锂离子电池简析：特斯拉所运用的松下电池归于锂离子电池的一种。锂离子电池是一种二次电池(充电电池)，它首要依托锂离子在正极和负极之间移动来作业。在充放电进程中，Li+在两个电极之间往复嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂情况;放电时则相反。电池一般选用含有锂元素的资料作为电极。
其首要长处有输出电压高(3.6V)、能量密度大、自放电小、循环寿数长无回忆效应、可快速充放电无有毒有害物质等。缺点是温度影响电池容量以及安全功能欠好。现在首要应用范畴为消费电子、电动交通工具、大型动力电源以及二次充电及储能范畴。
特斯拉Model S专用的松下18650电池
18650是锂离子电池的开山祖师–日本SONY公司当年为了节约本钱而定下的一种规范性的锂离子电池类型，其间18表明直径为18mm，65表明长度为65mm，0表明为圆柱形电池。
Model S所用18650电池是松下产的类型为NCR18650B三元资料电池，%&&&&&%量约3.3mA，电压到达3.6V，能量密度高达243Wh/kg。
在特斯拉的Model S上运用的NCR18650B比之前Roadster所运用的钴酸锂电池比能量高出三成，差异来源于结构的不同，它以镍钴铝三元资料为正极资料，以石墨为负极资料，以六氟磷酸锂为电解液。终究到达比能量更大，安稳性、一致性更好的效果。此外，单体电池尺度小但可控性高，可下降单个电池发生毛病带来的影响，即便电池组的某个单元发生毛病，也不会对电池全体功能发生影响。
锂电池的结构多种多样，松下三元电池仅仅其间的一种，以下咱们将首要从锂电池的五大中心部件具体解析锂电池。
正极资料
正极资料决议了锂离子电池的首要性质，如能量密度、循环安稳性、安全性等。正极资料现在首要包含钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元资料等。现在来看，锂电池正极遵从着从二元资料向三元资料的开展趋势。松下NRC18650B的正极资料是镍钴铝三元资料，俗称NCA。
经过引进Ni含量可前进资料的容量，而松下NRC18650B正是前进了Ni含量(摩尔分数80%)然后使电池从本来的2.9Ah前进到了3.3Ah左右，能量密度大大前进。一起获益于三元协同效应，NCA正极资料归纳了LiNiO2和LiCoO2许多长处，功能比运用单一资料优胜。并且，该资料用钴量较少，本钱较低。
从现在商场角度上看，磷酸铁锂和三元资料为国内最干流的两种正极资料，因为对磷酸铁锂电池的需求量较大，磷酸铁锂的商场占有率更高一些，但三元资料以较为迅猛的气势逐渐开展，成为未来的趋势。
无论是磷酸铁锂正极资料仍是三元正极资料，都离不开碳酸锂。以特斯拉Model S为例测算一辆新动力轿车的碳酸锂当量需求：松下NCR18650电池单体分量44g，松下官网阐明18650电池中正极资料分量占比20~35%，假定其正极资料在30%左右，则分量为15克左右。NCA化学式Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)xO2，经过测算x=0.845，分子量为87.5;碳酸锂分子式Li2CO3，分子量为74。按锂元素一比一，两者分量比是74：(87.5×2)=0.423：1。
可知其间1克锂钴镍铝三元正极资料需求0.423克碳酸锂。则出产一节18650NCA三元电池正极资料需求15*0.423=6.345g碳酸锂。一辆ModelS运用了7104节18650电池，折合碳酸锂当量=7104*6.345g=45.1kg，再加上电解液六氟磷酸锂对碳酸锂的需求和工业耗费，估量一辆ModelS对碳酸锂当量需求在60kg左右，折合耗用量为0.73kg/kWh。
依照相同的思路进行核算，咱们估量松下三元电池的镍元素耗用量约为0.53kg/kWh。
