锂电池到底需要多少锂

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      目前主流的动力电池都是锂离子电池，并且采用液态电解液，针对这一体系，其主要成分的分析如下图所示。其中正极材料是锂的主要载体，无论是最早的钴酸锂 (LiCoO ₂ ), 还是动力上常用的三元 (LiNi _x Co _y Mn _1-x-y O ₂ ) 或者磷酸铁锂 (LiFePO ₄ ), 其分子中都含有 1mol 的锂。而且正极材料在整个电芯中的占比也是最大的，一般在 35~45% 之间，所以说电池中锂的主要来源就是正极材料。除此以外，因为要实现锂离子的传输，电解液中也必须含有锂离子，但要注意的是，目前的电解液相对较稀的溶液，锂盐的浓度大约在 1~1.2mol/L之 间（在这个浓度区间锂离子电导率最高），其主要成分是溶剂并不是溶质。除此之外，其他主要成分并没有锂，包括常用的石墨或者硅负极，隔膜，导电碳，以及铜铝箔等。所以说针对锂离子电池，只需考虑正极材料以及电解液中的锂。

       但锂在这两者中的分布并不均匀，大部分来自正极材料，少部分来自电解液中的锂盐 (LiPF ₆ ) 。针对 三元电池 ，以某 45Ah 左右铝壳高功率电芯的设计来计算，其正极 NCM523 材料含锂大约是 2.82mol, 电解液溶质 LiPF ₆ 含锂大约是 0.113mol. 电解液含有的锂只占正极材料的 4% 左右。这里面的计算主要根据正极材料克容量发挥 : 该款电芯充电到 4.35V, 正极克容量发挥为 165mAh/g, 实现 45Ah 需要正极材料以及锂的摩尔数为 45*1000/165/96.55=2.82mol 。计算电解液含锂量可以依据保液量（业内常用保液系数这个参数，可通过增加压实密度，降低孔隙率来减少）来估算，一般高功率三元电芯可做到保液系数 3g/Ah ，那么 45Ah 电芯注液量为 135g 左右。电解液密度密度 1.2g/cm ³ , 浓度 1mol/L 时，电解液中锂含锂为 0.113mol. 如果按照电解液中的锂是正极材料的 4% 来计算单位 Wh 的含锂量，电芯总能量 3.73V*45Ah=167.85Wh, 总含锂量为 2.82*1.04=2.93mol*6.94g/mol=20.33g, 单位 Wh 含锂量为 20.33/167.85=0.121g/Wh. 按照乘用车 50kWh 的带电量来计算，单车所需的锂为 6.05kg 。

      对于 磷酸铁锂电池 而言，计算方法是类似的，但 LFP 克容量发挥比三元要低，最高也就 150mAh/g 左右，假设是 45Ah 电芯，其正极材料的摩尔数为 45*1000/150/157.76=1.9mol, 锂的含量 也是1.9mol。只不过保液量会有所增加，假设是按照 3.5g/Ah 计算 ( 目前高能量的 LFP 能做到 3.2g/Ah 了，一般在 3.2~3.6 之间 ) ，电解液含锂量为 45*3.5/1.2*1mol/L=0.13mol, 占 LFP 正极的比例约为 6.8% 。可见 LFP 消耗的电解液跟三元比是更多一些的。不过 LFP 电芯的总能量 45*3.2=144Wh, 假如按照电解液占 7% 的含锂量计算，总含锂量 1.9*1.07=2.033mol=14.11g. 单位 Wh 含锂量为 14.11/3.2/45=0.098g/Wh. 按照乘用车 50kWh 的带电量来计算，单车所需的锂为 4.9kg .

      从上述计算结果可知，单位 Wh 的用锂量磷酸铁锂（ LFP ）是要比三元更优的，这主要是因为 LFP 对于锂的利用率更高一些.  LiFePO ₄ 理论克容量是 170mAh/g 左右，而实际发挥的容量可达 150mAh/g, 是理论容量的 88% 左右。相比之下，三元材料的理论克容量 275mAh/g 左右，上面计算的 NCM523 发挥的容量才 165mAh/g, 是理论的 60% 左右，可见三元材料中的锂有 40% 都没有充分利用，这一点跟铁锂比是很大的劣势。如果改成 NCM 高镍 8/9 系，克容量发挥能达到 215mAh/g 的话 ( 实际很难达到 ) ，其锂的利用率可达 78% 左右，再加上保液量下降的趋势，其单位 Wh 锂的用量是可以小于 LFP 的。所以说从资源的角度来看， LFP 成为主流会更加节约锂资源，有利于支持电动汽车的大规模推动（不过辩证的看， LFP 回收价值很低，又不利于可持续发展，除非循环寿命做到很长，这也是目前储能和动力 LFP 电池追求的方向）。目前的中镍高电压材料并没有充分利用材料中的锂，存在较多的浪费。而高镍的 8/9 系配合高压实低保液的设计其对于锂的利用率才能与 LFP 相媲美， 欧美企业近些年非常热衷高镍三元的发展，这其中与提高锂的利用率，促进资源可持续发展密不可分 。而国内使用中镍高电压主要是成本考量，这也是国内电池笑傲全球产业链的优势所在。

