第I部分 電池、鎢、鉬和稀土的介紹
第二章 常見電池的介紹（中）
2.3 磷酸鐵鋰電池
磷酸鐵鋰電池的全名是磷酸鐵鋰鋰離子電池，是一種使用磷酸鐵鋰（LiFePO4）作為正極材料，碳作為負極材料的鋰離子電池。它的工作電壓范圍為3.2V-3.65V，充電過程中，磷酸鐵鋰中的部分鋰離子脫出，經(jīng)電解質(zhì)傳遞到負極，嵌入負極碳材料；同時從正極釋放出電子，自外電路到達負極，維持化學反應的平衡。放電過程中，鋰離子自負極脫出，經(jīng)電解質(zhì)到達正極，同時負極釋放電子，自外電路到達正極，為外界提供能量。
國軒高科鋰電池
磷酸鐵鋰電池具有許多優(yōu)點，例如工作電壓高、能量密度大、循環(huán)壽命長、安全性能好、自放電率小、無記憶效應等。此外，由于它對環(huán)境友好且不含有害物質(zhì)，因此也被認為是一種環(huán)保電池。在未來的發(fā)展中，磷酸鐵鋰電池有望在更多領域得到應用，這除了是因為磷酸鋰電池有上述的優(yōu)點之外，還有比三元電池、鈷酸鋰電池更合理的生產(chǎn)成本。
2.3.1 磷酸鐵鋰電池基本結構
磷酸鐵鋰電池的基本結構相對簡單，主要由正極、負極、電解質(zhì)、隔膜和外殼等組成。
正極：磷酸鐵鋰電池的正極材料是磷酸鐵鋰，它是一種具有橄欖石結構的化合物，其中鋰離子是可移動的陽離子，而鐵離子和磷酸根離子則固定在晶格中。正極材料需要具有良好的電子導電性和離子導電性，以保證電池的高工作電壓和長循環(huán)壽命。
負極：磷酸鐵鋰電池的負極材料通常采用石墨或焦炭，這些材料具有較高的電導率、較穩(wěn)定的化學性質(zhì)和較低的成本。在電池放電過程中，鋰離子從正極脫出，穿過電解質(zhì)和隔膜，嵌入到負極材料中。
電解質(zhì)：磷酸鐵鋰電池的電解質(zhì)通常采用鋰鹽溶解在有機溶劑中的溶液，其中最常用的鋰鹽是六氟磷酸鋰（LiPF6），有機溶劑則包括碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯等。電解質(zhì)在電池中起到傳輸鋰離子的作用，并需要在正負極之間保持一定的電位差，以保證電池的正常工作。
隔膜：磷酸鐵鋰電池的隔膜位于正負極之間，起到隔離正負極、防止短路的作用。隔膜通常采用聚烯烴材料制成，需要具有較高的化學穩(wěn)定性、機械強度和孔隙率，以保證電池的安全性和可靠性。
鋰電池隔膜
外殼：磷酸鐵鋰電池的外殼通常采用金屬材料制成，如鋁殼或鋼殼等，用于保護電池內(nèi)部結構和維持電池形狀。外殼還需要具有良好的導熱性和密封性，以保證電池的安全運行。
磷酸鐵鋰電池的內(nèi)部結構還包括電池管理系統(tǒng)和安全機構等部分。電池管理系統(tǒng)主要負責控制電池的充放電過程、監(jiān)測電池的狀態(tài)和保護電池的安全運行；安全機構則包括防爆閥、排氣口等部件，用于在電池出現(xiàn)異常情況時及時釋放內(nèi)部壓力、防止電池爆炸或燃燒等安全問題。
2.3.2 磷酸鐵鋰電池工作原理
2.3.3 磷酸鐵鋰電池主要特性
2.3.4 磷酸鐵鋰電池的應用
2.3.5 磷酸鐵鋰電池的發(fā)展現(xiàn)狀
磷酸鐵鋰電池近年來發(fā)展迅速，其技術不斷進步，性能得到顯著提升，能量密度、充放電倍率、循環(huán)壽命等關鍵指標得到改善，安全性和可靠性也得到提高。因此，磷酸鐵鋰電池在電動汽車、電力儲能、便攜式電子設備等領域得到廣泛應用。另外，隨著市場需求增加、產(chǎn)業(yè)鏈完善和政策支持，磷酸鐵鋰電池在未來將繼續(xù)保持快速發(fā)展。
值得一提的是，磷酸鐵鋰行業(yè)受到新能源汽車產(chǎn)業(yè)的影響較大。在過去，新能源汽車的補貼政策主要依據(jù)動力電池的能量密度和續(xù)航里程等技術指標來發(fā)放補貼，由于磷酸鐵鋰電池的能量密度比三元電池低，因此在政策的推動下大多數(shù)電池企業(yè)選擇了三元材料路線，這使得磷酸鐵鋰電池行業(yè)的市場規(guī)模較小。不過，隨著磷酸鐵鋰電池技術的不斷提高以及2023年各地新能源汽車補貼政策逐漸取消，磷酸鐵鋰在近年來也迎來了快速發(fā)展的機遇。