此外，钴元素也是NCA和NCM三元资料必不行少的上游质料，跟着三元资料对碳酸铁锂的代替趋势越来越明亮，钴需求也随之水涨船高。NCA三元资猜中钴元素需求量约为0.14kg/kWh。
负极资料
石墨仍为负极资料首选
锂离子电池的负极是由负极活性物质碳资料或非碳资料、粘合剂和增加剂混合制成糊状胶合剂均匀涂改在铜箔两边，经枯燥、滚压而成。负极资料是锂离子电池贮存锂的主体，使锂离子在充放电进程中嵌入与脱出。
负极资料首要分为以下三类：碳资料(石墨类)、金属氧化物资料以及合金资料。松下NCR18650B电池的负极资料选用石墨资料。
动力电池商场迸发以来，比较于其他资料而言，负极资料价格相对安稳，技能路途以石墨类为主，不存在很大的争议。我国电池网数据显现，以动力锂电池为例，一辆大约需求40千克负极资料，折合石墨耗用量约为0.9kg/kWh。现在负极资料首要以天然石墨和人工石墨为主，两者功能有着各自的优缺点，应用范畴也有所不同。
碳资料开展最前沿的产品便是石墨烯，它是现在为止发现的最薄的层状资料，以石墨烯作为负极资料可以加大电池的容量。传统石墨资料的能量密度上限(石墨烯)在372mAh/g，较当时正极资料的能量密度还有适当的裕量。未来前进动力电池能量密度仍是新动力轿车动力方面的要害，虽然价格昂贵或技能尚不老练，钛酸锂以及硅基复合资料等高端负极资料也逐渐步入负极资料的应用范畴。
硅基负极：锂电负极革新趋势
Si基负极资料最大的优势在于极高的理论能量密度(4200mAh/g)，远高于石墨。这也契合新动力轿车对电池的要求。从现在趋势上看，未来负极资料的开展方向先向硅基+石墨，终究将由纯硅/金属锂彻底代替低能量密度的石墨。
硅基负极资料最大的缺乏便是胀大问题，充电后易胀大碎裂，无法恢复，导致资料终究呈现粉末化，大大缩短了电池寿数。
在充放电进程中会有300%的胀大，而相同条件下石墨只要7%。现在松下最新研制的碳硅基复合资料负极中硅的含量到达了10%，可以看出跟着技能水平的前进还有很大的开展空间。
负极集流体：锂电铜箔
按出产工艺不同，铜箔又分为压延铜箔和电解铜箔，压延铜箔一般用作修建装修资料。因为铜箔的导电性杰出、质地较软、延展性好易加工变形，它也是制作锂电池负极集流体的首选资料。锂离子电池集流体的功用是将电池活性物质发生的电流聚集起来，以便构成较大的电流输出，因而集流体应有较低的比外表能然后易于与活性物质充沛触摸，且有着优秀的导电性。
现在，国内外大部分锂电池出产厂家都选用电解铜箔作为锂电池的负极集流体。近年来，新动力轿车快速开展，导致新动力轿车所需的锂电池的需求量也快速增大，而铜箔是锂电池的重要原资料，其需求量当然也随之增大，所以新动力轿车的开展带动了锂电铜箔的开展，对整个铜箔工业发生了不行忽视的影响。
新动力工业的开展导致我国铜箔产品产销结构的剧变，锂电铜箔的产能由2015年的5.9万吨上升至2016年的7.03万吨;产值占比从2013年的10.35%上升至2016年的20.2%。在2013年曾经，锂电铜箔首要应用于数码产品等消费性电子产品，而之后才渐渐应用于动力电池，占比渐渐前进。
在锂电池中，铜箔的耗用量大致为0.9kg/kWh。依据铜冠铜箔的数据，2016年我国的锂电铜箔的产能为7.03万吨，而2017年锂电铜箔的需求将上升至8万吨，供给缺口显着。因为新建锂电铜箔项目建设周期较长，约为24个月，想要补偿缺口的难度十分大，铜箔加工费在刚性需求的支撑下持续上涨。
电解液
电解液，是锂离子电池中是作为带动锂离子活动的载体，对锂电池的运转和安全性具有无足轻重的效果。锂离子电池的作业原理也便是其充放电的进程，表现为锂离子在正负极之间的络绎，而电解液正是锂离子活动的介质。
依据我国电池网的计算，在电解液的本钱构成中，溶剂约占30%，增加剂约占10%，最首要的成分溶质约占60%。商场上的溶质以六氟磷酸锂(LiPF6)为主，松下NCR18650电池也选用了六氟磷酸锂作为溶质，每kWh锂电池需求0.15kg的六氟磷酸锂。六氟磷酸锂相同可以经过碳酸锂制备。
