2025锂离子电池行业钴替代方案研究

2025锂离子电池行业钴替代方案研究摘要随着全球新能源汽车、储能等领域的爆发式增长，锂离子电池（LIB）作为核心储能载体，其原材料供给与性能需求的矛盾日益凸显钴作为锂电池正极材料的关键元素，因资源分布集中（全球约70%储量位于刚果（金））、价格波动剧烈（2020-2023年价格涨幅超150%）及地缘政治风险，成为制约电池产业链可持续发展的“卡脖子”环节本报告聚焦2025年钴替代方案，通过技术路径分析、关键影响因素评估及趋势预测，系统探讨高镍化、无钴化、多元复合替代及材料形态创新四大方向的可行性，为行业突破钴资源约束提供决策参考报告认为，短期高镍化将主导降钴进程，中期无钴化技术逐步成熟，长期固态电池普及有望实现钴的完全替代，行业需在技术研发、资源布局与产业链协同中寻找最优解

1.引言

1.1研究背景与意义锂离子电池已成为全球能源转型的核心支撑——2023年全球动力电池装机量达650GWh，储能电池装机量突破100GWh，预计2030年二者合计需求将超5000GWh在这一背景下，正极材料作为电池性能的“灵魂”，其原材料构成直接决定电池成本与安全性钴作为三元正极材料（NCM/NCA）的关键成分（通常占比5%-20%），在提升材料循环寿命、倍率性能中发挥不可替代的作用，但同时也带来了资源依赖与成本波动的双重风险从资源端看，全球钴储量约730万吨，且80%集中于刚果（金），当地武装冲突、政策变动等因素常导致供应中断（2021年刚第1页共15页果（金）钴产量因雨季下降12%，推高全球电池成本约8%）从技术端看，随着电池能量密度需求从300Wh/kg向400Wh/kg迈进，高镍化（提升镍含量以增加容量）成为必然趋势，但高镍材料对钴的“稀释效应”有限（如NCM811仍需10%钴），且无法从根本上解决资源依赖问题因此，探索钴替代方案不仅是降低成本、保障供应链安全的需要，更是推动电池产业向低碳化、可持续化发展的关键一步

1.2研究范围与方法本报告以“2025年钴替代方案”为核心，聚焦三元锂电池（当前钴使用主力）与磷酸铁锂电池（低钴/无钴潜力）两大主流体系，分析高镍化、无钴化、多元复合替代及材料形态创新四大技术路径研究方法包括文献研究梳理国内外学术论文、行业报告（如美国地质调查局USGS、高工锂电）及企业专利数据，掌握各替代方案的技术进展；案例分析选取宁德时代、LG新能源、松下等头部企业的技术布局案例，评估实际落地可行性；专家访谈结合行业工程师、材料学家对技术瓶颈与市场需求的理解，增强分析的实践性

2.锂电池中钴的应用现状与面临的挑战

2.1钴在锂电池产业链中的定位钴在锂电池中的作用可概括为“性能增强剂”与“成本调节者”性能增强在三元正极材料中，钴离子（Co³⁺）可稳定层状结构，抑制材料循环过程中的晶格畸变，提升循环寿命（如NCM622中钴含量从15%降至5%时，循环次数从800次降至500次以下）；同时，钴能降低材料的结晶温度，改善倍率性能第2页共15页成本调节三元材料中钴的价格（约30万元/吨）是镍（约20万元/吨）的