華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院2016-2021年7月磷酸鐵鋰產(chǎn)能情況
中國能源報消息顯示，在2018—2020年間，我國磷酸鐵鋰電池年產(chǎn)量始終低于三元電池，但是在2021年5月，磷酸鐵鋰電池產(chǎn)量市場占比達到63.6%，首次實現(xiàn)了反超。
根據(jù)高工鋰電的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2021 年以來，磷酸鐵鋰在正極材料市場結構中的占比明顯提升。2021 年，磷酸鐵鋰在正極材料領域的市場份額由 24%上升至 43%。2022 年，磷酸鐵鋰電池在動力電池市場占比 61%，磷酸鐵鋰電池在儲能鋰電池市場占比超過 95%。
智研咨詢數(shù)據(jù)顯示，2022年中國鋰電池正極材料出貨量為190萬噸左右，同比增長68.1%；其中磷酸鐵鋰正極材料出貨量占比最高，為58.5%。進出口方面，近年來我國磷酸鐵鋰進口規(guī)模整體呈現(xiàn)出波動下滑的趨勢，而出口規(guī)模整體卻呈現(xiàn)出上升趨勢。據(jù)中鎢在線/中鎢智造統(tǒng)計海關數(shù)據(jù)顯示，2022年，中國進口磷酸鐵鋰995.47噸，同比減少15.04%，進口金額3954.80萬元，同比增長18.98%；同期，中國出口磷酸鐵鋰1111.25噸，同比增長34.24%，進口金額16687.59萬元，同比增長166.66%；2023年1-9月，我國進口磷酸鐵鋰28.55噸，同比減少96.64%，進口金額577.29萬元，同比減少76.01%；同期，我國出口磷酸鐵鋰835.41噸，同比增長5.54%，進口金額13398.03萬元，同比增長24.29%。
智研咨詢數(shù)據(jù)顯示，2022年中國磷酸鐵鋰行業(yè)產(chǎn)能約220萬噸，較2021年約漲205.6%；產(chǎn)量在119.06萬噸左右，較2021年約漲164.6%；出貨量約111.3萬噸，較2021年約漲136.8%。其中，西南、華中和華東地區(qū)是我國磷酸鐵鋰產(chǎn)能占比最大的區(qū)域，占比分別為48%、20%和20%左右。
智研咨詢2019-2022年中國磷酸鐵鋰行業(yè)供需情況
中商產(chǎn)業(yè)研究院消息顯示，近年來，中國磷酸鐵鋰電池裝車量大幅增長，2021年磷酸鐵鋰電池裝車量打79.8GWh，同比增長227.05%，2022年磷酸鐵鋰電池裝車量達64.4GWh,占總裝車量58.5%，同比增長189.7%。
中國汽車動力電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟消息顯示，2023年1-6 月，我國磷酸鐵鋰電池累計產(chǎn)量 193.5GWh，占總產(chǎn)量 65.9%，同比增長 53.8%；同期，磷酸鐵鋰電池累計銷量 156.3GWh，占總銷量 60.9%，同比增長 22.0%。2023年1-6 月，我國動力電池企業(yè)磷酸鐵鋰電池累計出口17.2GWh，占總出口30.3%；同期，在儲能方面，我國磷酸鐵鋰電池累計銷量31.2GWh，累計出口磷酸鐵鋰電池6.3GWh。
第八屆中國國際新能源大會暨產(chǎn)業(yè)博覽會消息顯示，2022年，全球磷酸鐵鋰產(chǎn)量107萬噸，其中硫酸亞鐵工藝占比90%，鐵粉法工藝占比10%。
