磷酸铁锂电池的毕业论文

行业主要上市公司：宁德时代(300750);比亚迪(002594);国轩高科(002074);孚能科技(688567);亿纬锂能(300014);鹏辉能源(300438);欣旺达(300207)等

本文核心数据：锂电池板块上市公司研发费用;锂电池相关论文发表数量

全文统计口径说明：1)论文发表数量统计以“lithium battery”为关键词，选择“中国”、“论文”筛选。2)统计时间截至2022年8月17日。3)若有特殊统计口径会在图表下方备注。

锂电池技术概况

1、技术原理及类型

(1)锂电池技术原理

锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态;放电时则相反。

(2)锂电池的分类

按照电解质材料、电池外形、外包材料、正极材料、应用领域等不同分类方式，可将锂电池分为以下几类：

2、技术全景图：四大细分技术领域

从锂电池构成来看，锂电池技术主要包括正极材料、负极材料、电解质和隔膜四个主要细分技术领域。其中，正极材料主要包括磷酸铁锂、三元正极、锰酸锂等;负极材料主要包括碳系材料和非碳系材料;电解质主要包括液态电解质、固液复合电解质和固态电解质;隔膜主要包括干法隔膜和湿法隔膜。

锂电池技术发展历程：正负极材料演变拉动技术发展

从20世纪70年代第一个锂电池出现，到如今五十余年的岁月中，锂离子电池不断发展，负极材料从锂金属发展到碳材料，再试图回到锂金属;正极材料也不断丰富，陆续推出钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元材料等。

锂电池技术政策背景：政策加持技术水平提升

近些年来，我国提出了一系列锂离子电池技术发展相关政策，加速了锂离子电池产业链的发展，同时对锂电池的安全性、技术体系、回收体系做出了规范，使得锂电池技术水平稳步提升。

锂电池技术发展现状

1、锂电池技术科研投入现状

(1)国家重点研发计划项目

据已公开的国家重点研发计划项目，2018-2021年我国锂电池技术相关国家重点研发计划项目共计18项。国家重点研发计划项目的资金来源为中央财政经费，一个项目的财政经费在2亿元以上。

(2)A股上市企业研发费用

锂电池行业经过多年发展，产品相对成熟，但行业整体研发投入水平不算太高。从A股市场来看，2017-2021年，我国锂电池板块上市公司研发总费用逐年增长，2022年第一季度，锂电池板块上市公司研发总费用约46.75亿元。

2、锂电池技术科研创新成果

(1)论文发表数量

从锂电池相关论文发表数量来看，2010年至今我国锂电池相关论文发表数量呈现逐年递增的趋势，可见锂电池科研热度持续走高。截至2022年8月，我国已有69366篇锂电池相关论文发表。

注：统计时间截至2022年8月。

(2)技术创新热点

通过创新词云可以了解锂电池技术领域内最热门的技术主题词，分析该技术领域内最新重点研发的主题。通过智慧芽提取该技术领域中最近5000条专利中最常见的关键词，其中，正极材料、负极材料、电解质、集流体等关键词涉及的专利数量较多，说明锂电池领域近期的研发和创新重点集中于正负极材料、电解质等领域。

(3)专利聚焦领域

从锂电池专利聚焦的领域看，目前锂电池专利聚焦领域较明显，其主要聚焦于锂电池、锂离子电池、正极材料、负极材料、电解液等。

主要锂电池技术对比分析

根据分析磷酸铁锂、三元锂电池的技术特性，可以看出磷酸铁锂电池在安全性、经济性、原材料丰富度和循环寿命方面优势明显，而三元锂电池在能量密度、低温性能和充电效率方面优势明显。因此，磷酸铁锂电池技术更适合用于中短距离用车(中低端车型)、电动自行车、储能等场景;三元锂电池技术更适用于长距离用车(高端车型)、消费电子、医疗等场景。