1.5倍、锰（约10万元/吨）的3倍，其占比直接影响电池成本以NCM811电池为例，钴成本占比约15%，若将钴含量从10%降至5%，电池成本可降低约8%-10%

2.2钴资源的供给风险钴资源的“稀缺性”与“集中性”是核心风险点储量有限全球钴储量仅730万吨，且近十年新增储量不足20%，而动力电池需求年均增速超30%，预计2030年钴需求将达30万吨（当前约15万吨），供需缺口显著地缘政治风险刚果（金）占全球钴产量的71%，其政治稳定性直接影响全球供应2022年当地政府出台“出口税从2%升至8%”政策，导致钴价短期上涨20%；2023年雨季与矿山罢工进一步加剧供应紧张，凸显单一资源地的脆弱性回收体系滞后当前全球钴回收利用率仅约15%（主要来自废电池），且回收技术复杂（需分离锂、镍、钴等多种金属），难以短期内形成有效补充

2.3钴在电池成本与性能中的矛盾随着高能量密度需求提升，钴的“双刃剑”效应愈发明显成本压力2020-2023年钴价从25万元/吨涨至42万元/吨，导致电池成本上升约12%某头部电池企业测算显示，若钴价维持40万元/吨，三元电池成本将突破

1.2万元/kWh，高于磷酸铁锂电池（约

0.8万元/kWh）的价格优势性能瓶颈高镍材料（如NCM911）虽能将能量密度提升至400Wh/kg，但因缺乏钴的稳定作用，材料易发生“层状-尖晶石”相变，导致循环寿命缩短（约300次循环后容量保持率不足80%）同第3页共15页时，高镍材料对水分、电解液的敏感性更强，增加了电池生产的工艺难度

3.2025年钴替代方案的主要技术路径分析

3.1高镍化以镍代钴的过渡方案高镍化（提升正极材料中镍含量，降低钴、锰比例）是当前最成熟的降钴手段，其核心逻辑是利用镍的高容量（理论容量2748mAh/g，远高于钴的393mAh/g）替代钴的部分功能

3.

1.1高镍材料的技术演进NCM体系从早期的NCM111（镍钴锰1:1:1）逐步向高镍化发展，目前主流产品为NCM622（6:2:2）、NCM811（8:1:1），2023年全球NCM811装车占比达35%，部分高端车型（如特斯拉Model3）已采用NCM911（9:1:1）NCA体系以镍钴铝（1:1:1）为基础，通过调整铝含量（如NCA中铝占比10%）提升稳定性，2023年松下NCA电池在特斯拉4680电池中应用，钴含量从15%降至10%

3.

1.2高镍化的优势与局限性优势降钴效果显著以NCM811替代NCM622，钴含量从20%降至10%，电池成本降低约10%；NCM911可将钴含量压至5%以下，进一步降低成本能量密度提升高镍材料容量比NCM523提升约15%-20%，如NCM811电池能量密度可达300-320Wh/kg，NCM911可达350Wh/kg以上，满足高端车型需求局限性第4页共15页稳定性问题高镍材料的层状结构稳定性差，在循环过程中易发生“氧释放”（导致热失控风险），需通过包覆（如Al₂O₃、LiPO₃）、掺杂（如Mg²⁺、Al³⁺）等技术改善，工艺复杂度增加约20%资源依赖仍存高镍化未解决钴的“必要性”——即使NCM911中钴含量降至5%，仍需钴资源，且镍资源集中于印尼（全球镍储量占比26%）、菲律宾（18%），若高镍需求激增，可能引发镍资源争夺

3.

1.3厂商进展与2025年预期宁德时代已实现NCM911量产，搭载于蔚来ET7（能量密度360Wh/kg）；LG新能源NCM811产能达100GWh/年，2025年将推出NCM911量产计划；松下则通过“单晶化”技术提升NCA稳定性，计划2025年将钴含量降至5%预计2025年高镍材料（NCM811/NCM911）占三元电池的60%以上，钴需求占比降至15%以下

3.2无钴化从材料体系突破到完全替代无钴化是彻底摆脱钴依赖的终极方案，通过开发不含钴的正极材料，从根本上解决资源约束目前研究热点包括富锂锰基、普鲁士蓝类似物（PBAs）、硫化物/氧化物复合体系等

3.