隔阂
隔阂的首要效果是确保正负极分隔的情况下锂离子自在流转，是确保电池安全的最重要部分之一。隔阂可以滋润在电解液中，并且外表上有很多答应锂离子经过的微孔。微孔密度以及资料挑选、厚度等等特性都会影响锂离子穿过隔阂的速率然后影响电池功能。我国工业信息网估量，锂电池中隔阂的耗用量大致为20m2/kWh。
松下供给给特斯拉的电池所运用的隔阂，由住友化学供给。住友化学隔阂选用单层PE作为基体资料，湿法工艺加工处理。与干法工艺比较，湿法工艺的出资本钱较高，但可以前进膜外表微孔数量，且出产的隔阂更薄。这也是湿法工艺最大的优势，其薄膜厚度可以低至9μm，而干法工艺制作的隔阂厚度通常在20-40μm。
锂电池结构件
作为锂电池和电池模组的重要组成部分，精细结构件首要包含铝/钢壳、盖板、连接片等，对锂电池的安全性、密闭性、动力运用功率等都具有直接影响。因为在运用进程中需求很多的电芯串、并联在一起确保能量供给，导致需求运用很多的结构件产品以确保动力电池的安全。
锂电池外壳维护电池在贮存和运用进程中免受外界损坏并保持电池内部安稳性，对电池的安全性、密封性和一致性等方面都有直接影响，是锂电池重要组成部分之一。依据锂电池形状的不同，其所选用外壳资料各有差异：圆柱型电池外壳以钢壳为主。方形电池外壳以铝壳居多，软包电池首要运用铝塑膜和极耳来封装。
电池触摸片是电池上的一个重要组成部分，选用铜，铁，不锈钢等资料制成。电镀镀金、银、镍、锡。安装在导电膜上的电池触摸片遭到按压时，触摸片中心点触摸电池构成回路，电流经过。它具有导通性强、手感佳等特色。
现在来看，在确保电池结构件原有效果功能和安全性的前提下，电池包的轻量化是结构件出产最重要的方针，动力电池企业对锂电池精细结构件制作企业在新产品、新技能等方面提出了更多的要求。一起更多的精细结构件制作企业经过优化电池体系的设置进一步完成轻量化。
特斯拉21700功能本钱碾压18650
回忆动力锂电开展之初，特斯拉将广泛应用于3C范畴的18650引进到动力锂电之中，拓荒了一条新动力轿车动力的新路途。但18650受限于体积和要害组件约束，遍及在2.2-3.6Ah之间，而现在动力电池最大的瓶颈依然在于前进比能量，才干对传统的燃料轿车构成有力竞赛。
因而，特斯拉新款Model3将选用21700电池全面代替之前老练的NCR18650。
能量密度更大
21700电池的能量密度要优于18650电池。依据现在特斯拉发表的信息，在现有条件下，其出产的21700电池体系的能量密度在300Wh/kg左右，比其本来18650电池体系的250Wh/kg约前进20%，容量也将到达4.8Ah左右。
究其原因，21700在保有高镍含量的NCA三元正极资料的一起，负极资料由本来的100%的碳基资料晋级为掺有10%左右Si的碳硅复合资料。前文已述Si的理论能量密度要远高于石墨，但存在简略胀大的缺点。21700也是初次将碳硅复合资料负极运用到动力电池中，具有路程碑含义。
一起因为能量密度的前进，相同容量的电池组需求的电芯数量会大幅削减，BMS更简略，PACK所需求的附件更少，轻量化都会有大起伏前进。
本钱不升反降
依据Tesla发表的电池价格信息，估量21700的动力锂电池体系价格为170美元/Wh，比较18650的价格185美元/Wh，价格下降起伏可达8.1%左右。18650的体系的本钱约为171美元/Wh，改用21700后，体系本钱约能完成9%左右的降幅，到达155美元/Wh。
单体容量前进后，PACK所需配件数同份额削减带动PACK本钱下降。从18650类型切换至21700类型后，电池单体电池容量可以到达4.8Ah，大幅前进35%，平等能量下所需电池的数量可削减约1/3，TeslaModels电动轿车运用7104节18650电池串并联成电池组，估量在新款MODEL3电池节数将大幅削减。在下降体系办理难度的一起将同份额的削减电池包选用的金属结构件及导电连接件等配件数量。