能源的革命消息顯示，根據(jù)電池工業(yè)網(wǎng)發(fā)布的磷酸鐵鋰行業(yè)5月報，截止到5月底，國內(nèi)已投產(chǎn)磷酸鐵鋰產(chǎn)能達到250.6萬噸/年。截止2023年6月底，已知的建成可利用的磷酸鐵鋰及磷酸錳鐵鋰產(chǎn)能合計為：裕能34.8萬噸+德方37.5萬噸+萬潤48萬噸+龍蟠14.5萬噸+融通10.5萬噸+安達7萬噸+國軒15萬噸+富臨15.2萬噸+圣釩3萬噸+比亞迪3萬噸+龍佰3萬噸+豐元12.5萬噸+金堂13萬噸+鵬博5萬噸+特瑞10萬噸+創(chuàng)普斯6萬噸+貴州新仁3萬噸+天原股份2.5萬噸+天力鋰能2萬噸+湘潭電化1萬噸=248.5萬噸， 另外1.5萬噸可能為其它廠家新投產(chǎn)產(chǎn)能，暫時未找到信息源。
能源的革命2020年9月-2023年5月磷酸鐵鋰產(chǎn)能走勢圖
據(jù)中鎢在線了解，中國磷酸鐵鋰行業(yè)市場目前呈現(xiàn)出較高的集中度，湖南裕能、常州鋰源、湖北萬潤等領先企業(yè)占據(jù)了市場的主導地位。這些企業(yè)在磷酸鐵鋰領域具備強大的實力和優(yōu)勢，從而在市場競爭中占據(jù)了有利地位。
然而，未來的磷酸鐵鋰市場將面臨一系列的變化和挑戰(zhàn)。一方面，隨著新能源汽車市場的迅猛增長和技術進步，對磷酸鐵鋰材料的需求將繼續(xù)增加。另一方面，新的競爭者也將進入市場，包括一些三元材料廠商如長遠鋰科等和其他領域的廠商。這些新進入者的加入將進一步加劇市場的競爭。
從長遠來看，隨著磷酸鐵鋰產(chǎn)能的過剩，成本將成為企業(yè)競爭的核心要素之一。因此，各大廠商需要關注生產(chǎn)效率、降低成本、優(yōu)化供應鏈等方面的發(fā)展，以在激烈的市場競爭中保持領先地位。同時，技術的創(chuàng)新和產(chǎn)品的差異化也將是未來磷酸鐵鋰市場的重要趨勢，各大廠商需要不斷進行研發(fā)和創(chuàng)新，以滿足客戶對高性能、低成本、環(huán)保等方面的需求。
2.3.6 磷酸鐵鋰電池的發(fā)展前景
2.3.7 磷酸鐵鋰電池的發(fā)展瓶頸
2.4 三元電池
2.4.1 三元電池基本結構
2.4.2 三元電池分類
2.4.2.1 鎳鈷錳三元電池
2.4.2.2 鎳鈷鋁三元電池
2.4.3 三元電池工作原理
2.4.4 三元電池主要特性
2.4.5 三元電池的應用
2.4.6 三元電池的發(fā)展現(xiàn)狀
在雙碳目標的推動下，新能源汽車行業(yè)近年來得到了快速發(fā)展。由于新能源汽車具有環(huán)保、低出行成本、低噪聲等優(yōu)點，越來越受到大眾的喜愛。從2012年到2022年，新能源汽車銷量的年均復合增速高達87.2%，呈現(xiàn)出了強勁的增長趨勢。
2022年，許多汽車企業(yè)特別是廣汽、吉利、長安等傳統(tǒng)車企推出了眾多適合消費者需求且價格適中的新能源汽車車型。這些車型不僅滿足了消費者的多元化需求，同時也降低了購車的門檻。此外，充、換電基礎設施的不斷完善也為新能源汽車市場的擴張?zhí)峁┝酥С?。在這一背景下，新能源汽車銷量達到688.7萬輛，同比增長了96.2%，市場需求持續(xù)旺盛。
作為新能源汽車的核心零部件之一，動力電池的需求也隨之增長。搜狐高飄消息顯示，2022年1-12月，中國三元電池累計產(chǎn)量212.5GWh,占總產(chǎn)量38.9%，同比增長126.4%。觀研報告網(wǎng)消息顯示，2022年三元材料我國出貨量為65.8萬噸，同比增長53.02%；裝機量為105GWh，同比增長41.32%。
搜狐高飄消息顯示，2022年全球三元正極材料產(chǎn)量約99.3萬噸，同比增長30%以上；其中高鎳正極材料出貨約32.8萬噸，同比增長64%。2022年中國三元正極材料年產(chǎn)能突破100萬噸，產(chǎn)量達65.6萬噸，產(chǎn)量較2021年增長約67%；其中高鎳材料（8系及以上）滲透率達到44.7%，同比增長76.9%。2022年中國三元正極材料貿(mào)易量較大，但整體凈貿(mào)易量較小。2022年國內(nèi)表觀消費量與產(chǎn)量幾乎接近，為65.8萬噸。2022年三元正極材料年均價格約30萬元/噸，較2021年增長95%。
