下面是小编为大家整理的锂电池行业研究报告（附下载）（范文推荐）,供大家参考。
2022 年锂电池行业研究报告（附下载） 导语 锂离子电池是性能最佳的电池类型；钠等其他离子金属电池也因为具备部分特色而在研究者的考虑范围之内。
一、从储能指标体系的构建开始 1、面向需求，复杂的储能指标体系 储能技术归根到底是面向需求的技术，其评价指标体系涵盖能量指标、功率指标、规模指标、寿命指标、效率指标、自放率指标、成本指标、环境影响指标等等。随应用场景不同，储能技术对指标的需求类型与权重也有所不同。
以消费电池、动力电池、储能电池为例，消费电池倾向于较高的体积、质量能量密度，以及较高的充电倍率；动力电池要求均衡，成本权重高；储能电池的能量、功率相关指标可适当放宽，而对寿命、成本相关指标要求很高。
各类储能技术中，二次电池（电化学可充的电池）是非常关键的组成部分。其应用范围很大，和可再生能源电力的衔接能力也很强。从适用的能量和功率范围来看，多种二次电池覆盖了绝大多数储能应用的技术需求，普适性以锂离子电池为最。总体而言，对应“储存能力”的能量相关指标在二次电池技术层面的重要性最大，高比能量（即质量能量密度）二次电池的应用场景尤其是前沿潜在应用场景最多；对应“吞吐能力”的倍 率相关指标也有相当重要性。当然，电池材料（集合）的性能是电池性能的根本决定因素。
2、脱颖而出的锂离子电池 二次电池的电化学可充能力对应了核心可逆电化学反应。反应中的氧化剂-氧化产物构成电池正极的活性物质，还原剂-还原产物构成电池负极的活性物质。根据基本公式E=U/[1/Qc+1/Qa+minact]（需要电极容量匹配，有冗余条件下可将电极材料过量部分归入非活性项），电极的比容量越高、电极间电势差越大，意味着电极的反应活性越高，则电池比能量（此处不和能量密度作区分）越大。同时，电极材料还需要有高度的结构稳定性（对应充电态、放电态）和充放可逆性，界面稳定性（和电解质），化学稳定性，热稳定性，相对稳定的电压平台，以及高电子电导和高载流子电导等性能特征，且这些性能最好在较宽的温度范围之内可以有效保持。
电化学反应过程中，电池需要载流子（离子或离子团）的运动提供全电路的电荷平衡：电极材料、电解质和电极-电解质界面导通载流子，电极、集流体和外电路导通电子。不同材料的体电导有所不同，界面电导也有所不同。电池材料对应的离子扩散系数/电子电导率越高，则电池单体的倍率性能上限越高。
我们希望能够大规模应用的二次电池具有低廉的成本。这对应着其使用的元素最好丰度较高，而且基本材料体系廉价、电池生产工艺简便。
虽然基础概念并不复杂，但锂电池其实是一个横跨多个空间尺度、兼具多种物相类型、会在使用过程中持续发生变化的“多维复合材料”或者“多重功能系统”。我们按照不同的电池材料类型对其进行有侧重点的分类研究，这种侧重也必须考虑电池整体性能的可实现性。
3、能量密度优先，倍率等性能的兼顾和权衡 电池综合性能指标（以锂电为例）的提升需要解决一系列问题，应对电池性能的衰减乃至失效。高能量、高倍率通常放大了电池性能衰减、失效的程度和可能性。
能量密度方面，更强氧化性的正极、更强还原性的负极对应更大的容量或更高的电势差（或兼而有之）。大容量使得电极材料吞吐锂离子时的体积变化更大，影响电池稳定性；更高的电势差对电解质提出更高要求。