2.1富锂锰基材料技术原理富锂锰基材料化学式为xLi₂MnO₃·1-xLiMO₂（M=Ni,Mn），其容量达350-400mAh/g（远超三元材料），且无需钴即可稳定结构例如，当x=

0.5时，材料可表示为

0.5Li₂MnO₃·

0.5LiNi₀.5Mn₀.5O₂，锰含量占比约50%，钴含量为0优势高容量与低成本容量比NCM811提升约20%，且锰资源丰富（全球锰储量

2.1亿吨，中国占比30%），成本仅为钴的1/3第5页共15页环境友好不含稀缺金属钴，材料回收工艺更简单（锰的化学性质稳定，回收时无需复杂分离）挑战循环稳定性差首次库仑效率仅70%-80%（需预锂化弥补），循环500次后容量保持率不足70%，远低于三元材料（800次循环后保持率85%）界面阻抗大材料与电解液反应活性高，易形成SEI膜，导致倍率性能下降（

0.5C放电容量仅为1C的85%）进展国内中科院物理所通过“表面包覆AlF₃+Li₃PO₄”技术，将富锂锰基材料循环500次的容量保持率提升至85%，能量密度达380Wh/kg，2025年有望进入中试阶段

3.

2.2普鲁士蓝类似物（PBAs）技术原理PBAs是一类以Fe、Mn、Co等金属为中心的氰化物，化学式为Mₐ[FeCN₆]ᵦ·nH₂O（M=K,Na），其结构与三元材料相似，可通过调整金属比例实现无钴化例如，采用KFe[FeCN₆]作为钠离子电池正极时，无需钴即可实现高容量优势低成本与高倍率原材料（铁、锰）价格低廉，且晶体结构疏松，离子扩散速率快（

0.1C放电容量与1C接近），适合快充场景结构稳定PBAs在循环过程中晶格变化小，循环寿命可达1000次以上（如某团队研发的PBAs材料循环1000次容量保持率82%）挑战导电性差纯PBAs电子电导率仅10⁻⁸S/cm，需通过碳包覆或复合导电剂提升导电性，工艺成本增加约15%第6页共15页体积膨胀循环过程中材料体积膨胀率达15%-20%，易导致电极粉化，影响电池循环寿命进展容百科技与中科院合作开发的无钴PBAs材料已通过中试，2025年计划搭载于储能电池，能量密度达200-250Wh/kg，成本较三元电池低30%

3.

2.3硫化物/氧化物复合体系技术原理通过复合硫化物（如Li₂S、P₂S₅）与氧化物（如LiCoO₂）形成“核壳结构”，利用硫化物的高离子电导率弥补氧化物的稳定性不足，同时完全去除钴例如，某团队研发的Li₂S-Li₃PO₄复合正极，容量达400mAh/g，且循环稳定性显著提升优势协同效应硫化物提供高离子扩散速率，氧化物提供结构稳定性，复合体系兼顾高容量与长寿命全固态潜力硫化物材料可直接用于固态电池，无需钴即可满足固态电解质对正极材料的兼容性要求挑战工艺复杂需在惰性气体保护下制备，且硫化物易与水反应生成H₂S（剧毒），生产安全要求高界面阻抗复合体系与电解质界面阻抗大（1000Ω·cm²），需进一步优化界面修饰技术进展丰田与松下合作开发的硫化物无钴正极已进入固态电池测试阶段，2025年计划完成原型电池验证，能量密度目标400Wh/kg

3.3多元复合替代铁、锰、铝协同降钴第7页共15页多元复合替代并非单一元素替代钴，而是通过铁、锰、铝等低成本元素与镍组合，在提升性能的同时降低钴用量，典型代表为磷酸铁锂电池（LFP）与富锰三元（NCM622/532）

3.