锂电池技术发展痛点及突破

1、锂电池技术发展痛点

(1)缺乏高能量密度的正负极材料产业化应用

尽管锂离子电池技术和市场快速发展使得电池能量密度已有明显提升，然而缺乏可行的未来正极材料来继续提高锂离子电池的能量密度，给锂离子电池产业持续发展带来了重大挑战。

(2)锂离子电池安全问题亟待解决

另一方面，锂离子电池安全问题也是锂离子电池技术发展的痛点之一。锂离子电池安全问题的根源主要是电池的热失控。主要是由于锂离子电池内部具有很强的燃爆条件，其内部的易燃性材料如低熔点可燃有机脂类化合物、石墨负极材料都会成为相应的“燃料”，在充放电以及运行过程中不当的热管理将成为锂电池安全事故的导火索，最终引发燃爆事故。

2、锂电池技术发展突破

(1)锂电池结构创新设计

锂电池电芯集成方式的革新是锂电池的重要结构创新，例如CTP(Cell To Pack)即跳过标准化模组环节，直接将电芯集成在电池包上，提高能量密度。

(2)固态电池技术

目前，锂离子电池面临着安全性差的问题，固态电池可在安全性、能量密度、温度范围等方面突破锂离子电池的局限。

锂电池技术发展方向及趋势：短期提高电池能量密度、长期技术路线多元化

短期内，提高锂电池能量密度主要通过对现有材料体系的迭代升级和电池结构革新来实现。其中，锂电池材料体系的迭代升级包括正负极材料、电解液和隔膜的迭代升级;电池结构革新又包括电芯、模组、封装方式等的结构改进和精简。

从长期来看，由于磷酸铁锂电池能量密度上限较低，并且为了应对不同应用场景下的不同需求，锂电池技术路线将朝多元化方向发展。除了酸铁锂电池和三元锂电池之外，固态电池、磷酸锰铁锂电池、富锂锰基电池等新型锂电池技术路线的发展趋势向好。

「前瞻碳中和战略研究院」聚焦碳中和领域的政策、技术、产品等开展研究，瞄准国际科技前沿，服务国家重大战略需求，围绕“碳中和”开展有组织、有规划科研攻关，促进碳中和技术成果转化和推广应用，为企业创新找到技术突破口，为各级政府提供碳达峰、碳中和的战略路径管理咨询和技术咨询。院长徐文强博士毕业于美国加州大学伯克利分校，二十余年来一直深耕于低碳清洁能源和绿色材料领域的基础研究、产品开发和产业化，拥有55项专利、33篇论文，并已将30多种产品推向市场，创造商业价值50+亿元，专注于氢能、太阳能、储能等清洁能源研究。

