鋰電產業鏈各環節的消耗情況匯總
時間:2022-07-18 08:30來源:逸柳投研筆記 作者:妖刀鬼徹
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以下總結鋰電行業的幾類重要材料的消耗量，基本上包括兩類數據，一個從公開資料找到的直接消耗的數據，另外就是根據一些基本的性能指標假設進行的簡單計算，兩種數據可以進行相互比較。第二種方式，可能數據本身重要性一般，因為假設變化的話，結果也會有變化，但是我們可以知道如何降低消耗量。鋰電和光伏一樣，其行業發展都按照持續降低每瓦時容量成本的方向進行的。
一、正極材料
1）磷酸鐵鋰
根據湘潭電化去年在互動平臺的回復，1GWh容量的磷酸鐵鋰電池需要大約2000噸磷酸鐵鋰。
這個數據可以通過能量密度進行推斷，磷酸鐵鋰的理論比容量（極限）為170mAh/g，按照3.4V的電壓平臺，其能量密度的理論值為578Wh/kg，因此1GWh需要磷酸鐵鋰最小值為1000000/578=1730噸。
根據德方納米的官網，幾款磷酸鐵鋰DY-3、DY-5的1C放電(1C代表1小時完全放電)克容量為142mAh/g、145mAh/g，按照3.4V的電壓平臺，對應的質量能量密度為483Wh/kg、493Wh/kg，因此，1GWh對應的磷酸鐵鋰的需求量大概是2028-2070噸。
2）三元材料
根據容百科技在上證e互動的回復，1GWh高鎳三元電池一般對應需要1700-1900噸高鎳正極材料。
同樣計算對正極材料需求量的基本點還在于能量密度數據。
首先看理論的比容量，大概是274mAh/g，三元電池的電壓平臺（額定電壓）比磷酸鐵鋰高，為3.7V，也就是質量能量密度的理論值為1014Wh/kg，因此1GWh需要的三元正極材料最小值為986噸。
根據容百科技官網，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正極材料1767噸；NCM622的克比容量在172mAh/g以上，對應619Wh/kg，也就是1GWh需要NCM622正極材料1616噸；NCM811的克比容量在190mAh/g以上，對應703Wh/kg，因此1GWh需要NCM811正極材料1423噸。
以上計算涉及到兩個數據，一是克比容量，二是額定電壓，這個跟具體的產品有關。另外，還需要注意，根據正極的比容量計算得到的能量密度是正極材料的能量密度，而不是整個電池包的能量密度（德方納米2021年年報P24給出的是整個電池的能量密度，將其他各類材料也包括進來了）。
二、負極材料
目前負極材料主要采用石墨類材料，根據互聯網資料，1GWh鋰電池需要1300～1400噸負極材料。
這個也與負極材料的比容量有關，石墨負極材料的理論比容量為372mAh/g，3.4V的額定電壓下，1GWh需要石墨1000000/372/3.4=791噸；而按照3.7V的額定電壓，1GWh需要石墨727萬噸。
目前高端的石墨已經在360 mAh/g左右，也就是1GWh對應751-817噸的負極材料需求；根據貝特瑞官網，除了快充軟包電池外（比容量只有162mAh/g），其他的都在345mAh/g以上，345mAh/g比容產品，1GWh對應的石墨需求為784-853噸。
這個數據跟前面的有較大的區別。
在負極材料方面，通過加入硅材料，可以提高負極的能量密度，從而同樣容量水平下的負極材料用量。硅基材料的理論比容量可以達到4200mAh/g。不過，相對于石墨而言，硅基負極容易膨脹，循環次數越多，其容量下降越大，也就是在壽命上存在短板。
三、電解液
現在的電解液采用六氟磷酸鋰作為溶質，根據《20210916-西部證券-天賜材料-002709-首次深度覆蓋報告：電解液龍頭市占率持續提升，縱向一體化布局獲成本優勢》P16，磷酸鐵鋰電池單GWh用1300噸電解液，三元電池單GWh用800-900噸。按照磷酸鐵鋰和三元電池6：4的比例，1GWh平均用量為1100噸。
電解液中，溶劑包括碳酸乙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯等；另外還有一些添加劑，包括VC碳酸亞乙烯酯、TF磷酸乙烯三氟乙酯、PS亞硫酸丙烯酯、DVB二乙烯基苯等。
我們比較關注溶質這個，根據鉅大鋰電整理的資料，以當前電解液配比來看，生產1GWh三元電池大約要90-110噸六氟磷酸鋰，生產1GWh磷酸鐵鋰離子電池大約要125噸六氟磷酸鋰。
電解液的使用有一個指標，就做注液系數，這個系數會影響鋰電池的能量密度、壽命等指標。各個研究機構通過各種實驗數據總結出來的最優的注液比例，根據知乎，磷酸鐵鋰的注液系數為是4.5g/Ah左右，也就是1g大概能實現的容量為1/4.5Ah；而三元電芯的注液系數，大概在3.0g/Ah，即1g電解液實現的容量為1/3Ah。
