生产1GWH电池到底需要多少材料？
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我们经常听到电池厂商的扩张计划，以及动力电池和储能电池产能的计划投资。我一直很好奇，1GWH的电池需要多少材料，决定每种材料用量的主要因素是什么，而材料的哪些特性又决定了电池的能量密度呢？本文将帮你解答这些问题。
1.电池需要哪些材料
要搞清楚1GWH的锂离子电池需要多少材料，首先要搞清楚电池生产需要什么材料。这个问题其实很好搞定。我在Wind上找到了一份关于锂离子电池的研究报告，其中说明了锂离子电池的主要材料有正极材料、负极材料、电解液、隔膜、铜箔、铝箔等。根据封装形式的不同，电池还需要铝壳、钢壳等材料或铝塑薄膜。
正极材料一般为磷酸铁锂或者三元材料，负极材料主要为人造石墨，也包括一些天然石墨材料。接下来我们重点来算一下1GWh电池需要哪些材料，特别是用量主要材料有正极板和负极板。
2.1GWh磷酸铁锂电池材料组成
虽然券商的图表展示的是大概的材料组成，但为了更加准确的了解磷酸铁锂电池的材料使用情况，我们还是要从电池厂商的公开信息中获取。
我先是找了 CATL 的招股说明书，没有找到关于材料用途的描述，然后又找了中航新材的招股说明书，在中航新材的招股说明书中，找到了按材料划分的成本结构，主要如下：
但中信行的招股说明书中并未具体说明每种材料的使用量，因此有效的方法是根据当年材料的平均价格估算出大致的量，然后得出单笔交易中每种材料的使用量GWh电池。不过这个方法也有问题，中芯航的产品有三元、磷酸铁锂，电池形态也不同，这个方法会有比较大的误差，所以无法从电池厂商的材料上推断出数量。
那么，就只能从磷酸铁锂电池的生产方法上寻找答案了。于是我找到了比亚迪在安徽蚌埠的动力电池（一期）项目的环境影响评价报告，发现环保部门对各种材料的使用影响评估报告。它与以下环境影响评估报告类似：
该项目设计产能为10GWH的电池产能，在这份资料里，我找到一个表格，是该项目主要原辅材料的消耗情况，就是下面的表格。
在这张表中，我们可以清楚的看到，主要的正极材料是磷酸铁锂，磷酸铁锂年消耗量为23436吨。我们很容易就可以得出，单个GWh磷酸铁锂电池的磷酸铁锂消耗量为2343.6吨，负极材料单耗176.8吨。不过值得注意的是，比亚迪工厂的负极材料是石墨烯，而非传统的人造石墨。这件事情勾起了我的好奇心，我会深入研究一下未来石墨烯负极材料的应用。隔膜用量1.6亿平方米，单GWh用量在1600万平方米级别。比亚迪的刀片电池采用铝壳封装。
3、单个GWh三元材料电池的材料用量
有了以上经验，我们直接查找各大电池厂商的扩产计划，然后根据计划找到相应的环评公示材料。我直接搜索了宁德时代旗下四川时代环保股份有限公司的环评报告。随后，该公司在四川获得了其一期工程的正式数据。
这是位于四川省宜宾市的项目，项目总体投资规模为35亿元，总体设计产能约12GWh，主要生产三元电池电芯及模组，项目总体物料用量如下：如下：
本文采用两种高镍三元正极材料，以两种材料之和为基准，每GWh正极材料消耗量为1975.6吨，每GWh负极材料石墨消耗量为1312吨，隔膜消耗量为1293万平方米，三元电池材料整体消耗量可作为参考。
我发现磷酸铁锂电池和三元电池的材料用量还是有很大差别的，是不是材料本身的能量密度影响了整体的材料用量呢？因此通过理论用量计算验证了上述结论。
4. 每千兆瓦时的理论材料使用量
我们可以很容易的得到磷酸铁锂和NCM材料的理论能量密度，磷酸铁锂材料的理论能量密度约为/g（不过我理论计算的结果并没有那么高），但是在实际量产过程中基本在140-/g之间，我们以/g来计算，如果需要达到1GWh的电量，那么在磷酸铁锂3.2-3.5v的电压平台下，取3.5V，那么所需的磷酸铁锂材料约为1970吨，若按照材料损失5%、整体生产良率90%计算，那么实际所需磷酸铁锂材料约为2305万吨，与比亚迪的材料使用量基本一致。
同样以5系NCM为例，我们以容百科技5系产品为基准，容百科技该系列中某型号电池比容量大于/g，具体情况如下。
以上材料的电压等级在4.25-3V之间，我们假设电压等级为3.8V，比容量为/g，那么5系NCM的材料消耗量为1645吨。假设生产过程中的材料损耗以产能利用率为5%，成品率90%计算，每GWh产品5系NCM消耗量为1924吨，与CATL材料消耗量基本持平。
5. 单个GWH材料使用情况汇总
从以上分析中，我们可以发现，电池的能量密度取决于材料本身的比容量和材料能承受的电压水平。因此，我们可以很清楚地得出，未来材料升级的两个重要方向是提高材料的比容量，提高电压水平，这和材料最近的一些进展相对应。例如，磷酸铁锂与磷酸铁锂相比，磷酸铁锰锂在比容量上没有明显的提升，但在电压水平上有所提高。电压等级，因此磷酸铁锰锂材料整体能量密度可显著提升，符合整体材料升级方向。三元材料在高镍、高电压方向发展，也正在使对材料本身的能量密度和电压大惊小怪。
综上所述，基于目前的产量水平，单个GWH磷酸铁锂电池对应正极材料消耗量为2300-2400吨，单个GWH三元电池对应正极使用量与正极材料相关。例如5系三元正极材料消耗量约2000吨。
同样，我们也可以从同样的视角来看待负极材料，负极材料也存在同样的升级趋势。因此硅碳负极、硅氧负极等比容量更高的材料成为研究和现阶段的发展重点。例如前文提到的比亚迪所采用的石墨烯负极，就大大减少了负极材料的使用量。据公开资料显示，石墨烯无论在比容量还是电压上都优于目前规模化的石墨那么比亚迪石墨烯负极的进展如何，是否存在相关投资机会，我们后续再探索。