二、新型电池体系的含锂量分析

       通过上述分析可知，目前主流的锂离子电池中锂的主要来源是正极材料，少量在电解液中。且随着镍含量的提高，比能量的增加带来的少液化和贫液化的思路，电解液的含量也越来越少。但如果是采用锂金属电池或者固态电解质的话，情况就不一样了。

        2.1 锂金属电池

       以目前 SES （麻省固能）的锂金属电池为例，采用高镍 8 系或者 9 系作为正极材料，其克容量发挥可以达到 215mAh/g, 因为采用了超高容量的锂金属作为负极，如果简单按照其正极材料质量占比接近 50% 计算的话，其电芯比能量可达 215*3.75*50%=403mAh/g, 但实际上其 45Ah 左右 ( 实际为 50Ah) 的电芯比能量仅为 357Wh/kg(参考 2022年一些电池技术的进展总结 ), 主要是因为采用了中高浓度的电解液缘故 ( 目的是抑制锂枝晶 ) 。其电解液 LIFSI 浓度为 3~5mol/L, 我们就取 4mol/L 进行计算，由于其浓度增加，密度也会变大，大约在 1.6g/cm ³ 。好在锂金属电池的保液量由于没有了多孔石墨负极的影响可以下降很多，假设为 1.5g/Ah, 我们还按照 45Ah 电芯来计算，则需要 67.5g 的电解液，其含有的锂为 0.169mol （主要原因是 4M 的电解液浓度偏大） , 而正极材料为 2.15mol, 占比接近 8% ，比液态中的 4% 多了很多。其次，锂金属也会额外增加锂的用量，即使假设为 1:1 的极低比例，锂的用量相比锂离子电池也提高了一倍。在目前锂盐价格高企的情况下，这会显著增加锂金属电池的 BOM 成本，即使不考虑工艺成本，单从锂盐成本看就翻倍了。（事实上， 超薄锂金属一直是业内需要解决的问题，其工艺成本并不能忽略 。这是由于锂的克容量高达 3800mAh/g, 在正极容量 215mAh/g ，面密度 460g/m ² 情况下，正极面容量为 4.945mAh/cm ² ；所需金属锂的单面面密度为 1.3mg/cm ² ，锂的密度很低为 0.534g/cm ³ , 计算得到锂的厚度为 24µm 。现实中商业可获得的锂箔厚度通常在 50 μ m 以上且难以再通过机械加工减薄，所以说 SES 也要跟供应商一起合作开发超薄超宽锂箔的相关工艺。学术文章上也有通过化学减薄剂来实现 15µm 锂箔的，感兴趣的可参考 Facile, Atom-Economic, Chemical Thinning Strategy for Ultrathin Lithium Foils , Nano Lett.   2022 , 22, 7, 3047–3053 ）

        2.2 全固态电池

      除此之外，固态电池由于固态电解质的使用，其锂含量也会有所增加。我们以最近很热门的电导率高达 32mS/cm 的硫化物固态电解质为例 ( 具体可参考 今日重磅Science：新型固态电解质实现32mS cm-1超高室温离子电导率！瞄准全固态电池实际应用！ ) ，其分子式为 Li _9.54 [Si _0.6 Ge _0.4 ] _1.74 P _1.44 S _11.1 Br _0.3 O _0.6 ( 暂且不管是否容易批量合成 ) ，相对分子质量为 580.23g/mol. 理论密度在 2.0g/cm ³ 附近（按照 LGPS 材料估算，如果材料结晶差，实际密度可能会小一点）。假设其采用高镍三元，孔隙里全部填充固态电解质，通过上面的分析可知液态电解液占用的总体积为 45*2.5/1.2=93.75cm ³ （备注：理论上液态电解液会填充隔膜孔隙的体积，一般在 50% 左右。固态电池利用固态电解质本身作为隔膜，占据 100% ，我们姑且认为其总体积一样）。这样固态电解质总质量为 93.75*2=187.5g, 所需锂的摩尔数为 187.5/580.23*9.54=3.083mol, 要知道正极材料的含锂量才 2.15mol, 电解质中锂的含量居然比正极还要多， 惊不惊喜，意不意外？ 对于固态电池质，大家总是在关注离子电导率，关注界面电阻，但却很少有人在意其中的含锂量。其实对于大部分固态电解质而言，尤其是电导率高的，材料中 锂的浓度是很高的（毕竟要导锂离子） ，以上述 32mS/cm 的改进型 LGPS 为例，其锂的浓度为 1000*2/580.23*9.54=32.88mol/L, 要知道目前常规液态电解液中锂的浓度才 1~1.2mol/L, 这款硫化物固态电解质中锂的浓度简直逆天的高。所以不能只看其高达 32mS/cm 的电导率，在目前锂盐价格 30 万 / 吨的情况下，超过 32mol/L 的浓度会严重制约其大规模应用。所以说很多企业也在研究针对硫化物的无负极电池，来降低电解质的用量(比如珠海高能时代)。追溯历史，这一轮锂金属电池和固态电池的研发是在 2020 年就兴起了的，那时候锂盐价格才 5 万 / 吨，多用点锂影响不大。而随着锂盐价格的高位徘徊，目前来看锂金属和全固态两种技术方向成本都太高昂，而且还有很多技术问题要解决，真正规模量产的道路还很漫长。就像 CATL 吴凯总说的那样，丰田在 2027 年也不一定能规模量产全固态电池，即使量产了，成本也不可能减半。

