的价格依然像过山车一样，从年初的每吨50多万一路下跌到4月的20万，然后又开始反弹到30万，与之相匹的动力电池价格也随锂盐价格的波动而波动。那么锂电池到底需要多少锂，这些锂主要在哪些材料中？未来电动化普及以后对于锂的需求到底有多大，与锂盐价格相关的锂金属电池以及全固态电池的前景如何，本文带您分析。

一、锂离子电池含锂量分析

目前主流的动力电池都是锂离子电池，并且采用液态电解液，针对这一体系，其主要成分的分析如下图所示。其中正极材料是锂的主要载体，无论是最早的钴酸锂(LiCoO2),还是动力上常用的三元(LiNixCoyMn1-x-yO2)或者磷酸铁锂(LiFePO4),其分子中都含有1mol的锂。而且正极材料在整个电芯中的占比也是最大的，一般在35~45%之间，所以说电池中锂的主要来源就是正极材料。除此以外，因为要实现锂离子的传输，电解液中也必须含有锂离子，但要注意的是，目前的电解液相对较稀的溶液，锂盐的浓度大约在1~1.2mol/L之间（在这个浓度区间锂离子电导率最高），其主要成分是溶剂并不是溶质。除此之外，其他主要成分并没有锂，包括常用的石墨或者硅负极，隔膜，导电碳，以及铜铝箔等。所以说针对锂离子电池，只需考虑正极材料以及电解液中的锂。

但锂在这两者中的分布并不均匀，大部分来自正极材料，少部分来自电解液中的锂盐(LiPF6)。针对三元电池 ，以某45Ah左右铝壳高功率电芯的设计来计算，其正极NCM523材料含锂大约是2.82mol,电解液溶质LiPF6含锂大约是0.113mol.电解液含有的锂只占正极材料的4%左右。这里面的计算主要根据正极材料克容量发挥:该款电芯充电到4.35V,正极克容量发挥为165mAh/g,实现45Ah需要正极材料以及锂的摩尔数为45*1000/165/96.55=2.82mol。

计算电解液含锂量可以依据保液量（业内常用保液系数这个参数，可通过增加压实密度，降低孔隙率来减少）来估算，一般高功率三元电芯可做到保液系数3g/Ah，那么45Ah电芯注液量为135g左右。电解液密度密度1.2g/cm3,浓度1mol/L时，电解液中锂含锂为0.113mol.如果按照电解液中的锂是正极材料的4%来计算单位Wh的含锂量，电芯总能量3.73V*45Ah=167.85Wh,总含锂量为2.82*1.04=2.93mol*6.94g/mol=20.33g,单位Wh含锂量为20.33/167.85=0.121g/Wh.按照乘用车50kWh的带电量来计算，单车所需的锂为6.05kg。

对于磷酸铁锂电池 而言，计算方法是类似的，但LFP克容量发挥比三元要低，最高也就150mAh/g左右，假设是45Ah电芯，其正极材料的摩尔数为 45*1000/150/157.76=1.9mol, 锂的含量也是1.9mol。只不过保液量会有所增加，假设是按照3.5g/Ah计算(目前高能量的LFP能做到3.2g/Ah了，一般在3.2~3.6之间)，电解液含锂量为 45*3.5/1.2*1mol/L=0.13mol, 占LFP正极的比例约为6.8%。可见LFP消耗的电解液跟三元比是更多一些的。不过LFP电芯的总能量45*3.2=144Wh,假如按照电解液占7%的含锂量计算，总含锂量1.9*1.07=2.033mol=14.11g.单位Wh含锂量为14.11/3.2/45=0.098g/Wh.按照乘用车50kWh的带电量来计算，单车所需的锂为4.9kg.