因为整个电池体系都相应简化，带动本钱下降。特斯拉的电池占到整车本钱的三成以上，那么咱们估量整车的本钱都相应的呈现可观的下降。
特斯拉电池工业链
依据seekingalpha的计算数据，以特斯拉ModelS为例，其电池体系价值占整车本钱的33.23%。在特斯拉的电池体系里，价值最高的毫无疑问是单体电池，其本钱可占整个动力电池体系的83%。
咱们再持续拆解单体电池的本钱，因为没有松下电池最准确的数据，就以业界估量的动力锂电池数据作为参阅。其间，占比最高的是正极资料，一般在30%-40%之间;隔阂和电解液均在15%-20%之间。
因为特斯拉的电池体系可以分为两个层次：单体电池以及电池组办理体系，那么以特斯拉电池为原点、以这两个层次为途径向上游追溯，则可以整理出其完好的工业链。
工业的飞速开展为最上游的质料供给商供给了超预期的需求增量，这也是钴、锂等金属价格飞涨的中心原因。以特斯拉的松下NCA电池为例，咱们汇总了前文剖析的各类质料的耗用情况。跟着未来新动力轿车的浸透率不断前进，相关质料的需求增加将会十分可观。
特斯拉电池工业链供给商全整理
松下电器是特斯拉电池的仅有供给商，二者的协作从2011年就现已开端。2013年特斯拉和松下续签4年合同，松下将在未来4年内向特斯拉供给约20亿块电池。因为松下电池的产能仍缺乏以满意特斯拉的出产需求，二者又在2014年签订协议，协作树立Gigafactory电池超级工厂，方案年产能35GWh，现在已于2016年开业，方案在2018年出产出超越2013年全球产值总和的锂离子电池。因而，未来特斯拉在单体电池这一块将会逐渐走向自给自足。
如果说松下电池为电动车的续航才能与快速加快供给了或许，那么特斯拉自主研制的电池办理体系将这种或许变成了实际。特斯拉BMS可以供给准确的电池健康情况预估技能、电池平衡办理技能、电池残电量办理技能、电池热办理技能、确诊与预警技能。这是这个BMS使得电动车在续航路程、电池寿数、充电时刻到达实用性的要求，然后敞开新动力轿车潮流的新时代。
因为松下电器是特斯拉单体电池的直接供给商，电池办理体系则是特斯拉自主研制的。因而要进入到特斯拉电池工业链之中，只能采纳成为松下的供给商或者是特斯拉的认证供给商的办法。对此，咱们进行了详尽的整理：
电池办理体系
特斯拉的电池办理体系的技能来源于自主专利，而零配件采纳了全球化收购战略，由全球最大车用线材厂日本矢崎以及台湾贸联供给线束，世界上最大的模仿电路技能部件制作商德州仪器供给芯片处理器。
国内的均胜电子则为特斯拉的电池办理体系供给传感器原件。公司2015年的年报信息发表，公司在BMS方面是宝马全球独家供给商，而在陈述期内也开端为特斯拉供给部分传感%&&&&&%。而到了2017年，在特斯拉最新下线的Model3上，公司旗下的普瑞(Preh)和百利得(KSS)分别为特斯拉的安全气囊、方向盘和电池充电体系等多个体系和部件供给产品和技能。
常铝股份7月10在出资者互动平台上发表动力电池散热体系用铝材经过特斯拉一级供给商已应用于特斯拉车辆的。
单体电池
松下电池的供给商比较固定，尤其是和住友财团的企业协作亲近。比方，住友金属矿山担任供给正极资料，住友化学供给隔阂。在其他方面，日立化成担任供给负极资料，三菱化学供给电解液。
与此一起，国内也有不少企业获得了松下电器的供给商认证，借此打入特斯拉供给链。依据各公司在揭露平台上发表的信息，我国宝安旗下贝瑞特为松下供给锂电池负极资料，新宙邦为松下供给电解液，长园集团子公司江苏华盛给松下供给电解液增加剂量。
因为Gigafactory的树立，也有部分企业也适当所以直接为特斯拉供给零部件，比方安洁科技与旗下新星控股为松下供给电子精细构件，科达利为特斯拉供给电池连接件。
