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锂电产业链各环节的消耗情况汇总

时间:2022-07-18 08:30来源:逸柳投研笔记 作者:妖刀鬼彻
点击: 次
 
       以下总结锂电行业的几类重要材料的消耗量，基本上包括两类数据，一个从公开资料找到的直接消耗的数据，另外就是根据一些基本的性能指标假设进行的简单计算，两种数据可以进行相互比较。第二种方式，可能数据本身重要性一般，因为假设变化的话，结果也会有变化，但是我们可以知道如何降低消耗量。锂电和光伏一样，其行业发展都按照持续降低每瓦时容量成本的方向进行的。
 
       一、正极材料
 
       1）磷酸铁锂
 
       根据湘潭电化去年在互动平台的回复，1GWh容量的磷酸铁锂电池需要大约2000吨磷酸铁锂。
 
       这个数据可以通过能量密度进行推断，磷酸铁锂的理论比容量（极限）为170mAh/g，按照3.4V的电压平台，其能量密度的理论值为578Wh/kg，因此1GWh需要磷酸铁锂最小值为1000000/578=1730吨。
 
       根据德方纳米的官网，几款磷酸铁锂DY-3、DY-5的1C放电(1C代表1小时完全放电)克容量为142mAh/g、145mAh/g，按照3.4V的电压平台，对应的质量能量密度为483Wh/kg、493Wh/kg，因此，1GWh对应的磷酸铁锂的需求量大概是2028-2070吨。
 
       2）三元材料
 
       根据容百科技在上证e互动的回复，1GWh高镍三元电池一般对应需要1700-1900吨高镍正极材料。
 
       同样计算对正极材料需求量的基本点还在于能量密度数据。
 
       首先看理论的比容量，大概是274mAh/g，三元电池的电压平台（额定电压）比磷酸铁锂高，为3.7V，也就是质量能量密度的理论值为1014Wh/kg，因此1GWh需要的三元正极材料最小值为986吨。
 
       根据容百科技官网，NCM523的克比容量在153mAh/g以上，3.7V下，也就是566Wh/kg，也就是1GWh需要NCM523正极材料1767吨；NCM622的克比容量在172mAh/g以上，对应619Wh/kg，也就是1GWh需要NCM622正极材料1616吨；NCM811的克比容量在190mAh/g以上，对应703Wh/kg，因此1GWh需要NCM811正极材料1423吨。
 
       以上计算涉及到两个数据，一是克比容量，二是额定电压，这个跟具体的产品有关。另外，还需要注意，根据正极的比容量计算得到的能量密度是正极材料的能量密度，而不是整个电池包的能量密度（德方纳米2021年年报P24给出的是整个电池的能量密度，将其他各类材料也包括进来了）。
 
       二、负极材料
 
       目前负极材料主要采用石墨类材料，根据互联网资料，1GWh锂电池需要1300～1400吨负极材料。
 
       这个也与负极材料的比容量有关，石墨负极材料的理论比容量为372mAh/g，3.4V的额定电压下，1GWh需要石墨1000000/372/3.4=791吨；而按照3.7V的额定电压，1GWh需要石墨727万吨。
 
        目前高端的石墨已经在360 mAh/g左右，也就是1GWh对应751-817吨的负极材料需求；根据贝特瑞官网，除了快充软包电池外（比容量只有162mAh/g），其他的都在345mAh/g以上，345mAh/g比容产品，1GWh对应的石墨需求为784-853吨。
 
       这个数据跟前面的有较大的区别。
 
       在负极材料方面，通过加入硅材料，可以提高负极的能量密度，从而同样容量水平下的负极材料用量。硅基材料的理论比容量可以达到4200mAh/g。不过，相对于石墨而言，硅基负极容易膨胀，循环次数越多，其容量下降越大，也就是在寿命上存在短板。
 
       三、电解液
 
       现在的电解液采用六氟磷酸锂作为溶质，根据《20210916-西部证券-天赐材料-002709-首次深度覆盖报告：电解液龙头市占率持续提升，纵向一体化布局获成本优势》P16，磷酸铁锂电池单GWh用1300吨电解液，三元电池单GWh用800-900吨。按照磷酸铁锂和三元电池6：4的比例，1GWh平均用量为1100吨。
 
       电解液中，溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯等；另外还有一些添加剂，包括VC碳酸亚乙烯酯、TF磷酸乙烯三氟乙酯、PS亚硫酸丙烯酯、DVB二乙烯基苯等。
 
       我们比较关注溶质这个，根据钜大锂电整理的资料，以当前电解液配比来看，生产1GWh三元电池大约要90-110吨六氟磷酸锂，生产1GWh磷酸铁锂离子电池大约要125吨六氟磷酸锂。
 
       电解液的使用有一个指标，就做注液系数，这个系数会影响锂电池的能量密度、寿命等指标。各个研究机构通过各种实验数据总结出来的最优的注液比例，根据知乎，磷酸铁锂的注液系数为是4.5g/Ah左右，也就是1g大概能实现的容量为1/4.5Ah；而三元电芯的注液系数，大概在3.0g/Ah，即1g电解液实现的容量为1/3Ah。
 