中國汽車動力電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟消息顯示，2023年上半年，我國動力電池產(chǎn)量293.6GWh，同比增長36.8%；其中三元電池產(chǎn)量99.6GWh，占總產(chǎn)量33.9%，同比增長12.6%。同期，我國動力電池銷量達256.5GWh，同比增長17.5%；其中三元電池銷量99.8GWh，占總銷量38.9%，同比增長10.9%。2023年上半年，我國動力電池企業(yè)電池累計出口達56.7GWh；其中三元電池累計出口39.4GWh，占總出口69.4%。
目前，我國三元電池的生產(chǎn)企業(yè)主要有容百科技，天津巴莫，當升科技，長遠鋰科，南通瑞翔，廈鎢新能，貴州振華，貝特瑞，廣東邦普，巴斯夫杉杉等。
觀研報告網(wǎng)2022年中國三元材料行業(yè)企業(yè)競爭格局
近幾年，一些三元鋰離子電池的少數(shù)安全性事件對下游整車廠產(chǎn)生了一定的影響，導致其對磷酸鐵鋰電池的需求有所上升。然而，從長期趨勢來看，由于消費者對新能源車的動力和續(xù)航能力的要求不斷提高，三元鋰離子電池因其高能量密度優(yōu)勢，仍然被視為動力電池的重要技術路線之一。
2.4.7 三元電池的發(fā)展前景
2.4.8 三元電池的發(fā)展瓶頸
2.5 鈷酸鋰電池
2.5.1 鈷酸鋰電池基本結構
2.5.2 鈷酸鋰電池工作原理
2.5.3 鈷酸鋰電池主要特性
2.5.4 鈷酸鋰電池的應用
2.5.5 鈷酸鋰電池的發(fā)展現(xiàn)狀
2.5.6 鈷酸鋰電池的發(fā)展前景
2.5.7 鈷酸鋰電池的發(fā)展瓶頸
2.6 錳酸鋰電池
2.6.1 錳酸鋰電池基本結構
2.6.2 錳酸鋰電池工作原理
2.6.3 錳酸鋰電池主要特性
2.6.4 錳酸鋰電池的應用
2.6.5 錳酸鋰電池的發(fā)展現(xiàn)狀
2.6.6 錳酸鋰電池的發(fā)展前景
2.6.7 錳酸鋰電池的發(fā)展瓶頸
2.7 無鈷電池
2.7.1 無鈷電池基本結構
2.7.2 無鈷電池工作原理
2.7.3 無鈷電池主要特性
2.7.4 無鈷電池的應用
2.7.5 無鈷電池的發(fā)展現(xiàn)狀
為了解決鈷元素稀缺且價格高昂的問題，研究者們一直在致力于開發(fā)無鈷電池。目前，已經(jīng)有一些無鈷電池問世，如鋰硫電池、鋰氧電池等。這些電池的研發(fā)主要集中在提高電池的能量密度和循環(huán)壽命，以及降低成本等方面。
在提高電池能量密度方面，鋰硫電池和鋰氧電池都展現(xiàn)出了巨大的潛力。鋰硫電池的正極材料是硫，理論能量密度高達2600Wh/kg，而現(xiàn)有的鈷酸鋰電池的理論能量密度只有約300Wh/kg。鋰氧電池也是一種具有高能量密度的電池，理論能量密度可達3500Wh/kg。
在提高電池循環(huán)壽命方面，研究者們通過優(yōu)化電池結構、改善電解液性能等方式來提高電池的穩(wěn)定性。此外，一些新型材料的應用也為無鈷電池的發(fā)展提供了新的思路。
智研瞻產(chǎn)業(yè)研究院消息顯示，2018年無鈷電池行業(yè)的市場規(guī)模12.56億元左右，2023年H1 無鈷電池行業(yè)的市場規(guī)模為18.33億元左右。截至2022年底，我國無鈷電池企業(yè)數(shù)量約為200家。其中，江蘇、廣東、浙江等地的無鈷電池企業(yè)數(shù)量較多，占比分別約為25%、20%、15%左右。據(jù)調(diào)查，2022年該行業(yè)的產(chǎn)量為1520萬只，產(chǎn)值約為312億元；及出口量為350萬只，產(chǎn)值約為53億元左右。