电池快充性能需要微观、宏观共同发力，从材料直至系统综合权衡。温度也是重要的性能影响因素。低温不利于电池性能发挥，高温可能引发安全风险。合理的温度控制手段有利于电池性能的发挥和寿命的保持。充电态电池的安全性显著弱于放电态。
总之，我们对电池性能表现的高要求，放大了材料性能衰减乃至失效的程度和可能性。对于此，多种电极、电解质材料优化、改性手段已经应用于实践，而且“工具箱”在不断丰富、完善。
二、锂电正极：短板的奋发 1、正极 VS 负极，对称的还是有高下的 我们再一次从能量密度/比能量基础公式E=U/[1/Qc+1/Qa+minact]讲起。电池电势差和能量密度线性相关；正负极的比容量对能量密度的贡献在数学上是对称的，但是具体到电极材料的性能属性则有高下之分。不失一般性，相变类正负极材料的比容量相关性能更优，但反应动力学差，吞吐锂离子的体积变化大（前已述及）；插层类材料正相反。
当前规模化应用的正负极材料主体是插层型材料。部分相变型负极材料，以硅为代表，通过掺杂形式获得了少量实际应用；而相变型正极材料，包括氯化物、硫化物、氟化物、碘化物等，虽然科学研究努力不断，但实际应用成熟度仍然较低。质优价廉的石墨负极，其比容量即可实现接近 370mAh/g，遑论硅基负极；而相对电压较高（均值 3V 以上）的正极体系比容量仍然在 300mAh/g 之内。这也使得整个锂电池的活性物质体系内部，正极比容量不足、影响电池综合性能的问题显得尤为突出（以锰酸锂正极为例，本文介绍电极材料的理论比容量计算方法：1、给出理论嵌锂态和理论脱锂态的材料化学式，对锰酸锂来说分别是 LiMn2O4 和 Mn2O4；2、计算该材料的相对分子质量，锰酸锂为 180.81；3、计算该材料嵌锂态、脱锂态对应的锂变化的物质的量百分比，锰酸锂为 100%；4、以 1mol 该材料为比较基准，计算锂对应的电荷转移的电量，需用到法拉第常数 96485C/mol、C-Ah 的换算关系 3600 倍；5、最后用电量除以相对分子质量，得到理论比容量，单位统一为 mAh/g。锰酸锂正极的计算结果是 26.80Ah/180.81g=148mAh/g。同理可计算得到磷酸铁锂的理论比容量约 170mAh/g，三元锂的理论比容量约274mAh/g。电极材料的实际比容量和理论比容量有关，也和锂嵌入/脱嵌的边界条件等有关）。
当前广泛应用的插层正极材料根据晶体结构不同，包括了层状材料、尖晶石和橄榄石（属于聚阴离子）三大体系。三个体系的结构阴离子均为氧离子。层状正极材料代表如钴酸锂、三元材料；尖晶石正极材料代表如锰酸锂；橄榄石正极材料代表如磷酸铁锂。各类插层正极材料的优化改进均未停止。再加上相变类的硫正极，我们即将看到电池活性物质“补短板”的努力。
2、层状氧化物正极，性能向的优选 钴酸锂是第一个商用化的层状氧化物正极，具备相对较高的理论比容量（274mAh/g，及容量密度）、低自放率、高截止电压（且在持续优化升高至接近 4.5V）。其在消费电子领域的应用绵延至今。同时，钴昂贵，而且钴酸锂较高脱锂态结构稳定性一般，热稳定性、高倍率循环寿命堪忧。所以研究者一直在寻求改进钴酸锂各种短板的方法。
镍酸锂和钴酸锂的晶体结构相同，镍较之钴更廉价。但是镍酸锂中的三价镍因 J-T 效应稳定性不足，而且镍酸锂中的部分二价镍会和锂离子混排（材料合成及脱锂时均有可能发生，而钴对此的抑制能力强）。在循环过程中，镍酸锂会发生较高程度的不可逆相变，影响性能-寿命表现。而且，镍酸锂的热稳定性也不及钴酸锂。少量掺杂钴、铝的 NCA 正极，即是对镍酸锂的改进：电化学综合性能和热稳定性更佳，但高压下结构稳定性不足可能释氧。
