锂离子电池材料在我国新能源领域的应用与市场预测_尚建壮.pdf

收稿日期：2022-12-08作者简介：尚建壮（1980-），男，安徽省人，教授级高级工程师，主要从事化工规划咨询工作。目前，我国能源生产和消费正在实现清洁、低碳、安全、高效的历史性变革，能源行业步入高质量发展新征程。锂电池能够显著加快能源原料结构调整和提升能源利用效率，在新能源和传统能源发电、输配电、消费端都有广泛的应用场景，对于推动新能源发电革命、储能革命、电动汽车革命，实现“双碳革命”都具有至关重要的作用。2010年我国锂电池对于锂资源的消费占比已经超过50%，2021年则进一步提高到69%，锂已经成为具备能源属性的元素，锂行业在我国能源体系中占据重要地位。1元素特性及产业链概况1.1元素特性锂作为一种金属元素，分子量为6.941，非气态单质中密度最小（0.534 gCm3）。锂的金属活动性仅次于铯，1 kg锂燃烧可以释放42 998 kJ的热量。锂具有最低的标准电极电位（Q=3.045 V），最高的比容量（3 860 mAhg），最小的电化学当量（0.269Ah），具有设计成高能量密度储能装置的天然优势。锂离子电池以开路电压高，比能量高，工作温度范围宽，放电平衡，自放电子等优点，是最具前途的动力电池，锂电池材料在能源体系中的应用如图1所示。锂离子电池材料在我国新能源领域的应用与市场预测尚建壮，李晔（石油和化学工业规划院，北京100013）摘要：在我国实现“双碳”愿景的大背景下，简述了具备能源属性锂元素的特性及其产业链情况和应用领域；分析了锂离子电池材料的市场需求和资源保障，对锂离子电池产业未来高质量发展提出了建议。关键词：能源革命；锂离子电池材料；应用与市场；预测分析；锂资源保障分析；发展建议文章编号：1673-9647（2023）01-0017-07中图分类号：O646.21文献标识码：A1.2上下游产业链锂产业链上游主要是锂矿开采，按原料类型可以分为矿石原料和卤水原料。其中，矿石原料（锂辉石、锂云母）为供应主体，卤水原料（盐湖卤水）为资源储量主体。随着我国提锂技术的不断进步，在国内逐渐形成两种原料并重的供应格局。锂产业链的中游主要包括碳酸锂、氯化锂、氢氧化锂、金属锂等四个母体产品。近年来，随着锂离子电池的快速发展，其下游领域可以分为电池材料和精细化工两大应用领域，锂产业链基本情况如图2所示。除了作为电池材料，锂还广泛应用于陶瓷和玻璃、润滑剂、制冷液、核工业等行业。其中，第41卷第1期2023年1月化学工业CHEMICAL INDUSTRY图 1锂电池材料在能源体系中的应用示意17化学工业CHEMICAL INDUSTRY2023年第41卷图 2锂行业产业链基本情况示意陶瓷和玻璃行业是锂的第二大消费领域。碳酸锂用于陶瓷生产能够大幅降低能耗，在玻璃生产过程中的新作用也不断被发现。由于锂及其化合物燃烧值高，可用于火箭燃料。金属锂热熔大的特点使得其在核聚变或核裂变反应堆中用作冷却剂。此外，溴化锂还是一种高效的水蒸气吸收剂、制冷剂和空气湿度调节剂。锂盐作为铝电解槽中添加剂的节能效果也十分显著。正丁基锂广泛用作有机合成引发剂和橡胶添加剂等。2021年我国锂下游消费领域及占比如图3所示。2电池材料市场情况2021年，我国锂离子电池行业以深化供给侧结构性改革为主线，加快提升了产业链、供应链的现代化水平，全行业实现快速增长。全国锂离子电池产量324G Wh，同比增长106%，其中消费、动力、储能型锂电池产量分别为72 GWh、220 GWh、32 GWh，同比分别增长18%、165%、146%。2.1动力市场2.1.1市场现状诺贝尔奖获得者、锂电池材料发明者斯坦利惠廷厄姆预测，气候变暖引发了很多极端灾难，更清洁的可持续电能将是未来的趋势，大城市中传统内燃机汽车将逐渐消失。锂离子电池作为便携式储能的重要形式，相关技术已奠定了无化石燃料社会的基础。在汽车电气化和智能化双轮驱动下，新能源汽车市场进入规模化、爆发式增长新阶段，带动锂电池材料行业快速增长。2021年，我国新能源汽车产量达354.5万辆，同比增长158.7%，市场占有率达到13.4%，其正极材料主要采用磷酸铁锂和三元材料。图 32021 年我国锂下游消费领域及占比示意18第1期表 1我国新能源汽车对锂电池材料的需求预测年份正极材料万t负极材料万t隔膜亿m2铜箔万t电解液万t其中电解质万t20212025203566136.933026.454.7158.439.682.1237.617.636.5105.630.863.9184.82.865.917.162.1.2经济效益从制造成本、装备成本、能源利用效率、经济效益和环保等方面综合对比，新能源汽车相较于传统燃油汽车，成本节省约13，能源效率提升约1倍，运行成本仅为其16。由于新能源汽车发电厂集中布置，相比传统燃油汽车的分散式燃烧过程，新能源汽车大幅度降低了无组织排放。正是基于以上优势，我国新能源电动汽车在短短十年时间内走过了试点示范阶段、推广应用阶段，并进入了爆发式增长新阶段。