三元锂电池的四大材料（科普篇）

先来说说三元锂电池大致的工作原理是什么。

我们以三元锂电池为例。简单地做了一个图，下面就是单个电芯的结构图（电芯相当于电池的心脏）。每个电池组都由很多很小块的电池组成。

其中，最上面的是铝箔面，最下面的是铜箔面，这两个不难懂。

正极（阴极）是由高纯度的含锂氧化物组成的。

负极（阳极）由石墨组成，是一种层状结构的碳。

正极和负极之间都是电解液，电解液的纯度要非常高，一般要无水。

为了避免短路，中间还加了隔膜，对于锂离子来说，隔膜是可以渗透的。

充电：带正电荷的锂离子从阴极出发，穿过隔膜到达阳极的层状石墨，与从外部电路过来的电子e结合，并储存电量。

放电：锂离子通过电解液，从阳极出发，穿过隔膜并返回到阴极。电子e也从负极材料离开，在正极上与锂离子结合。电机再将电能转化为机械能，然后让汽车行驶。

更通俗的解释，我们可以把一小块电池想象成一个汉堡包。

拿麦当劳的双层吉士堡（忽略中间的青瓜配菜）来当例子：

最上层的面包是铝

第二层牛肉是正极

中间的芝士是隔膜

第四层牛肉是负极

第五层的面包是铜

锂离子的充放电就是不断地往上跑，往下跑。

充电时锂离子从最上层面包出发，经过第二层牛肉，透过芝士在经过第四层牛肉，到达最底层面包。

放电时锂离子从最下层面包出发，经过第四层牛肉，透过芝士在经过第二层牛肉，到达最上层面包。

现在路上走的电动车大部分用的是三元锂电池。我们说的三元锂电池材料，一般包括这四种，分别是正极、负极、电解液、隔膜。

三元锂电池的成本如下图：

1、正极

电池的正极包含镍、钴、锰（或铝）三种金属元素的聚合物，为什么会叫三元锂电池，也是因为这个原因。通俗来说就是两种：镍钴锰（NCM）和镍钴铝（NCA）。

在三元锂电池中，缺其中一种材料就造不出电池。根据要求，可以适当的调节电池的比例，我们说的523、622、811指的就是镍钴锰的混合比例。

提高镍的比例：电池能量更足；

提高钴的比例：电池寿命更长、充电更快；

提高锰/铝的比例：电池更稳定、成本更低。

目前特斯拉采用的就是松下NCA和LG化学NCM811高镍电池，高续航的车必须要搭配高镍电池作为其基础，未来电池的高镍化趋势不变。

2、负极

充电过程中，锂离子和电子的载体，起着能量的储存与释放的作用。

负极材料一般由石墨组成，石墨又分为天然石墨和人造石墨。天然石墨有成本优势，但寿命比较低。而人造石墨各个性能都比较平均，与电解液的相容性也好。

人造石墨主要用于大容量的车用动力电池，天然石墨主要用于小型锂离子电池。目前人造石墨成为了负极材料的首选，市场份额从14年的56%增至今年的82%。

除了传统的人造石墨。还有一种是加了10%硅基材料的人造石墨，这款硅碳复合材料已经应用到Model 3。未来这种硅基材料的人造石墨搭配高镍可能会成为趋势。

3、隔膜

隔膜的主要作用是使电池的正、负极分隔开来，防止两极接触而短路，此外还具有能使电解质离子通过的功能。

隔膜分为干法和湿法，湿法膜涂覆是大趋势。2020 年湿法隔膜的占比达到了74%。湿法工艺薄膜孔径小，薄膜更薄，但工艺复杂，环境污染大。干法工艺孔径和孔隙率难以控制，产品会比较厚。

4、电解液

电解液在锂电池正、负极之间起到传导离子的作用，一般由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐、必要的添加剂等原料在一定条件下按一定比例配制而成。

锂盐占到电解液成本的56%，是电解液的上游材料。六氟磷酸锂是目前商品化锂离子电池中使用的最主要的电解质锂盐，对其纯度、稳定性要求非常高，制造工艺难度极大。