很自然地，研究者对层状氧化物正极的中心过渡金属离子进行混合搭配以提升材料的综合性能。稳定性最高的组合是“镍锰 平衡”，再以钴抑制锂镍混排。过渡金属离子需要原子级混合、物理位置等同，液相混合制备前驱体再煅烧扩散锂离子并控制过渡金属离子价态成为主流合成方法。NCM 三元正极就此诞生。
三元正极中镍含量较高时，其高度脱锂态最终四价镍的比例也较高，这种脱锂态达成的电压要求相对不高。所以对高镍三元正极来说，充电截止电压不太高时容量即可发挥较多（如典型NCM811 正极在 4.3V 截止电压下的可用比容量超过 200mAh/g，NCM9055 正极的可用比容量更高）。可见高镍正极一方面有利于提升电池能量密度，另一方面对电解液耐压的要求相对较低，使得电池材料体系构建的综合门槛不至于非常高。
给定相同截止电压，高镍正极的比容量更高（如 4.4V），但对高镍正极进一步提升充电截止电压的实际意义不大。如将充电截止电压提升至 4.8V，在约 4.4V 以上时即基本没有有效容量增加；放电的截止电压事实上也从 4.4V 开始。另外，高度脱锂态高镍三元正极发生不可逆相变、开裂的倾向也比较明显，影响材料循环寿命。
中镍正极材料（以 NCM424 为例）的比容量-电压特性表现和高镍正极有相当程度差别。充电截止电压不高（如约 4.3V）时，材料的比容量约 160mAh/g；提升至 4.5V，比容量超过180mAh/g；再提升至 4.7V，比容量甚至超过 220mAh/g。
但是高电压对材料循环寿命的影响也相当显著。这一方面来源于高电压下正极高度脱锂态的不可逆相变、开裂乃至于释氧等，另一方面来源于电极和电解质的界面副反应加剧。如果将不同镍含量的正极材料综合比较，我们可以发现，截止电压4.4V 的 NCM9055 正极，其比容量和截止电压高达 5V 的 NCM111正极相近，而后者对应电池的理论能量密度更高。或者说，高镍标准电压、中高镍较高电压、中镍高电压正极对应电池的能量密度接近。中低镍极高电压正极是理想化的高能量密度电池正极，因为对电解液耐压能力要求极高，技术可实现性有待长期验证。
以合适的电解液成分、合适的电极包覆掺杂共同构建出耐压的正极表面 CEI 膜，大概率是提升三元电池实际充电截止电压的有效手段。
有研究者证实，锰加剧锂镍混排，对三元材料的倍率性能有一定不利影响；但锰的存在也有利于晶格氧及层状结构的稳定， 从而有利于三元正极的容量保持。所以三元正极的过渡金属离子配比需要综合考虑。
三元正极的颗粒聚集态有多晶、单晶之别。多晶（二次颗粒几微米-10 微米左右，对应一次颗粒几百纳米）比单晶（一次颗粒微米级）的比表面积更高，有利于倍率性能。
在对三元材料的性能表现理解深入的过程中，研究者也开发了系列改性手段适配需求。体相掺杂方面，有研究者归纳了多种元素对正极材料性能的作用。
如以铝掺杂 NCM 正极得到 NCMA 正极，铝氧键强度更高，使得NCMA 正极的晶格变形更小（-3.6%对-4%以上），断裂强度更高（NCMA 材料的断裂强度高达 185.7MPa，作为对比 NCA 材料的断裂强度是 125.5MPa，NCM 材料的断裂强度是 137.2MPa），材料不易开裂、循环寿命提升。