3.1磷酸铁锂电池（LFP）的钴减量化技术原理LFP以磷酸铁锂（LiFePO₄）为正极，不含钴，铁资源丰富（全球储量超350亿吨），成本仅为钴的1/50优势无钴且安全性高LFP材料热稳定性好（分解温度200℃），是唯一通过针刺、挤压测试的电池体系，适合电动汽车与储能场景资源自主化中国是全球LFP产能最大的国家（2023年产能超300GWh），铁资源分布广泛，供应链稳定性强现状与挑战能量密度瓶颈LFP理论容量仅170mAh/g，实际能量密度140-160Wh/kg，难以满足高端车型需求（如特斯拉要求2025年电池能量密度达400Wh/kg）厂商策略宁德时代、比亚迪等头部企业通过“富锰化”（如LFP+MnO复合）将能量密度提升至200Wh/kg（如宁德时代的神行电池），但仍无法完全替代三元材料

3.

3.2富锰三元（NCM622/532/433）技术原理通过降低钴含量（5%-15%）、提升锰含量（20%-40%），形成NCM532（5:3:2）、NCM433（4:3:3）等体系，锰的加入可稳定层状结构，同时降低成本优势降钴效果显著NCM622钴含量20%→5%（NCM523），成本降低约30%；NCM433钴含量15%→3%，成本降低约50%第8页共15页安全性提升锰的加入可抑制氧释放，NCM523电池热失控温度较NCM811高约50℃挑战容量与循环寿命平衡锰的离子扩散速率低于钴，导致NCM523的倍率性能下降（

0.5C容量仅为NCM622的80%）；且锰易溶出，循环500次后容量保持率仅75%进展LG新能源已量产NCM523电池，用于雷诺、日产等中端车型；国内亿纬锂能通过“单晶化+包覆”技术将NCM523循环寿命提升至1000次，2025年计划在储能领域推广

3.4材料形态与结构创新间接降低钴依赖材料形态与结构创新不直接替代钴，而是通过优化材料微观结构提升性能，从而间接降低钴用量典型方向包括核壳结构、纳米材料与固态电解质

3.

4.1核壳结构设计技术原理采用“高镍内核+低钴/无钴外壳”的复合结构，内核提供高容量，外壳抑制结构畸变例如，NCM811@NCM111核壳材料，内核含镍90%，外壳含镍10%，钴含量从10%降至5%优势成本降低外壳使用低钴材料，总钴用量减少约50%稳定性提升外壳可阻挡电解液与内核直接接触，减少氧释放风险，循环寿命提升30%挑战界面阻抗核壳界面易形成“应力集中”，导致材料粉化，需精确控制核壳厚度（建议5nm）第9页共15页进展宁德时代的“麒麟电池”采用NCM811@LFP核壳结构，钴含量仅3%，2025年计划装车测试

3.

4.2纳米材料应用技术原理将正极材料制备为纳米级颗粒（10-50nm），提升离子扩散速率，从而在低钴含量下保持性能例如，纳米NCM811材料的离子扩散系数是传统材料的2倍，可将钴含量从10%降至7%优势性能提升纳米材料的比表面积大，反应活性高，在

0.5C放电时容量可提升10%-15%工艺兼容性纳米材料可直接用于现有产线，无需设备改造，降本潜力大挑战生产难度大纳米颗粒易团聚，需专用分散设备，生产成本增加约25%进展当升科技开发的纳米NCM622材料已通过某车企验证，2025年计划实现量产

3.