20162021年我国电动车增长情况如图4所示。2.1.3消费预测2020年10月20日，国务院办公厅发布了新能源汽车产业发展规划（20212035年），该规划为未来十五年我国的新能源汽车发展指明了方向。预计到2025年，我国新能源汽车销售量将占我国汽车新车销售总量的20%左右。经过15年的持续努力，我国纯电动汽车有望成为新销售车辆主流。据此预测，我国新能源汽车对锂电池材料的需求详见表1。2.2储能市场2.2.1市场现状根据储能方式的不同，储能技术主要分为三类：机械储能（如抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能等）、电磁储能（如超导电磁储能、超级电容器储能等）、电化学储能（如铅酸电池、氧化还原液流电池、钠硫电池、锂离子电池）1。主要储能技术发展阶段如表2所示。电池储能主要有锂离子电池、铅酸电池、钠硫电池、液流电池等。其中，锂离子电池储能系统由于其高能量密度、大放电倍率和不断下降的成本等显著优点，已在全球各国电力行业中蓬勃发展。在全球新型储能累计装机规模中，锂离子电池市场份额最近两年均超过90%，占据绝对主导地位，2021年我国电化学储能约为32 GWh，目前采用的正极材料以磷酸铁锂为主。2.2.2经济效益从单位容量造价来看，铅蓄电池、钠硫电池、液流电池、锂电池单位容量造价都在5 000元kW以下，已经低于火电发电、光伏发电和风能发电成本；从能源利用效率来看，锂电池具有90%以上的能源利用效率，因此上述电池类型作为储能具备经济性。不同储能技术特点及单位造价详见表3。2.2.3市场预测电化学储能系统具有快速响应和双向调节的技术特点，环境适应性强，小型分散配置且建设周期短，打破了电力发输配用各环节需同时完成的固有属性，在电力系统电源侧、电网侧和用户侧承担不同的角色，如在发电侧实现火储联合调图 42016 年2021 年我国电动车产量示意尚建壮等：锂离子电池材料在我国新能源领域的应用与市场预测表 2主要储能技术发展阶段和适用场景储能类型技术成熟度适用场景化学电池抽水储能飞轮储能钠硫电池压缩空气储能超导电磁储能氢储能超级电容器液流电池储能微型空气储能技术成熟技术成熟技术成熟比较成熟比较成熟比较成熟比较成熟研发阶段研发阶段研发阶段用户环节、配能环节、输能环节发电环节用户环节配能环节、输能环节发电环节配能环节用户环节、配能环节用户环节配能环节、输能环节配能环节、输能环节19化学工业CHEMICAL INDUSTRY2023年第41卷年份正极材料万t负极材料万t隔膜亿m2铜箔万t电解液万t其中电解质万t2021202520359.616.8104.03.86.741.65.810.162.82.64.527.74.57.848.50.40.74.5表 4锂电池材料储能市场需求预测表 3不同储能技术主要特点及单位造价储能技术功率综合效率%循环寿命次单位容量造价（元kWh-1）典型储存期使用寿命a抽水储能空气储能飞轮储能超导储能超级电容铅蓄电池钠硫电池液流电池锂电池1005 000 MW1300 MW1 kW1 MW100 kW10 MW级1500 kW0.1 kW1 MW10 kW10 MW30 kW10 MW1 kW10 MW718060708090959790977590758075809095寿命期间无限制寿命期间无限制十万次以上1 0005 000十万次以上5001 2004 0005 0008 00012 0002 0004 0005001 5003001 2007 00030 0007 00070 0002 00014 0002 0002 5003 3005 0003 5005 0003 0005 000410 h14 h1 s1 min1 s8 s1 s30 min1 min3 h0.110 h120 h1 min5 h466030401520+20+5515510515频、新能源发电配储等；在电网侧实现调峰、二次调频、冷备用、黑启动等；用户侧实现峰谷套利、需量管理、动态扩容等。考虑到锂电池储能受限于锂矿原料保障制约，其在新能源发电侧由于投资成本已经低于风电和光伏发电，同时能源效率高，适应范围广，是最具发展潜力的一种类型，因此本文依据新能源发电配储单一领域进行市场预测，并假设以下场景：（1）基础数据：截至2021年12月底，全国发电装机容量约23.8亿kW，同比增长7.9%。其中，风 电 装 机 容 量 约3.3亿kW，同 比 增 长16.6%；太阳能发电装机容量约3.1亿kW，同比增长20.9%。（2）可再生能源发电总装机：据国家能源局预测数据，2025年可再生能源发电总装机突破11亿kW，作者预测2030年我国新能源发电总装机突破22亿kW（占发电总装机的60%）。（3）储能配置：保守估计2025年按照20%采用储能，其中20%采用锂电池储能；2035年按照30%采用储能，其中20%采用锂电池储能。（4）其他领域储能配置：2025年新能源发电配储占锂电池储能整个领域的比例为80%，2035年占比60%。