从上述计算结果可知，单位Wh的用锂量磷酸铁锂（LFP）是要比三元更优的，这主要是因为LFP对于锂的利用率更高一些. LiFePO4理论克容量是170mAh/g左右，而实际发挥的容量可达150mAh/g,是理论容量的88%左右。相比之下，三元材料的理论克容量275mAh/g左右，上面计算的NCM523发挥的容量才165mAh/g,是理论的60%左右，可见三元材料中的锂有40%都没有充分利用，这一点跟铁锂比是很大的劣势。如果改成NCM高镍8/9系，克容量发挥能达到215mAh/g的话(实际很难达到)，其锂的利用率可达78%左右，再加上保液量下降的趋势，其单位Wh锂的用量是可以小于LFP的。

所以说从资源的角度来看，LFP成为主流会更加节约锂资源，有利于支持电动汽车的大规模推动（不过辩证的看，LFP回收价值很低，又不利于可持续发展，除非循环寿命做到很长，这也是目前储能和动力LFP电池追求的方向）。目前的中镍高电压材料并没有充分利用材料中的锂，存在较多的浪费。而高镍的8/9系配合高压实低保液的设计其对于锂的利用率才能与LFP相媲美，欧美企业近些年非常热衷高镍三元的发展，这其中与提高锂的利用率，促进资源可持续发展密不可分 。而国内使用中镍高电压主要是成本考量，这也是国内电池笑傲全球产业链的优势所在。

二、新型电池体系的含锂量分析

通过上述分析可知，目前主流的锂离子电池中锂的主要来源是正极材料，少量在电解液中。且随着镍含量的提高，比能量的增加带来的少液化和贫液化的思路，电解液的含量也越来越少。但如果是采用锂金属电池或者固态电解质的话，情况就不一样了。

2.1 锂金属电池

以目前SES（麻省固能）的锂金属电池为例，采用高镍8系或者9系作为正极材料，其克容量发挥可以达到215mAh/g,因为采用了超高容量的锂金属作为负极，如果简单按照其正极材料质量占比接近50%计算的话，其电芯比能量可达215*3.75*50%=403mAh/g,但实际上其45Ah左右(实际为50Ah)的电芯比能量仅为357Wh/kg(参考2022年一些电池技术的进展总结),主要是因为采用了中高浓度的电解液缘故(目的是抑制锂枝晶)。

其电解液LIFSI浓度为3~5mol/L,我们就取4mol/L进行计算，由于其浓度增加，密度也会变大，大约在1.6g/cm3。好在锂金属电池的保液量由于没有了多孔石墨负极的影响可以下降很多，假设为1.5g/Ah,我们还按照45Ah电芯来计算，则需要67.5g的电解液，其含有的锂为0.169mol（主要原因是4M的电解液浓度偏大）,而正极材料为2.15mol,占比接近8%，比液态中的4%多了很多。其次，锂金属也会额外增加锂的用量，即使假设为1:1的极低比例，锂的用量相比锂离子电池也提高了一倍。在目前锂盐价格高企的情况下，这会显著增加锂金属电池的BOM成本，即使不考虑工艺成本，单从锂盐成本看就翻倍了。（事实上，超薄锂金属一直是业内需要解决的问题，其工艺成本并不能忽略 。

这是由于锂的克容量高达3800mAh/g,在正极容量215mAh/g，面密度460g/m2情况下，正极面容量为4.945mAh/cm2；所需金属锂的单面面密度为1.3mg/cm2，锂的密度很低为0.534g/cm3,计算得到锂的厚度为24µm。现实中商业可获得的锂箔厚度通常在50μm以上且难以再通过机械加工减薄，所以说SES也要跟供应商一起合作开发超薄超宽锂箔的相关工艺。学术文章上也有通过化学减薄剂来实现15µm锂箔的，感兴趣的可参考Facile, Atom-Economic, Chemical Thinning Strategy for Ultrathin Lithium Foils, Nano Lett. 2022, 22, 7, 3047–3053）