       因此，对于磷酸铁锂，在3.4V额定电压下，1g电解液对应的电能为1/4.5×3.4=0.756Wh，因此1GWh需要10^9/0.756/10^6=1323吨电解液；对于三元电池，1g电解液对应的电能为1/3×3.7=1.233Wh，因此1GWh需要811吨电解液。
 
       而六氟磷酸锂需要知道配方，目前公开资料是1：7，也就是六氟磷酸锂质量占比大概12.5%（还有些资料说是14%，其实有一定程度的定制化），结合上面的材料，也就是1GWh磷酸铁锂电芯需要六氟165吨，1GWh三元电池需要101吨。按照这个推导出来的磷酸铁锂需求量数据，跟前面的125吨有比较大的区别，估计配方数据假设值有些问题（因为电解液的需求量和找到的数据相近，所以注液系数可能问题不大）。
 
       四、隔膜
 
       根据《恩捷股份：2020年度非公开发行A股股票预案（修订稿）》，1GWh 锂电池对应隔膜需求1500万平方米。而沧州明珠在互动平台说的是对应2000万平米。
 
       隔膜是在正极和负极之间，所以其用量跟电池的结构有关，比如圆柱还是方形的，另外，不同电池的能量密度也不同。要进行计算，需要了解其卷绕方式。
 
       下图来自《20211012-五矿证券-电气设备行业动力电池深度：从芯出发，回归技术本源、聚焦发展主线》P78，显示了三种电池结构的卷绕或者叠片方式（其中Cathode是负极，Anode为正极，Separators为隔膜），我们可以看到正负极片的数量和隔膜的数量存在相关关系，圆柱型隔膜数量是正/负极片的2倍，方形则是3倍，软包跟圆柱也差不多（如果正极片数量是n，那么隔膜数量为2n-1）。
       所以我们需要计算的是正/负极片的表面积，质量可以通过能量密度获得，体积可以通过压实密度获得，因此我们需要获得的核心数据是其厚度。
 
       根据一些专利（我找的是《CN201120016555.7 一种安全性高的锂离子动力电池极片》），正极片涂层厚度是0.02mm-0.05mm，也就是20-50μm；另外有些说是20-40μm，加铝箔之后厚度在150μm以下。
 
       对于磷酸铁锂，按照150mAh/g的克比容量计算，1Wh需要的量为1/3.4/150×1000=1.96g，按照2.4g/cm^3的压实密度，对应0.8167cm^3，在20μm的厚度下，面积为41cm^2，按照方形结构，需要的隔膜量为123cm^2，而圆柱为82cm^2，因此1GWh需要的隔膜量为1230万平米、820万平米。
 
       对于三元电池，对于NCM811，能量密度为703Wh/kg，也就是1Wh需要1.43g，按照3.8g/cm^3的压实密度，对应0.376cm^3，在20μm厚度下，面积为18.8cm^2，1GWh需要的隔膜量为564万平米、376万平米。
 
       这个数据跟一些公司在互动平台给出的数据有较大的差异，可能影响比较大的假设是正负极涂布的厚度，越薄需要的隔膜面积越大。
 
       五、锂
 
       磷酸铁锂和三元锂的直接材料不同，前者是碳酸锂，后者是氢氧化锂，不过在估算锂的供需，行业习惯采用碳酸锂当量（LCE），也就是将各类材料对锂的需求都换算成碳酸锂。
 
       在各种材料中，正极材料和电解液两个部分存在对锂的需求，思路比较简单，就是通过各种材料的分子式和相对分子量推理。
 
       首先看磷酸铁锂（LiFePO4），相对分子量为157.76，碳酸锂（Li2CO3）相对分子量为73.89，锂的相对分子量为6.941，所以1吨磷酸铁锂中包含0.044吨锂，而1吨碳酸锂能够供应0.188吨锂，所以1吨磷酸铁锂需要0.234吨碳酸锂（由于有损耗，可能需要高于这个数值）。按照1GWh需要2000吨磷酸铁锂，对应468吨碳酸锂。
 
       然后看三元锂电NCM811（LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2），相对分子量为97.6，1吨NCM811含有锂0.071吨锂，对应的碳酸锂为0.378吨，按照前面计算的1GWh三元NCM811电池需要1423吨NCM811，对应538吨碳酸锂。
 
       再看电解液，其溶质是六氟磷酸锂（LiPF6），相对分子量为151.91，1吨六氟磷酸锂含有锂0.0457吨，对应碳酸锂0.243吨，1GWh磷酸铁锂电池需要六氟磷酸锂大概需要125吨（先按照这个假设），1GWh三元电池大概需要100吨，分别对应碳酸锂大概为30吨、25吨。
 
       因此，1GWh磷酸铁锂需要的锂大概500吨LCE（碳酸锂当量），1GWh三元电池需要锂大概560吨左右。（之前假设的平均值是600吨）
 
(责任编辑：子蕊)
文章标签： 锂电
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