在上述场景下，预计2025年新能源发电配储需要锂电池储能约44 GWh，2035年需要锂电池储能约88 GWh；则储能市场2025年需要锂电池储能约55 GWh，2035年达到150 GWh，则锂电池材料市场需求如表4所示。2.3消费市场我国锂电池在消费市场主要应用于3C消费电子产品（手机、电脑、数码相机）领域，该领域在我国锂离子电池消费中起步最早，但占比开始呈下降趋势，新兴消费类电子产品消费占比呈上升趋势。随着新兴消费电子产品的不断涌现，锂电池消费将继续呈现稳定增长的趋势。2021年消费型锂电池产量为72 GWh，其采用的正极材料以钴酸锂为主。20172021年，我国消费型锂电池年均增长率为22%，由32.5 GWh增长至72 GWh。预计，2021年到2025年年均增长率将为15%。在考虑到我国传统3C领域市场保持稳定、新兴市场快速增长、2025年到2030年年均增长率为10%的情况下，2021年、2025年、2035年锂电池材料市场需求情况详见表5。2.4总体市场预测受动力市场快速增长影响，预计2021年2025年我国锂电池消费市场将保持年均18.5%的20第1期表 7未来全球和我国锂消费需求预测年份中国全球电池材料万t消费量万t中国占比%2021202520355.510.96.110.017.545.486.283.780.1其他领域万t3.13.830.2合计万t8.614.736.3表 6未来锂电池材料消费市场需求预测正极材料万t负极材料万t隔膜亿m2铜箔万t电解液万t其中电解质万t年份消费领域21.6669.697.28.6426.43.8438.881339.65.858.45.7617.62.5625.9210.0830.84.4845.360.9362.860.4164.2122021消费市场动力市场储能市场合计2025消费市场动力市场储能市场合计37.8136.916.8191.515.154.76.776.522.782.110.1114.910.136.54.551.117.663.97.889.31.65.90.78.22035消费市场动力市场储能市场合计98.0330.0104.053239.2158.441.6239.259.0237.662.8359.426.1105.627.7159.445.7184.848.5279.04.217.24.525.9表 5锂电池材料消费市场需求预测年份正极材料万t负极材料万t隔膜亿m2铜箔万t电解液万t其中电解质万t20212025203521.637.898.08.615.139.213.022.759.05.810.126.110.117.645.70.91.64.2增长速度。2025年2030年间，通过装备和集成优化、储能电站整体安全性设计的突破、大规模储能电站安全运行后，我国储能市场将会快速增长。保守估计我国锂电池消费市场的年均增速也将在8.6%左右，将相应地带动锂电池材料的消费增长。未来锂电池材料整体市场需求详见表6。3资源保障3.1消费现状及预测根据美国地质调查局数据，2021年全球锂矿产量（折金属锂，非注明下同）为10万t，其中澳大利亚产量最大，为5.5万t，占比为55%。消费量基本和产量相当，在消费比例中电池材料占比74%。预计到2025年，全球锂消费量为17.5万t。随着全球新能源产业的进一步发展，未来锂资源将主要用于电池材料，占比将达到82.1%左右。2021年，我国提锂装置产能约3.2万t，产量约2.6万t，占全球产量的比例约为26%。2021年我国锂盐消费量约为8.6万t，其中电池材料占比约为69%。保守预测2025年我国锂盐消费量约为14.6万t。未来全球及我国锂消费需求情况详见表7。3.2资源保障2021年，全球锂资源量约为8 856万t，储量约2 200万t（折碳酸锂当量约1.2亿t）2。从国别看，全球锂资源主要分布在智利、玻利维亚、中国、阿根廷、澳大利亚等五国，其储量占比超过80%3，其中澳大利亚位居第一，占比约为41%；智利位居第二，占比约为26%；我国锂资源 量 为506万t，储 量 为150万t，占 比 约 为6.8%。全 球 锂 资 源 集 中 度 非 常 高，由 美 国 雅 保（ALB）、美国Livent和澳大利亚泰利森（天齐锂尚建壮等：锂离子电池材料在我国新能源领域的应用与市场预测21化学工业CHEMICAL INDUSTRY2023年第41卷表 8我国锂行业供需平衡预测年份产能（万ta-1）产量万t开工率%消费量万t对外依存度%2021202520355.210.015.02.36.010.044.26066.78.614.636.373.359.072.4业占股51%，雅宝占股49%）、智利矿业化工SQM（天齐锂业占股25%）四家垄断，四家合计约占全球90%的锂资源。19952021年全球锂资源量变化情况如图5所示。