以上数据参考前瞻产业研究院《锂电池行业技术趋势前瞻及投资价值战略咨询报告》。

电动汽车迅速发展的这几年，为了解决续航焦虑让电动汽车跑的更远，更容易带来长续航里程的三元锂电池成为了动力电池的主流。而曾经的主角——磷酸铁锂电池在家用车中已经难觅踪影，直到今年比亚迪刀片电池的发布，让磷酸铁锂电池再次回归并成为行业内热议的话题。磷酸铁锂电池并非新研发产品，为何刀片电池的亮相会引起行业内的热议呢？那就是这款电池基于磷酸铁锂材料本身结构稳定的基础上，结合比亚迪在电池安全相关的技术，让电池电芯的安全性达到了一个新的高度——顺利通过 “针刺测试”。为了进一步了解这款电池，我们受邀来到位于重庆璧山的刀片电池超级工厂，从制造工艺和现场测试体验中来感受刀片电池的故事。刀片电池车间探秘其实磷酸铁锂的刀片电池并非是比亚迪此次专门设计出来，早在2002年，比亚迪就开始了磷酸铁锂动力电池的研发，并在2008年确定了片状结构的设计方向，只是刀片电池将磷酸铁锂的稳定性和片状结构的空间利用率达到了一个质的变化。目前位于重庆璧山区的弗迪电池工厂是目前刀片电池唯一的生产基地，工厂总投资100亿元，规划年产能达20GWH。这家超级工厂自2019年2月开工，到2020年3月刀片电池正式推出，仅1年时间就从一片空地变身为一个拥有精益化、自动化、信息化制造管理系统的世界级工厂。这里诞生了很多比亚迪独创的刀片电池产线和生产设备，也“隐藏”着多项高度保密的核心技术。在生产车间参观讲解中，提到刀片电池在生产环境上的要求就极为苛刻，为了最大程度降低电池的短路率，技术人员提出了一个粉尘分级管控的概念，在一些关键工序上，能够做到一立方米空间内，5微米（头发丝1/20粗细）的颗粒不超过29个，而这达到了与液晶屏生产车间相同的标准。与刀片电池相匹配的将近1米长的极片，采用的是比亚迪完全独立自主开发的设备和裁切方案。能够实现公差控制在±0.3mm以内、单片叠片效率在0.3s/pcs的精度和速度。除叠片之外，刀片电池生产过程中的配料、涂布、辊压、检测等其他工艺都达到了世界顶尖水平。例如，配料系统的精度在0.2%以内；双面同时涂布，涂布最大宽度达1300mm、单位面积涂敷重量偏差小于1%；1200mm超大幅宽的辊压速度可达120m/min，厚度控制2μm以内，确保宽尺寸极片厚度的一致性……最终通过比亚迪自主研发制造的全自动装配设备，自动输送结构件并实现精准定位，经 绝缘、焊接、入壳、密封等工序组装成电芯。遍布生产车间、工序、条线的高精度传感器，数以百计的机器人，以及符合IATF16949&VDA6.3控制标准的品控体系等等，使得厂房设备硬件的自动化，设备与设备之间的信息化，控制层面的智能化成为刀片电池生产高效、品质稳定的最强“后盾”。此外，弗迪电池公司副总经理孙华军透露这里生产的每一个刀片电池产品还有一个专属的‘身份证’，未来产品在使用期间的各项数据也将为持续改进工艺、完善产品提供重要的参考。而很难想象这样一个几乎看不到工人的高度自动化和智能化的超级工厂，是仅用了一年时间就完成了从动工到落成、量产。刀片电池的安全性严苛的生产环境和高度自动化的生产设备只是对产品工艺的保障，但是真正使用的安全性 才是大家最关心的问题。在刀片电池超级工厂里，我们在现场看到了三元锂电池和刀片电池的针刺实验，三元锂电池被刺穿时的熊熊大火和刀片电池被刺穿的无火无烟形成鲜明对比，并且刀片电池温度只是升高至六七十度。针刺毕竟是一种极端的电池受损现象，除了电池受损，在高温、挤压和过充等情况下电池的安全性能也很重要。根据介绍，刀片电池也均只是冒烟，并无爆炸起火现象。基于这些测试结果，刀片电池从根本上避免了电动汽车起火爆炸保障了用车安全，个人认为这样的电池才更应该广泛应用在电动汽车之上。刀片电池在低温低电量下的充电速度相对于三元锂电池要弱，但房贷你功率要优于三元锂电池，也就是说，搭载同样电量的三元锂和磷酸铁锂电池，使用磷酸铁锂电池的纯电动汽车要跑的更远。在电池使用寿命和衰减情况，磷酸铁锂电也要优于三元锂电池；如图中所示刀片电池与811电池相比，刀片电池稳定性更好，可循环充放电次数是811电池的一倍以上。当然，作为磷酸铁锂的刀片电池也有短板，其中磷酸铁锂电池低能量密度带来的续航低的问题就是最大的弱势，这也是被三元锂跻身占据了动力电池“C位”的重要原因。但是刀片电池不仅在技术上进一步提升了磷酸铁锂电池的安全性，还具有高空间利用率，通过装在更多电芯的方法以及从车辆风阻系数的设计角度解决了续航短的问题，要知道搭载磷酸铁锂电池的汉EV已经达到了600km的续航。写在最后：其实一直坚持着磷酸铁锂电池研发并不断寻找技术升级的动力电池企业不仅是比亚迪一家，从每年都会出现一两款搭载磷酸铁锂电池的车型就可见一斑，只是比亚迪更快的找到了能让磷酸铁锂比肩三元锂电池的技术，并推向了市场。当然枪打出头鸟，刀片电池的发布在一片叫好的同时必然还会出现一些不同的声音，遭受质疑未必时坏事，可能更是前进的动力。但无论怎样，对于广大用户来说安全才是真正的第一位，而能够达到高续航更具安全性磷酸铁锂电池s必定会强势回归。责任编辑：陈晓霞本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。

