锂离子电池工作原理及产业链梳理

体系成熟完整，专业化程度高。

锂离子电池是一种二次电池（充电电池），主要依靠锂离子在正极和负极之间 移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时， Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。

当前，市场上主要使用的可充电电池按照材料可分为铅酸电池、镍镉电池、镍 氢电池和锂离子电池等。铅酸电池、镍镉电池内含有大量铅、镉、汞等有害元 素，废弃后会产生大量有毒物质，对环境造成严重污染，在全球范围内其生 产、销售和使用已逐步受到限制。相比之下，锂离子电池具有体积小、重量 轻、能量密度高、工作电压高、循环寿命长、充电速度快、无记忆效应、环境 污染小等优点，正在逐渐替代铅酸电池。 近年来，锂离子电池在消费类电子产品、电动汽车、储能装置等领域的应用逐 渐加深，市场规模迅速扩大。

根据高工产研（GGII）数据显示，2020 年全球锂 电池出货量 294.5GWh，同比增长 35.32%，2013-2020CAGR 达 26.13%。 EVTank 近期发布《中国锂离子电池行业发展白皮书（2022 年）》表明，2021 年全球锂离子电池总体出货量 562.4GWh，同比大幅增长 90.64%，预计 2030 年之前全球锂离子电池出货量的复合增长率将达到 25.6%，到 2030 年总体出 货量或将接近 5TWh。从国内市场来看，受益于消费电子产品普及与新能源汽 车的销量提升，国内锂电池迅速放量，产量由 2010 年的 26.87 亿只提升至 2021 年的 232.6 亿只，其中 2021 年同比增长 22.4%，仍处于上升通道。GGII 数据显示，2021 年中国锂电池出货量为 327GWh，同比增长 130%，预计 2022 年中国锂电池出货量有望超 600GWh，同比增速有望超 80%；2025 年中 国锂电池市场出货量将超 1450GWh，21-25 年复合增长率超过 43%。

经过近二十年的发展，锂离子电池行业已经形成了一个专业化程度高、分工明 晰的产业链体系，上游为基础原料，中游涵盖电池材料、锂离子电芯、锂电池 模组及 PACK，下游包括三大应用领域与锂电池回收利用。 1、上游：钴、锂、镍、锰、石墨等是构成锂离子电池的基础原料。 2、中游： 1）正极材料、负极材料、电解液、隔膜四大材料与其他辅材 正极材料：锂离子电池通过正极出现的锂离子在负极碳材中的嵌入与迁出来实 现电池的充放电过程，正极材料在锂离子电池四大材料中占据最为核心的地 位，对电池的能量密度、循环寿命和倍率性能等综合性能至关重要，其成本占 锂离子电池成本的 40%- 45%，决定了电池整体成本的高低。正极材料主要分 为钴酸锂（LCO）、锰酸锂（LMO）、磷酸铁锂（LFP）、三元（NCM/NCA） 等，在性能特征与应用领域方面各有差异： a）钴酸锂：钴酸锂为第一代商品化的锂电池正极材料，具有较好的电化学性能 和加工性能，比容量相对较高，主要应用于 3C 消费电子领域的小型充电电池。但金属钴价格昂贵导致钴酸锂材料成本较高，且循环寿命低、安全性能 差，近年来部分市场份额被三元正极材料替代。但在超薄电子产品领域，钴酸 锂凭借体积能量密度、倍率性能等方面的优势仍然维持市场地位。 b）锰酸锂：锰酸锂相比钴酸锂具有资源丰富、成本低、无污染、安全性能 好、倍率性能好等优点，但其较低的比容量、较差的循环性能使其应用受到限 制，主要用于轻型动力（电动两轮车等）、物流车以及注重成本、对续航里程 要求相对低的微型乘用车领域。 c）磷酸铁锂：磷酸铁锂的优点在于橄榄石结构稳定，安全性能与循环性能好， 且不含钴等贵重金属，成本低廉、性价比高、环境友好。其缺点在于能量密度 较低、低温性能较差，且压实密度低导致电池体积较大。目前，磷酸铁锂正极 在新能源商用车（客车等）、低续航乘用车及对电池成本与循环寿命敏感度较 高的储能领域得到了广泛应用。

d）三元：三元正极材料具有高能量密度、长续航里程的优点，但在循环寿 命、安全性与性价比方面逊色于磷酸铁锂，主要应用于动力领域（高续航乘用 车）与轻型动力领域，并在小型消费类锂电中部分替代钴酸锂正极材料。三元 材料按照元素组成可分为镍钴锰酸锂（NCM）与镍钴铝酸锂（NCA）两种，按 照镍含量差异可进一步分为中镍（NCM523 等）、中高镍（NCM613、 NCM622 等）和高镍（NCM811、NCA 等）。镍、钴、锰（铝）三种元素的不 同配比显著影响三元正极材料的性能，镍主要用于提高能量密度，钴主要用于 稳定三元材料层状结构、改善循环性能，锰主要用于降低成本、改善材料的结 构稳定性和安全性。如今三元正极材料市场逐步往高镍方向发展，随镍含量升 高、钴含量降低，三元材料的能量密度逐渐提高，单位成本下降，但热稳定性 的技术要求有所提高。因此，相比于采用常规三元材料的锂电池，高镍三元材 料电池续航里程更长、综合成本更低，同时对电池厂商的产品设计、制造工艺 及设备环境提出了更高的要求。

负极材料：负极在电池中起储锂作用，对电池循环性能有直接影响，成本占比 10%左右。目前的主流材料包括人造石墨、天然石墨等，其中人造石墨的综合 性能最优，占据负极材料的市场主流地位。硅碳负极在提升能量密度方面具备 优势，有望成为未来负极材料演变方向。 电解液：电解液在锂电池正、负极之间起到传导离子的作用，是锂离子电池获 得高电压、高比能等优点的保证。电解液影响电池的能量密度、循环寿命、安 全性等综合性能，一般由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐、必要的添加剂等原 料，在一定条件下、按一定比例配制而成。 隔膜：隔膜的主要作用是使电池的正、负极分隔开来，防止两极接触而短路， 此外还具有能使电解质离子通过的功能。隔膜的性能决定了电池的界面结构、 内阻等，直接影响电池的容量、循环以及安全性能。锂电池电解液为有机溶剂 体系，因而需要有耐有机溶剂的隔膜材料，一般采用高强度薄膜化的聚烯烃多 孔膜。

2）锂离子电芯：锂离子电芯厂商使用上游材料厂商提供的正负极材料、电解液 和隔膜，生产出不同规格、不同容量的锂离子电芯产品。电芯在锂电池模组成 本构成中占比超过 60%，被视为锂电池的“心脏”。 3）锂电池模组：由锂离子电芯、电源管理系统、精密结构件及辅料等构成，是 手机、便携式电脑、智能硬件等消费类电子产品和新能源汽车的必需基础元器 件之一。锂电池模组及 PACK 是将电芯加工成电池的过程，电池模组厂商根据 下游客户产品的不同性能、使用要求选择不同的锂离子电芯、电源管理系统方 案、精密结构件、制造工艺等，进行锂电池模组的设计与生产。 3、下游：电池产品最终可应用于消费电子领域（智能手机、平板电脑、智能手 环等）、动力领域（电动自行车、电动汽车等）、储能领域（电网、数据中 心、5G 基站等）。 锂离子电池回收利用：在电池使用寿命届满或报废后，可对废旧电池中的三元 材料、磷酸铁锂、石墨等材料进行加工再生，使上述材料在电池产业中实现循 环。主要途径包括火法、湿法冶金工艺以及固相电解还原技术等。