我們經(jīng)常能聽到電池廠商的擴產(chǎn)規(guī)劃，擬投資建設(shè)100GWh的動力電池和儲能電池產(chǎn)能。

我一直好奇，1GWH的電池究竟需要多少材料，決定每種材料用量的主要因素又是什么，材料的什么特性決定了電池的能量密度？

這篇文章，將嘗試著去弄清楚這個問題。

1.電池需要什么材料

要弄清楚1GWH的鋰離子電池需要多少材料，我們首先要弄清楚的就是電池生產(chǎn)都需要什么材料，這個問題其實比較容易獲得。

我從wind上找到了一篇關(guān)于鋰離子電池的研報，研報中說明了鋰離子電池的主要材料為正極材料、負極材料、電解液、隔膜、銅箔、鋁箔等，根據(jù)封裝形式的不同，電池還需要鋁殼、鋼殼或者鋁塑膜等材料。

而正極材料一般是磷酸鐵鋰或者三元材料，負極材料主要是人造石墨，也包括一些天然石墨材料，我們接下來就著力弄清楚1GWh電池所需的材料情況，尤其是主要材料正極和負極的用量。

2.1GWh磷酸鐵鋰電池的材料構(gòu)成

雖然券商的圖中表述了大概的材料構(gòu)成，但是為了更為準確的搞清楚磷酸鐵鋰電池的材料使用情況，我們還是從電池廠商的公開資料中去做獲取。

我先是找到了寧德時代的招股說明書，并沒有找到材料使用情況的表述，接著我又找了中創(chuàng)新航的招股書，在中創(chuàng)新航的招股書中，我找到了按照材料劃分的成本結(jié)構(gòu)，主要如下：

但是，中創(chuàng)新航的招股書中并沒有對于各項材料使用數(shù)量的說明，因此有效的方法就是通過當年的材料均價去推測一下大概的用量，從而得出單GWh電池的各項材料用量。

但是，這種方法也存在著問題，中創(chuàng)新航的產(chǎn)品中包括了三元和磷酸鐵鋰，并且還有不同的電池形態(tài)，這種方法誤差就會比較大，因此，我們無法從電池廠商的材料中去推測用量。

那么，我們就只能從磷酸鐵鋰電池的生產(chǎn)方法中去尋找答案了。于是我找到了比亞迪在在安徽蚌埠的動力電池（一期）項目的環(huán)評報告，在環(huán)評報告中找到了各項材料的使用情況。就是類似于下面這樣的環(huán)評報告：

該項目設(shè)計產(chǎn)能是10GWH的電池產(chǎn)能，在這份材料中，我找到了該項目主要原輔材料消耗情況的表格，就是下邊的這個表。

在這個表格中，我們可以很清楚的看到，主要正極材料為磷酸鐵鋰，磷酸鐵鋰的年用量為23436噸，我們就可以很容易得到，單GWh磷酸鐵鋰電池的磷酸鐵鋰用量為2343.6噸，負極材料的單位用量為176.8噸。

但是值得注意的是比亞迪這個工廠的負極材料使用的是石墨烯，并非傳統(tǒng)的人造石墨，這個事情引起了我的好奇，后續(xù)專門去深挖一下石墨烯負極材料的應(yīng)用情況。隔膜用量為1.6億㎡，單GWh用量在1600萬㎡的水平。比亞迪刀片電池的封裝采用的鋁殼的封裝。

3.單GWh三元材料電池的材料用量

有了上述的經(jīng)驗，我們直接去找各大電池廠商的擴產(chǎn)規(guī)劃，之后根據(jù)規(guī)劃找到對應(yīng)的環(huán)評公示材料，我直接搜索了寧德時代在四川設(shè)立的子公司四川時代的環(huán)評報告，然后得到了其首期項目的公示資料。

這是個位于四川省宜賓市的項目，項目整體投資規(guī)模為35億元，整體的設(shè)計的產(chǎn)能約為12GWh，主要以生產(chǎn)三元電芯和模組為主。該項目的整體材料使用情況如下：

在這份材料中，正極材料高鎳三元用了兩種型號，那么大概以兩種材料的總和作為基準，單GWh的正極材料用量在1975.6噸，單GWh的負極材料石墨用量為1312，隔膜用量為1293萬平方米。整體的三元電池材料用量可用作參考。

我發(fā)現(xiàn)，磷酸鐵鋰電池和三元電池的材料用量還是有較大的區(qū)別的，是否是材料本身的能量密度影響了整體的材料用量。因此，接下來通過理論用量計算來驗證一下上述的結(jié)論。

4.理論上單GWh的材料用量

我們可以輕松的獲得磷酸鐵鋰和NCM的材料理論能量密度，磷酸鐵鋰材料的理論能量密度在170mah/g左右（但是我理論計算的結(jié)果并么有這么高），但是實際量產(chǎn)過程中基本是140-150mah/g之間，我們?nèi)?/span>145mah/g來進行計算，如果需要達到1GWh的帶電量，那么在磷酸鐵鋰3.2-3.5v的電壓平臺下，取3.5V，那么所需要的的磷酸鐵鋰材料就是約1970噸，如果假設(shè)材料損耗為5%，整體的生產(chǎn)良率為90%，那么實際所需要的磷酸鐵鋰材料就是約2305萬噸，基本上與比亞迪的材料使用量是相符的。

同樣的，以5系NCM為例，我們以容百科技的5系產(chǎn)品為基準，容百科技的NCM523系列中的某型號比容量大于157mah/g，具體情況如下。

上述材料的電壓水平在4.25-3v之間，我們假設(shè)采用3.8v的電壓水平，160mah/g的比容量，那么5系NCM的材料用量就是1645噸，假設(shè)生產(chǎn)過程中材料損耗5%，良率90%，則單位GWh產(chǎn)品的5系NCM用量為1924噸，基本上與寧德時代的材料用量相當。

5.單GWH材料用量總結(jié)

從上述的分析中我們可以發(fā)現(xiàn)，電池的能量密度取決于材料本身的比容量，以及材料能夠承受的電壓水平，因此，我們可以很明顯的得出未來材料升級的兩個重要方向就是提升材料的比容量和提升電壓水平，這也就對應(yīng)了最近的一些材料方面的進展。

比如磷酸錳鐵鋰相比磷酸鐵鋰并沒有比容量上的明顯提升，而是在電壓水平上的提升，使得磷酸錳鐵鋰材料的整體能量密度能夠明顯提升，符合整體材料的升級方向。而三元材料則向著高鎳和高壓的方向去發(fā)展，也是在材料本身的能量密度和電壓方面做文章。

總結(jié)來說，就目前的生產(chǎn)水平來看，單GWH磷酸鐵鋰電池對應(yīng)正極材料用量在2300-2400噸，單GWH三元電池對應(yīng)的正極使用量與正極材料相關(guān)，比如5系三元正極材料用量就在2000噸左右。

同樣的，我們也可以同樣的視角去看負極材料，那么負極材料有著同樣的升級趨勢，因此，硅碳負極、硅氧負極等比容量更高的材料就成為了現(xiàn)階段的研發(fā)重點。

比如上文中提到的比亞迪采用的石墨烯負極，就極大的降低了負極材料用量，根據(jù)公開資料，石墨烯在比容量和電壓水平兩方面都優(yōu)于現(xiàn)階段大規(guī)模使用的石墨。比亞迪這個石墨烯負極到底進展如何了，是否有相關(guān)的投資機會，我們后續(xù)再探究。