1 磷酸铁前驱体：成本分层，一体化增益路径抉择，分化明显目前磷酸铁生产工艺主要有钠法、铵法、铁粉、肥料磷酸、氧化铁红、磷酸氢钙几种工 艺。从工艺路径对比来看，差异化主要体现在原材料（磷源、铁源）、产品品质、能耗、 三废排放等方面。目前市面较为成熟的磷酸铁生产路线为铵法和钠法。我们通过对比主流的铵法与钠法生 产工艺的盈利拆分，按照 2021 年产品平均价格水平，铵法具有更强成本优势（原材料 均考虑外购），而成本差异主要来自于原辅料成本中磷源（磷酸/磷酸一铵）和铁源（硫 酸亚铁/铁红/铁粉）。因此，我们可以根据不同工艺路径磷源与铁源的价差核算，来刻画 不同工艺的盈利变化。在 2021 年原材料均价水平下，不同工艺价差排序为：磷酸氢钙>肥料磷酸价差>铵法价 差>钠法价差>铁粉价差>氧化铁红价差，磷酸氢钙路线与氧化铁红路线价差之差将近 4000 元，因此，不同路线成本差异显著，选择成本更低路线相对优势更强。从折旧角度看，对比不同企业的磷酸铁投资情况，铵法与磷酸氢钙路线相对于钠法单吨 投资额更小，除了具有配套工程的项目（例如净化磷酸、硫酸等），一般万吨磷酸铁的投资额在 0.5-1.0 亿元之间（湖南雅城除外），以 10 年折旧为期限，单吨磷酸铁的折旧费 用预计在 500-1000 元，但相对而言原材料成本影响更为关键。随着电动汽车产业的快速发展，动力电池成为关键因素。磷酸铁锂电池的产业地位因此可分为两个层面的问题：一是锂电池在电池业中的地位，二是磷酸铁锂电池在锂电池中的地位。在第一个层面上，目前用作动力电池的有铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池。铅酸电池被严格限制使用，因其污染大，目前仅被限制在小型电动自行车领域；镍氢电池工艺成熟，购置和使用成本低，但自放电率大，比能量小，只能作为过渡性电池；只有锂离子电池能够综合匹配电动汽车，它具有循环寿命长、自放电率小的特点。在第二个层面上，各种磷酸铁锂电池的区别表现在价格和安全性上，而安全性是一种性能表现，是根本决定不同流派动力锂电池地位的因素。从正极材料来看，锂离子电池可分为钴酸锂、锰酸锂、三元材料、磷酸铁锂四类。钴酸锂电池工业化程度最高，技术最成熟，但由于安全性的考虑，主要用于手机、数码产品等小型电池领域。在剩下来的三种锂电池中，磷酸铁锂电池以其成本和循环寿命的优势而被业界看好，成为中国动力锂电池的发展方向。在我国，磷酸铁锂电池及其材料的产业化发展与国际基本同步，放眼前途，其应用领域或将由电动汽车、电动自行车、电动工具领域渗透进风电、太阳能发电装置、医疗器械、矿灯等领域。若根据10%~20%的年增长率计算，光是现有四大应用领域（电动汽车、电动自行车、电动代步车、电动工具），动力锂电池就将在未来5年拥有150亿元的市场规模。如果全部采用磷酸铁锂电池作驱动的话，届时，磷酸铁锂正极材料将达到45