智研瞻產(chǎn)業(yè)研究院2018-2023年H1無鈷電池行業(yè)的市場規(guī)模
2.7.6 無鈷電池的發(fā)展前景
2.7.7 無鈷電池的發(fā)展瓶頸
2.8 鋰硫電池
2.8.1 鋰硫電池基本結構
鋰硫電池的基本結構主要包括正極、負極、電解液和隔膜。
正極材料是硫，負極材料是金屬鋰，電解液是有機溶劑。在正極中，硫以冠狀結構形式存在，這種結構具有比較穩(wěn)定的熱力學特性。硫元素的充放電性能與硫鍵的斷裂和重組有直接關系，這也使得鋰硫電池具有較高的能量密度。
負極是由純鋰金屬制成，能夠提供高電位和高電導率。電解液在鋰硫電池中起到傳遞離子和保持電中性的作用，通常是有機溶劑，如二甲基碳酸酯和丙烯腈。
隔膜是鋰硫電池的另一個重要組成部分，能夠防止正負極之間的直接接觸，同時允許離子傳輸。它通常是由聚合物材料制成，如聚丙烯和聚乙烯。
2.8.1.1 鋰硫電池正極材料
鋰硫電池正極材料是鋰硫電池研究中的重要部分，它的性能直接影響到鋰硫電池的能量密度、循環(huán)壽命和安全性。
2.8.1.1.1 鋰硫電池正極材料的種類
（1）硫正極材料
硫正極材料是鋰硫電池中最常用的正極材料之一，其理論比容量高達1675mAh/g，且具有環(huán)保、安全、成本低等優(yōu)點。然而，硫正極材料也存在一些問題，如導電性差、體積膨脹大、循環(huán)穩(wěn)定性差等。為了提高硫正極材料的性能，研究者們進行了大量的研究，包括對硫正極材料的改性、復合和優(yōu)化等。
（2）過渡金屬硫化物正極材料
過渡金屬硫化物正極材料是一類具有高能量密度、高穩(wěn)定性和長循環(huán)壽命的正極材料。其中，二硫化鉬（MoS2）和二硫化鎢（WS2）是最常用的過渡金屬硫化物正極材料。它們具有層狀結構，可以容納鋰離子在其層間進行嵌入和脫出，從而實現(xiàn)在較低的電壓下進行充放電。然而，過渡金屬硫化物正極材料的制備成本較高，且在大電流密度下充放電性能較差。
中鎢在線二硫化鎢粉末
（3）聚合物硫正極材料
聚合物硫正極材料是一類具有高能量密度、優(yōu)良的電化學性能和長循環(huán)壽命的正極材料。其中，聚硫和聚硒是最常用的聚合物硫正極材料。它們具有高電導率、低內(nèi)阻和優(yōu)良的化學穩(wěn)定性等優(yōu)點，因此在高倍率充放電條件下仍能保持較好的性能。然而，聚合物硫正極材料的制備工藝較為復雜，且其成本較高。
2.8.1.1.2 鋰硫電池正極材料的制備方法
2.8.1.2 鋰硫電池負極材料
2.8.1.2.1 鋰硫電池負極材料的種類
2.8.1.2.2 鋰硫電池負極材料的制備方法
2.8.1.2.3 鋰硫電池負極材料的研究進展
2.8.1.3 鋰硫電池隔膜
2.8.1.3.1 鋰硫電池隔膜的種類
2.8.1.3.2 鋰硫電池隔膜的制備方法
2.8.1.4 鋰硫電池電解液
2.8.1.4.1 鋰硫電池電解液的種類
2.8.1.4.2 鋰硫電池電解液的制備方法
2.8.2 鋰硫電池工作原理
2.8.3 鋰硫電池主要特性
2.8.4 鋰硫電池性能的影響因素
2.8.4.1 正極材料對鋰硫電池性能的影響
2.8.4.2 負極材料對鋰硫電池性能的影響
2.8.4.3 隔膜對鋰硫電池性能的影響
2.8.4.4 電解液對鋰硫電池性能的影響
2.8.4.5 放電深度對鋰硫電池壽命的影響
2.8.4.6 過充電程度對鋰硫電池壽命的影響
2.8.4.7 溫度對鋰硫電池壽命的影響
2.8.4.8 放電電流密度對鋰硫電池壽命的影響
2.8.5 鋰硫電池技術指標
2.8.6 鋰硫電池使用注意事項
2.8.7 鋰硫電池的應用
2.8.8 鋰硫電池的發(fā)展現(xiàn)狀
2.8.9 鋰硫電池的發(fā)展前景
2.8.10 鋰硫電池的發(fā)展瓶頸
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