三、锂资源够用吗？

       通过上述分析可知，针对 LFP 以及高镍三元类电池，每 kWh 需要的锂大约为 0.1kg, 对应的碳酸锂当量为 0.53kg 左右。在价格为 30 万每吨时，每度电 BOM 成本约为 159 元；对于锂金属电池和全固态电池，锂的用量基本都要翻倍，达到 320 元以上。再加上工艺制程的复杂以及还未形成规模经济，目前的锂金属电池和全固态电池成本至少是锂电池的 2~3 倍。在关注成本的同时，业内更在意的是长远来看锂的储量能否支撑全世界汽车的电动化发展。在云上宜宾高端论坛上，欧阳明高院士提到，如果把全球 8000 万辆乘用车都替换成锂电池，按照每辆 50kWh 来计算，一共是 4000GWh. 考虑到其他车辆的电动化，行业估计到 2030 年，全球动力电池装机量为 4500GWh( 从云上宜宾-高端对话看储能和钠离子电池 ) ，那么每年所需要的锂资源是 4500*1000*1000*0.53/1000=238.5 万吨（碳酸锂当量），作为参考， 2022 年我国碳酸锂消费量约为 50.5 万吨，世界占比约为 80% ，那么总消费类为 63 万吨。 2030 年的需求是目前的 4 倍左右，届时全球碳酸锂储量是否够用呢？

       正好在 7 月 8 日，自然资源部中国地质调查局全球矿产资源战略研究中心发布了《全球矿产资源储量评估报告 2023 》，里面提到全球锂矿（碳酸锂当量）储量 13488 万吨，资源量 38852 万吨。如果按照 13488 万吨的储量来计算，可支持使用 56.5 年。要知道锂资源是可以回收利用的，一般电动汽车以及储能系统的寿命也就 20 年，而且后续随着技术进步，可开采的资源量也会不断攀升，所以锂资源是足够支撑电动汽车行业发展的。报告中也提到了全球锂资源储量丰富，是不存在资源瓶颈的。但值得一提的是，报告中反馈镍、钴、铜等资源的保障程度较低，需进一步加大勘查力度和资金投入。考虑到三元电池中对镍和钴的需求较大，可尽量减少这两种金属的使用以避免资源瓶颈，这样来看发展磷酸铁锂 LFP 以及磷酸锰铁锂 LMFP 是非常有必要的，毕竟铁锰磷等资源都是十分丰富的，而且价格也很低廉。

       小结 : 从目前的数据分析来看，针对 LFP 以及高镍三元类电池，每 kWh 需要的锂大约为 0.1kg, 对应的碳酸锂当量为 0.53kg ；而中镍高电压材料由于锂的利用率低下，需要更多的锂，每 kWh 在 0.12kg 左右，对应的碳酸锂当量为 0.636kg 。但世界范围内碳酸锂的储量是够用的，足够支持电动汽车行业的发展，短期内锂盐价格的高位震荡主要是供应失衡所致。后续随着广期所碳酸锂期货交易的上线和供应的回升，碳酸锂的价格有望企稳下降，实现国家领导和行业专家预测的 10~20 万 / 吨的合理价格区间。在目前锂盐价格 30 万以上的现实下，锂金属电池以及全固态电池的成本过于高昂，短期内在动力电池市场的应不容乐观。 LFP 电池由于高安全，低成本以及高带电量等优势依然是动力电池的中流砥柱。不过超高比能 500Wh/kg 的电池依然值得研究，这是航空器电动化的重要方向，可助力锂电池征服浩瀚的长空( 500Wh/kg锂电池的技术路径与前景 )。而对于动力电池领域，半固态电池由于沿用了液态的体系，只是添加了少量的含锂固态电解质，但减少了液态电解液的量，整体上对锂的需求相对平稳，其材料成本提高幅度不大。后续会结合蔚来汽车的 360Wh/kg 半固态电芯进行分析，敬请期待。

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