图 5全球锂矿探明和控制资源量变化趋势示意2015年以来，随着全球尤其是我国动力电池、消费电池的快速增长，使得锂需求量保持在年均20%以上的增长速度，而固体锂矿开采周期平均在45年，盐湖提锂周期平均在710年，故近期锂矿供需失衡现象严重。锂资源作为一个低品位矿种，随着消费量的快速增长，以及提锂技术提高与成本的降低，使得较低品位的锂矿也在快速开发，预计未来十年锂矿的开发速度仍将如此。全球锂资源基本能够满足下游市场快速增长的需要。2021年，我国锂矿产能约为3.23万ta，其中固体矿产能1.3万ta，占比40.1%；盐湖产能1.93万ta，占比59.9%。预计到2025年，我国提锂装置产能为5.0万ta，固体矿和盐湖产能占比基本不变，受盐湖提锂开采条件影响，我国锂矿产能利用率比较低，2021年我国锂资源对外依存度约为73.3%。我国盐湖提锂技术已位 居世界先进 水平，“十四五”期间提锂产业还将迎来快速发展期。预计，到2025年我国锂盐产量6万t，对外依存度将下降至59%，但随着南美盐湖提锂取得突破、以及澳大利亚等国的扩产，2035年对外依存度仍在70%以上。由于锂矿资源分布极度不均，且属于寡头垄断市场格局，而欧盟将锂列为14种关键原材料之一，美国将锂作为43种重要矿产资源之一，我国也将锂矿列为24种战略性资源之一，因此我国锂行业产业链供应链安全主要体现在资源保障风险。我国锂行业供需平衡预测详见表8。4结论锂行业的健康发展能够显著提升我国能源保障能力和产业发展水平，成为推动经济社会发展的新动能。随着新能源发电和汽车产业的快速崛起，锂行业的健康发展对于推进我国能源行业供给侧改革、推动能源生产和利用方式变革具有重要战略意义，是实现我国“双碳”目标的重要保障；通过提高资源保障水平，提升产业链现代化水平，避免产能过剩“灰犀牛”情况发生，将是推进行业高质量可持续发展的重要工作。加大锂资源掌控能力，保障行业可持续发展。美国、欧洲、日本、韩国等传统燃油汽车生产大国纷纷出台禁止生产和销售燃油汽车时间表，带动全球锂资源需求；全球锂资源分布不均，未来22第1期欢迎投稿欢迎订阅The Application and Market Prediction of Lithium-ion Batteryin the Fields of New Energy Industry in ChinaSHANG Jian-zhuang，LI Ye（China National Petroleum&Chemical Planning Institute，Beijing 100013，China）Abstract：Under the background of carbon peaking and neutrality，features，industrial chains and application fields of lithium ele-ment with energy properties are described.Market demands and resource guarantee of lithium-ion battery materials are analyzed.Thesuggestions of high-quality development of lithium-ion battery industry are derived.Keywords：energy revolution；lithium-ion battery materials；application and market；prediction analysis；lithium resources guar-antee analysis；development suggestions国家之间、企业之间锂资源争夺战将更加激烈；锂行业受电气化革命和新能源汽车革命叠加因素影响，整个行业将在未来数年内处于爆发式增长阶段，在动力市场和储能市场增速将有可能超过本文预测数值；为保障我国锂资源可持续发展，应大锂资源掌控能力，提升盐湖提锂效率，加快发展锂电池回收，构建一体化产业链。发挥产业基础优势，提升产业发展水平。美国出台的 通胀消减方案 明确要求电动汽车需要在北美制造，至少40%电池材料来自北美或与美国自由贸易伙伴才能获得税收抵免，从而吸引全球锂制造产业加快往美国转移；目前我国电池材料无论在规模、产品类型、生产工艺等方面在全球都具有领先优势，应通过构建“国内+国外”两个生产和供应基地，维持产业发展高地。参考文献：1 尚 建 壮.储 能 技 术 及 其 市 场 前 景 J.化 学 工 业，2019，37（2）：3034.40.2 李晔.新能源产业矿产资源安全保障分析J.化学工业，2021，39（4）：612.3U.S.Department of the Interior.Mineral Commodity Sum-maries 2020R.U.S.Geological Survey，2020.尚建壮等：锂离子电池材料在我国新能源领域的应用与市场预测23