宁德时代如何设计电芯？

2025年4月，IEA（国际能源署）官网发布了《能源革新现状》的研究报告，其中第七章围绕锂电池的矿物供应做了详细的分析，笔者会在未来几篇文章分享其中的部分内容，供大家学习参考。今天分享第一部分。聚焦：创新提高电池矿物供应的多样性 由于过去30年来锂离子电池在设计和制造方面的快速创新，现代电池将成为未来能源系统的基石之一。自2010年以来，电动汽车用锂离子电池的成本下降了90%以上，电动汽车电池包的比能量自2006年特斯拉跑车电池包以来增加了一倍多。电池价格的下降使电动汽车变得更实惠（相关阅读：近十年动力电池成本变化），也使电池存储市场在2022年至2024年间增长了近四倍，实现了更多的可再生电力部署和更有弹性的电网。世界各国的研究人员、工程师和投资者通过研究、产品开发和工厂项目的直接合作，为这一惊人的进步速度做出了贡献。 然而，对这些电池的关键矿物的需求正在上升，需要对新矿山和炼油能力进行大量投资，以生产它们所需的锂、钴、锰、镍和石墨。2023年，锂需求增长了近30%，而镍、钴和石墨的需求增幅均在8%至11%之间。这两种矿物的需求增长主要是由电动汽车驱动的，电动汽车是锂需求的最大单一来源，对其他矿物的需求也在不断增长。 这种产能的位置和新产能的建设将影响电池供应链的弹性，目前电池供应链集中在少数国家，并由数量有限的利益相关者控制。在电池材料开采和精炼方面，2021年至2023年，前三大生产国的份额仍然很高。截至2023年，约85%的锂是在澳大利亚、智利和中国开采的，近65%的锂也是在中国提炼的（另有25%在智利提炼）。超过一半的镍是在印尼开采的，其中一些在中国提炼。这两个国家合计占镍精炼量的60%以上。刚果民主共和国拥有全球近三分之二的钴矿，但全球四分之三的钴精炼在中国。石墨的集中度更高，80%的开采和90%以上的精炼都发生在中国。 这种集中度不太可能很快改变，IEA的分析显示，到2030年，精炼锂、镍和钴的预计供应增长中，约70-75%将来自目前的三大生产国。对于电池级球形石墨和合成石墨，几乎95%的增长来自中国。中国公司的所有权延伸到世界上大部分的镍和钴生产，尽管这些矿物在其他地方开采（例如印度尼西亚的镍和刚果民主共和国的钴）。此外，中国在所有这些矿物的加工和精炼方面处于领先地位。这种高度的供应集中度使供应链和路线更容易受到干扰，无论是来自极端天气、贸易争端还是地缘政治。 近年来，各国政府都试图限制或改变电池及其投入的贸易，这种模式一直持续到2025年，中国宣布限制用于生产石墨负极、某些正极及其前体的技术，以及直接提取锂的技术。 快速增长的关键矿物市场的动荡危及对多样化矿物供应的必要投资。国际能源署能源转型矿物价格指数在2020年1月至2022年3月期间增长了两倍，然后在2023年底之前放弃了大部分涨幅。锂现货价格在2023年暴跌了75%，钴、镍和石墨价格下跌了30-45%，原因是新的供应和充足的电池组件库存满足了预期的需求水平。尽管矿产价格下跌对电池生产商和消费者来说是利好消息，但矿业公司在2023年对新矿产供应的投资低于2022年，一些矿业公司险些破产。随着对关键矿产的需求上升，尤其是考虑到采矿项目的交货期较长，对新供应的投资不足会带来短缺的风险。在IEA的既定政策情景（STEPS）中，已宣布的采矿项目将无法满足2030年至2035年间对锂和铜日益增长的需求。 加强创新的理由 电池原材料在世界各地分布不均，因此很难显著改变原材料供应模式，以满足对现有电池技术的需求。改变这些现有技术的提炼和贸易模式原则上是可行的，但需要对新资本进行大量投资，鉴于中国已取得的竞争地位，私营部门不太可能单独进行投资。电池矿物回收和在目前没有生产的地方从替代资源中提取矿物，要么受到原料有限、成本高或技术尚未成熟的限制。 然而，致力于技术开发的创新者有潜力改善电池矿物供应链的多样性、弹性、环境影响和成本。这项工作对确保能源安全具有全球性的重要性。如果不将不同的电池化学成分或开采不同矿物供应来源的技术商业化，到2030年，全球锂需求可能会比2023年增长三倍。此外，拥有一系列经过验证的电动汽车电池化学物质为供应链提供了灵活性，可以通过替代来应对市场紧张，并限制价格飙升。