因此，對于磷酸鐵鋰，在3.4V額定電壓下，1g電解液對應的電能為1/4.5×3.4=0.756Wh，因此1GWh需要10^9/0.756/10^6=1323噸電解液；對于三元電池，1g電解液對應的電能為1/3×3.7=1.233Wh，因此1GWh需要811噸電解液。
而六氟磷酸鋰需要知道配方，目前公開資料是1：7，也就是六氟磷酸鋰質量占比大概12.5%（還有些資料說是14%，其實有一定程度的定制化），結合上面的材料，也就是1GWh磷酸鐵鋰電芯需要六氟165噸，1GWh三元電池需要101噸。按照這個推導出來的磷酸鐵鋰需求量數據，跟前面的125噸有比較大的區別，估計配方數據假設值有些問題（因為電解液的需求量和找到的數據相近，所以注液系數可能問題不大）。
四、隔膜
根據《恩捷股份：2020年度非公開發行A股股票預案（修訂稿）》，1GWh 鋰電池對應隔膜需求1500萬平方米。而滄州明珠在互動平臺說的是對應2000萬平米。
隔膜是在正極和負極之間，所以其用量跟電池的結構有關，比如圓柱還是方形的，另外，不同電池的能量密度也不同。要進行計算，需要了解其卷繞方式。
下圖來自《20211012-五礦證券-電氣設備行業動力電池深度：從芯出發，回歸技術本源、聚焦發展主線》P78，顯示了三種電池結構的卷繞或者疊片方式（其中Cathode是負極，Anode為正極，Separators為隔膜），我們可以看到正負極片的數量和隔膜的數量存在相關關系，圓柱型隔膜數量是正/負極片的2倍，方形則是3倍，軟包跟圓柱也差不多（如果正極片數量是n，那么隔膜數量為2n-1）。
所以我們需要計算的是正/負極片的表面積，質量可以通過能量密度獲得，體積可以通過壓實密度獲得，因此我們需要獲得的核心數據是其厚度。
根據一些專利（我找的是《CN201120016555.7 一種安全性高的鋰離子動力電池極片》），正極片涂層厚度是0.02mm-0.05mm，也就是20-50μm；另外有些說是20-40μm，加鋁箔之后厚度在150μm以下。
對于磷酸鐵鋰，按照150mAh/g的克比容量計算，1Wh需要的量為1/3.4/150×1000=1.96g，按照2.4g/cm^3的壓實密度，對應0.8167cm^3，在20μm的厚度下，面積為41cm^2，按照方形結構，需要的隔膜量為123cm^2，而圓柱為82cm^2，因此1GWh需要的隔膜量為1230萬平米、820萬平米。
對于三元電池，對于NCM811，能量密度為703Wh/kg，也就是1Wh需要1.43g，按照3.8g/cm^3的壓實密度，對應0.376cm^3，在20μm厚度下，面積為18.8cm^2，1GWh需要的隔膜量為564萬平米、376萬平米。
這個數據跟一些公司在互動平臺給出的數據有較大的差異，可能影響比較大的假設是正負極涂布的厚度，越薄需要的隔膜面積越大。
五、鋰
磷酸鐵鋰和三元鋰的直接材料不同，前者是碳酸鋰，后者是氫氧化鋰，不過在估算鋰的供需，行業習慣采用碳酸鋰當量（LCE），也就是將各類材料對鋰的需求都換算成碳酸鋰。
在各種材料中，正極材料和電解液兩個部分存在對鋰的需求，思路比較簡單，就是通過各種材料的分子式和相對分子量推理。
首先看磷酸鐵鋰（LiFePO4），相對分子量為157.76，碳酸鋰（Li2CO3）相對分子量為73.89，鋰的相對分子量為6.941，所以1噸磷酸鐵鋰中包含0.044噸鋰，而1噸碳酸鋰能夠供應0.188噸鋰，所以1噸磷酸鐵鋰需要0.234噸碳酸鋰（由于有損耗，可能需要高于這個數值）。按照1GWh需要2000噸磷酸鐵鋰，對應468噸碳酸鋰。
然后看三元鋰電NCM811（LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2），相對分子量為97.6，1噸NCM811含有鋰0.071噸鋰，對應的碳酸鋰為0.378噸，按照前面計算的1GWh三元NCM811電池需要1423噸NCM811，對應538噸碳酸鋰。
再看電解液，其溶質是六氟磷酸鋰（LiPF6），相對分子量為151.91，1噸六氟磷酸鋰含有鋰0.0457噸，對應碳酸鋰0.243噸，1GWh磷酸鐵鋰電池需要六氟磷酸鋰大概需要125噸（先按照這個假設），1GWh三元電池大概需要100噸，分別對應碳酸鋰大概為30噸、25噸。
因此，1GWh磷酸鐵鋰需要的鋰大概500噸LCE（碳酸鋰當量），1GWh三元電池需要鋰大概560噸左右。（之前假設的平均值是600噸）
(責任編輯：子蕊)
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鋰電
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