乾貨 | 特斯拉產業鏈梳理以及鋰離子電池材料全解讀

特斯拉所使用的松下電池屬於鋰離子電池的一種。鋰離子電池是一種二次電池(充電電池)，它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時，Li+從正極脫嵌，經過電解質嵌入負極，負極處於富鋰狀態;放電時則相反。電池一般採用含有鋰元素的材料作為電極。

其主要優點有輸出電壓高(3.6V)、能量密度大、自放電小、循環壽命長無記憶效應、可快速充放電無有毒有害物質等。缺點是溫度影響電池容量以及安全性能不好。目前主要應用領域為消費電子、電動交通工具、大型動力電源以及二次充電及儲能領域。

特斯拉Model S專用的松下18650電池

18650是鋰離子電池的鼻祖--日本SONY公司當年為了節省成本而定下的一種標準性的鋰離子電池型號，其中18表示直徑為18mm，65表示長度為65mm，0表示為圓柱形電池。

Model S所用18650電池是松下產的型號為NCR18650B三元材料電池，電容量約3.3mA，電壓達到3.6V，能量密度高達243Wh/kg。

在特斯拉的Model S上使用的NCR18650B比之前Roadster所使用的鈷酸鋰電池比能量高出三成，區別來源於結構的不同，它以鎳鈷鋁三元材料為正極材料，以石墨為負極材料，以六氟磷酸鋰為電解液。最終達到比能量更大，穩定性、一致性更好的效果。此外，單體電池尺寸小但可控性高，可降低單個電池發生故障帶來的影響，即使電池組的某個單元發生故障，也不會對電池整體性能產生影響。

鋰電池的構造多種多樣，松下三元電池只是其中的一種，以下我們將主要從鋰電池的五大核心部件詳細解析鋰電池。

正極材料

正極材料決定了鋰離子電池的主要性質，如能量密度、循環穩定性、安全性等。正極材料目前主要包括鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料等。目前來看，鋰電池正極遵循著從二元材料向三元材料的發展趨勢。松下NRC18650B的正極材料是鎳鈷鋁三元材料，俗稱NCA。

通過引入Ni含量可提高材料的容量，而松下NRC18650B正是提高了Ni含量(摩爾分數80%)從而使電池從原來的2.9Ah提高到了3.3Ah左右，能量密度大大提升。同時受益於三元協同效應，NCA正極材料綜合了LiNiO2和LiCoO2諸多優點，性能比使用單一材料優越。而且，該材料用鈷量較少，成本較低。

從目前市場角度上看，磷酸鐵鋰和三元材料為國內最主流的兩種正極材料，由於新能源客車對磷酸鐵鋰電池的需求量較大，磷酸鐵鋰的市場佔有率更高一些，但三元材料以較為迅猛的勢頭逐漸發展，成為未來的趨勢。

無論是磷酸鐵鋰正極材料還是三元正極材料，都離不開碳酸鋰。以特斯拉Model S為例測算一輛新能源汽車的碳酸鋰當量需求：松下NCR18650電池單體重量44g，松下官網說明18650電池中正極材料重量佔比20~35%，假設其正極材料在30%左右，則重量為15克左右。NCA化學式Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)xO2，經過測算x=0.845，分子量為87.5;碳酸鋰分子式Li2CO3，分子量為74。按鋰元素一比一，兩者重量比是74：(87.5×2)=0.423：1。

可知其中1克鋰鈷鎳鋁三元正極材料需要0.423克碳酸鋰。則生產一節18650NCA三元電池正極材料需要15*0.423=6.345g碳酸鋰。一輛ModelS使用了7104節18650電池，摺合碳酸鋰當量=7104*6.345g=45.1kg，再加上電解液六氟磷酸鋰對碳酸鋰的需求和工業耗損，預計一輛ModelS對碳酸鋰當量需求在60kg左右，摺合耗用量為0.73kg/kWh。

按照同樣的思路進行計算，我們估計松下三元電池的鎳元素耗用量約為0.53kg/kWh。

此外，鈷元素也是NCA和NCM三元材料必不可少的上游原料，隨著三元材料對碳酸鐵鋰的替代趨勢越來越明朗，鈷需求也隨之水漲船高。NCA三元材料中鈷元素需求量約為0.14kg/kWh。

負極材料

石墨仍為負極材料首選

鋰離子電池的負極是由負極活性物質碳材料或非碳材料、粘合劑和添加劑混合製成糊狀膠合劑均勻塗抹在銅箔兩側，經乾燥、滾壓而成。負極材料是鋰離子電池儲存鋰的主體，使鋰離子在充放電過程中嵌入與脫出。

負極材料主要分為以下三類：碳材料(石墨類)、金屬氧化物材料以及合金材料。松下NCR18650B電池的負極材料採用石墨材料。

動力電池市場爆發以來，相比於其他材料而言，負極材料價格相對穩定，技術路線以石墨類為主，不存在很大的爭議。電池網數據顯示，以動力鋰電池為例，一輛新能源汽車大約需要40千克負極材料，摺合石墨耗用量約為0.9kg/kWh。目前負極材料主要以天然石墨和人造石墨為主，兩者性能有著各自的優缺點，應用領域也有所不同。

碳材料發展最前沿的產品就是石墨烯，它是目前為止發現的最薄的層狀材料，以石墨烯作為負極材料可以加大電池的容量。傳統石墨材料的能量密度上限(石墨烯)在372mAh/g，較當前正極材料的能量密度還有相當的裕量。未來提高動力電池能量密度仍是新能源汽車動力方面的關鍵，儘管價格昂貴或技術尚不成熟，鈦酸鋰以及硅基複合材料等高端負極材料也逐漸步入負極材料的應用領域。

硅基負極：鋰電負極變革趨勢

Si基負極材料最大的優勢在於極高的理論能量密度(4200mAh/g)，遠高於石墨。這也符合新能源汽車對電池的要求。從目前趨勢上看，未來負極材料的發展方向先向硅基+石墨，最後將由純硅/金屬鋰完全取代低能量密度的石墨。

硅基負極材料最大的不足就是膨脹問題，充電后易膨脹碎裂，無法復原，導致材料最終出現粉末化，大大縮短了電池壽命。

在充放電過程中會有300%的膨脹，而相同條件下石墨只有7%。目前松下最新研發的碳硅基複合材料負極中硅的含量達到了10%，可以看出隨著技術水平的進步還有很大的發展空間。

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