即使存在包括关税在内的供应链限制，创新——无论是在化学领域还是在制造业——对于确保电池价格继续下降也至关重要。能够提供这些技术改进的成功创新者将获得电池市场的很大份额，预计到2035年电池市场将达到近5000亿美元。 技术发展的五个相关领域包括： 通过电池化学成分的变化来减少或改变矿物需求。今天的电动汽车电池市场主要分为两种类型的锂离子正极化学物质：锂镍钴锰氧化物（NMC）和磷酸铁锂（LFP）电池。锂镍铝钴氧化物（NCA）以前广泛用于电动汽车，尤其是特斯拉，但现在已经下降到不到电动汽车电池市场的5%。LFP电池使用较少的关键矿物，其份额在2020年至2024年期间迅速增长，几乎占电动汽车电池市场的一半（以能源容量为基础），主要由中国制造商推动。因此，LFP的创新大大减少了对镍和钴的依赖，可以大幅降低锂含量的电池也越来越接近市场。 通过简化电池尺寸和延长电池寿命来减少矿物需求。技术创新可以帮助确保驾驶者能够以经济实惠的方式满足他们的出行需求，使用尺寸合适的电池，并尽可能长时间地保持合适的用途，包括通过小型电动汽车。由于篇幅的限制，本重点章节不考察电池组件技术，但这是一个活跃的研究领域。电池技术的改进以及电池包和电池级的智能电池监测系统已经有助于提高汽车电池的耐用性，而物流和城镇规划技术可以减少对道路运输的需求，也有助于减少需求。 通过回收废旧电池，减少对新开采的需求。当从高性能应用（如电动卡车或电动汽车）中退役的电池被重新用于性能较低的应用（如微移动或固定存储）时，或者在同一应用中重新使用时，它会减少对新电池的需求，但也会延迟成分矿物通过回收重新进入新的电动汽车电池。需要改进技术，使电池的再利用像购买新电池一样无缝、有竞争力和可靠，而新电池的价格在不断下降。 通过回收废旧电池和电池废料，减少对新开采的需求。只要在电池使用寿命结束时对电池中发现的稀缺材料有需求，回收这些材料将有助于遏制新开采投入的开采以及采矿可能带来的环境破坏，同时增加电池矿物有限地区的供应链弹性。 利用替代资源类型，使矿物供应多样化和扩大。人们对能够提高从环境影响较小的资源中提取电池矿物的竞争力的技术非常感兴趣，比如在地热和油田盐水中发现的锂，作为地理上集中的硬岩矿石和近地表矿床的替代品。 下面几节将回顾已知的技术途径及其状态。所有这些途径都有可能在未来的电池供应链中发挥作用，并且由于当地地质和法规等因素，它们的竞争力将因市场而异。然而，开发技术成品的个别公司的长期竞争力将取决于它们与整体技术和市场格局的整合，以及它们在产品和制造过程中进行渐进式创新的能力。没有垂直整合到所有供应链步骤的公司可能需要获得优惠协议，并与生产商（电池或电动汽车）、零部件供应商、炼油厂和矿产生产商（从原始资源、废料或报废产品）组成的复杂网络不断变化的需求保持一致，以保持竞争力。 电池创新不仅仅是发明 LFP正极的故事说明了电池创新不仅是关于新技术的发明，而且是关于它们与动态供应链生态系统的竞争整合。LFP正极约占中国电动汽车电池市场的四分之三，是2020年的两倍。2024年，中国在欧盟的份额超过10%，是前一年的两倍，超过了在美国的份额。LFP正极于1997年由美国的研究人员首次发现，并在21世纪初在加拿大和美国进一步发展，以克服其最初的低导电性。在加拿大政府的支持下，第一家LFP正极工厂于2012年在加拿大开业。然而，尽管有这样的起源故事，北美的LFP生产并不符合国内电动汽车制造商对NMC化学物质带来的更长的行驶里程的偏好。由于对LFP知识产权的严格控制，其改进速度随着扩大规模的停滞而放缓。然而，中国企业在国内LFP生产和使用方面有更有利的知识产权协议，它们被其较低的成本和避免有问题的钴和镍供应链所吸引，投资于进一步扩大规模。今天，几乎所有的全球生产都在中国，中国的制造商通过广泛的专业知识和创新，已经取得了全球主导的市场地位。这些创新包括新的电芯类型、充电平台、电芯到电池包和电芯到底盘配置，而研发重点是LFP电池的处理、化学和优化电极，以实现更长的续航里程和更快的充电。 （未完待续）素材来源：IEA 《The state of energy innovation》小明来电⚡为你充电，我们下期再见，拜拜~来源：小明来电