2.2 全固态电池

除此之外，固态电池由于固态电解质的使用，其锂含量也会有所增加。我们以最近很热门的电导率高达32mS/cm的硫化物固态电解质为例(具体可参考今日重磅Science：新型固态电解质实现32mS cm-1超高室温离子电导率！瞄准全固态电池实际应用！)，其分子式为Li9.54[Si0.6Ge0.4]1.74P1.44S11.1Br0.3O0.6(暂且不管是否容易批量合成)，相对分子质量为580.23g/mol.理论密度在2.0g/cm3附近（按照LGPS材料估算，如果材料结晶差，实际密度可能会小一点）。

假设其采用高镍三元，孔隙里全部填充固态电解质，通过上面的分析可知液态电解液占用的总体积为45*2.5/1.2=93.75cm3（备注：理论上液态电解液会填充隔膜孔隙的体积，一般在50%左右。固态电池利用固态电解质本身作为隔膜，占据100%，我们姑且认为其总体积一样）。这样固态电解质总质量为93.75*2=187.5g,所需锂的摩尔数为 187.5/580.23*9.54=3.083mol, 要知道正极材料的含锂量才2.15mol, 电解质中锂的含量居然比正极还要多，惊不惊喜，意不意外？

对于固态电池质，大家总是在关注离子电导率，关注界面电阻，但却很少有人在意其中的含锂量。其实对于大部分固态电解质而言，尤其是电导率高的，材料中锂的浓度是很高的（毕竟要导锂离子） ，以上述32mS/cm的改进型LGPS为例，其锂的浓度为1000*2/580.23*9.54=32.88mol/L,要知道目前常规液态电解液中锂的浓度才1~1.2mol/L,这款硫化物固态电解质中锂的浓度简直逆天的高。所以不能只看其高达32mS/cm的电导率，在目前锂盐价格30万/吨的情况下，超过32mol/L的浓度会严重制约其大规模应用。所以说很多企业也在研究针对硫化物的无负极电池，来降低电解质的用量(比如珠海高能时代)。

追溯历史，这一轮锂金属电池和固态电池的研发是在2020年就兴起了的，那时候锂盐价格才5万/吨，多用点锂影响不大。而随着锂盐价格的高位徘徊，目前来看锂金属和全固态两种技术方向成本都太高昂，而且还有很多技术问题要解决，真正规模量产的道路还很漫长。就像CATL吴凯总说的那样，丰田在2027年也不一定能规模量产全固态电池，即使量产了，成本也不可能减半。

三、锂资源够用吗？

通过上述分析可知，针对LFP以及高镍三元类电池，每kWh需要的锂大约为0.1kg,对应的碳酸锂当量为0.53kg左右。在价格为30万每吨时，每度电BOM成本约为159元；对于锂金属电池和全固态电池，锂的用量基本都要翻倍，达到320元以上。再加上工艺制程的复杂以及还未形成规模经济，目前的锂金属电池和全固态电池成本至少是锂电池的2~3倍。在关注成本的同时，业内更在意的是长远来看锂的储量能否支撑全世界汽车的电动化发展。

在云上宜宾高端论坛上，欧阳明高院士提到，如果把全球8000万辆乘用车都替换成锂电池，按照每辆50kWh来计算，一共是4000GWh.考虑到其他车辆的电动化，行业估计到2030年，全球动力电池装机量为4500GWh(从云上宜宾-高端对话看储能和钠离子电池)，那么每年所需要的锂资源是4500*1000*1000*0.53/1000=238.5万吨（碳酸锂当量），作为参考，2022年我国碳酸锂消费量约为50.5万吨，世界占比约为80%，那么总消费类为63万吨。2030年的需求是目前的4倍左右，届时全球碳酸锂储量是否够用呢？