研究者认识到，富锂锰酸锂 Li2MnO3，或者说Li[Li1/3Mn2/3]O2，相当于锰(III)酸锂（LiMnO2）层状结构中1/3 的八面体位锰被锂所取代形成的化合物，在 4.5V 以上的高电压条件下体现出了电化学活性，而且在用部分镍、锰、钴、铬、铁等元素取代八面体位锰-锂对（根据其化学计量比 2:1）后，形成的所谓富锂锰基氧化物 xLiMO2·(1-x)Li[Li1/3Mn2/3]O2 具备超过 250mAh/g 的初始可逆比容量，和接近 5V 的高截止电压。这吸引了材料研究者的极大兴趣。富锂锰基正极材料在约 2.0V-4.8V 区间内具有的超过 250mAh/g 的 比容量是其最诱人的性能特点，但是这一容量至今尚无法在较多次循环过程中得到有效保持。
富锂锰基正极材料的首次充电曲线可以观察到两个不同的区域。在 4.5V 以内，传统层状结构 LiMO2 中的镍和钴化合价升高，同时常规层状结构中的锂离子从正极脱出嵌入负极，Li2MnO3 层中的部分锂离子也脱出进入层状结构（事实上发挥补锂剂作用）等。在 4.5V 以上出现的新平台则被多数研究者归因于 Li2MnO3 层（和该层在高电压下体现出电化学活性相应）的贡献，包括部分锰的变价，部分结构氧流失为氧气并形成氧空位，-2 价氧失电子变为-1 价氧提供电荷补偿，锂离子从过渡金属层中脱出形成 Li2O 并使得材料结构重排为传统层状结构，锂、锰、氧有复杂的电荷补偿关系等。也有实验研究结果同时验证了上述理论归纳的“部分正确性”。
有研究者观测富锂锰基正极首次循环后不同化学键键长的变化，发现大量的氧从初始位置转移，形成高度收缩的过渡金属-氧八面体；充电过程中扭曲的晶格在正极放电时并未完全恢复，所以首次循环电压滞后。而且过渡金属-氧八面体的畸变对正极后续循环的比容量-电压特性也会产生影响。
富锂锰基正极继续循环，突出的特征是放电平均电压持续降低。有研究工作认为，材料体系会在锂、氧脱出基础上，先后发生过渡金属持续从层状结构中脱出（甚至进入电解液）、形成不可逆的尖晶石相等过程，该过程影响了放电平均电压。 （如果过渡金属中心离子持续脱出，正极的容量也会受到影响。）另外，晶体结构的变化会造成应力累积。
就晶体结构、主要成分而言，富锂锰基正极和三元正极的近似度很高。其合成手段包括固相法、共沉淀-煅烧法、溶胶凝胶-煅烧法、水热法、自蔓延燃烧法等，但鉴于富锂锰基正极的结构复杂，内部过渡金属原子并未均处于化学等同位置，各类液相混合手段是适宜的。
富锂锰基正极具体成分和其性能的关联度也很高。如有研究表明，锂含量提升（钴镍含量同步变化）正极平均电压下降；钴含量提升正极容量提升等。
如果材料体系存在的问题得到解决，在充电截止电压高达约4.6V 的条件下，富锂锰基正极大概率是高能量密度电池对应正极的最有力候选者（即使此时高镍三元正极容量保持很高，中高镍、中镍三元正极的容量显著提升且高压部分的容量贡献较多）。
材料循环过程中容量、电压变化对富锂锰基正极循环寿命的影响是其面临的主要问题；富锂锰酸锂对锂输运的阻碍以及材料循环过程中表面较厚的 CEI 膜的形成还影响倍率性能。基于此，对富锂锰基正极材料控制主体元素组分，合成合适的颗粒形貌、结构，也需搭配各类改性手段。如体相掺杂、表面包覆、表面处理等等，目的包括抑制氧析出、抑制电极-电解质副反应、改善电导等。常用的掺杂元素包括锂位的钾、钠，过渡 金属位的钴、钛、锆、铁、铜、锌、锡；氧位的卤...