正好在7月8日，自然资源部中国地质调查局全球矿产资源战略研究中心发布了《全球矿产资源储量评估报告2023》，里面提到全球锂矿（碳酸锂当量）储量13488万吨，资源量38852万吨。如果按照13488万吨的储量来计算，可支持使用56.5年。要知道锂资源是可以回收利用的，一般电动汽车以及储能系统的寿命也就20年，而且后续随着技术进步，可开采的资源量也会不断攀升，所以锂资源是足够支撑电动汽车行业发展的。报告中也提到了全球锂资源储量丰富，是不存在资源瓶颈的。

但值得一提的是，报告中反馈镍、钴、铜等资源的保障程度较低，需进一步加大勘查力度和资金投入。考虑到三元电池中对镍和钴的需求较大，可尽量减少这两种金属的使用以避免资源瓶颈，这样来看发展磷酸铁锂LFP以及磷酸锰铁锂LMFP是非常有必要的，毕竟铁锰磷等资源都是十分丰富的，而且价格也很低廉。

小结: 从目前的数据分析来看，针对LFP以及高镍三元类电池，每kWh需要的锂大约为0.1kg,对应的碳酸锂当量为0.53kg；而中镍高电压材料由于锂的利用率低下，需要更多的锂，每kWh在0.12kg左右，对应的碳酸锂当量为0.636kg。但世界范围内碳酸锂的储量是够用的，足够支持电动汽车行业的发展，短期内锂盐价格的高位震荡主要是供应失衡所致。后续随着广期所碳酸锂期货交易的上线和供应的回升，碳酸锂的价格有望企稳下降，实现国家领导和行业专家预测的10~20万/吨的合理价格区间。

在目前锂盐价格30万以上的现实下，锂金属电池以及全固态电池的成本过于高昂，短期内在动力电池市场的应不容乐观。LFP电池由于高安全，低成本以及高带电量等优势依然是动力电池的中流砥柱。不过超高比能500Wh/kg的电池依然值得研究，这是航空器电动化的重要方向，可助力锂电池征服浩瀚的长空(500Wh/kg锂电池的技术路径与前景)。而对于动力电池领域，半固态电池由于沿用了液态的体系，只是添加了少量的含锂固态电解质，但减少了液态电解液的量，整体上对锂的需求相对平稳，其材料成本提高幅度不大。后续会结合蔚来汽车的360Wh/kg半固态电芯进行分析，敬请期待。

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锂电池容量计算方法及其他参数

一、锂电池容量

锂电池容量是指锂电池能够存储的电量，通常以毫安时（mAh）为单位表示。这个值表示电池在满电状态下可以提供的电流，例如一个1000mAh的锂电池可以提供1A电流持续1小时。

二、锂电池容量的计算方法

锂电池容量的计算方法是根据电池的额定电流和使用时间来计算的。具体的计算公式如下：

容量（mAh）= 额定电流（mA）× 使用时间（小时）

例如，如果一个锂电池的额定电流为1000mA，使用时间为2小时，那么它的容量可以计算为：

容量 = 1000mA × 2小时 = 2000mAh

这个计算方法是在电池的额定电流下进行计算的。实际使用中，如果电流有变化或者电池的工作温度不同，容量可能会有所偏差。因此，在实际应用中，最好参考电池厂商提供的测试数据和曲线图来确定电池的容量。

三、锂电池其他重要的参数

1. 电压：锂电池的电压通常为3.7V或3.6V，但在充电和放电过程中会有所变化。

2. 充电速率：锂电池的充电速率是指电池可以接受的最大充电电流，通常以C值表示，例如一个1000mAh的电池，充电速率为1C时，充电电流为1000mA。

3. 放电速率：锂电池的放电速率是指电池可以提供的最大电流，通常以C值表示，例如一个1000mAh的电池，放电速率为1C时，可以提供1000mA的电流。

4. 循环寿命：锂电池的循环寿命是指电池可以进行多少次充放电循环，通常以充放电循环次数表示。

5. 内阻：锂电池的内阻是指电池内部电阻，影响电池的输出电流和能量损失。内阻越小，电池的性能越好。

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