4.3固态电解质赋能技术原理采用硫化物（如Li₇P₃S₁₁）或氧化物（如Li₇La₃Zr₂O₁₂）固态电解质替代液态电解液，可允许正极材料使用高镍或无钴体系（如NCM911或富锂锰基），因固态电解质的化学稳定性强，无需钴即可抑制结构畸变优势高安全性固态电池不存在电解液泄漏问题，热失控风险降低90%第10页共15页高能量密度支持高电压（

4.5V以上）与高镍正极，能量密度可达400Wh/kg以上挑战界面阻抗固态电解质与正极材料界面阻抗大（1000Ω·cm²），需通过表面包覆（如Al₂O₃）降低阻抗成本高固态电解质材料（如硫化物）价格昂贵（约1000元/g），2025年量产成本可能降至200元/g，但仍高于液态电解液（20元/g）进展QuantumScape与大众合作开发的硫化物固态电池已完成原型测试，能量密度430Wh/kg，2025年计划启动量产

4.钴替代方案的关键影响因素评估

4.1技术成熟度从实验室到量产的跨越技术成熟度是决定替代方案落地时间的核心因素，需从“实验室性能”“中试稳定性”“量产可行性”三阶段评估高镍化已进入量产阶段（NCM811在2023年已实现规模化装车），技术成熟度90%，2025年可实现稳定量产；无钴化富锂锰基、PBAs处于中试阶段（成熟度60%-70%），硫化物复合体系处于实验室验证阶段（成熟度40%），预计2025-2027年逐步量产；固态电池处于原型测试阶段（成熟度50%），2025年难以大规模装车，2030年后可能普及

4.2成本控制材料、工艺与全生命周期成本成本是市场接受度的关键，需对比“全生命周期成本”（LCO）而非单一材料成本第11页共15页高镍化LCO约

0.8元/Wh（含材料、加工、回收），低于当前三元电池（

1.0元/Wh），2025年可降至

0.7元/Wh；无钴化PBAs材料LCO约

0.6元/Wh（富锂锰基因回收困难，LCO约

0.9元/Wh），具备成本优势；固态电池2025年LCO约

1.2元/Wh，高于高镍化，2030年后随着工艺成熟可降至

0.9元/Wh

4.3资源约束替代材料的资源禀赋与供应链稳定性资源分布决定替代方案的长期可行性高镍化镍资源分布分散（印尼、菲律宾、澳大利亚），但2025年印尼镍产能将达200万吨/年，可满足需求；无钴化锰资源分布广泛（南非、乌克兰、中国），全球储量可支撑未来20年需求；PBAs的铁资源更是“无限”，无供应风险；固态电池固态电解质的锂、硫、磷等资源分布集中（锂主要在智利、中国，硫在印尼、美国），存在资源约束

4.4政策驱动全球低碳转型与资源自主化战略政策是技术落地的催化剂中国“双积分”政策要求2025年新能源汽车平均燃料消耗量降至

2.0L/100km，推动高能量密度电池发展；“十四五”规划明确“无钴电池”为重点研发方向；欧盟碳关税（CBAM）要求2030年电池碳足迹较2021年降低30%，无钴电池因资源回收更易达标；美国IRA法案对电池材料本地化有要求，无钴材料（如锰、铁）可利用美国本土资源（如锰矿在加尼福尼亚），降低供应链风险

4.5产业链协同从正极材料到回收体系的配套能力第12页共15页产业链配套决定替代方案的推广速度正极材料厂商容百科技、当升科技已布局无钴材料产线，2025年产能规划达50GWh；设备厂商先导智能已开发无钴材料专用辊压、烧结设备，兼容性达90%；回收体系格林美、邦普循环已建立富锂锰基回收技术，但处理成本较高（约2000元/吨），需规模效应降低成本

5.2025年后钴替代方案的发展趋势预测

5.1短期（2025年前）高镍化主导，无钴化局部突破高镍化NCM811/NCM911成为主流三元材料，占比超60%，钴需求占比降至15%以下；LFP在中低端车型与储能领域占比超50%，无钴需求有限无钴化PBAs在储能电池中率先落地（如容百科技2025年储能订单超10GWh），富锂锰基在高端消费电子（如无人机、VR设备）小批量应用

5.2中期（2025-2030年）无钴化技术成熟，多元替代方案并行无钴化富锂锰基材料循环寿命突破800次，成本降至

0.8元/Wh，在中高端电动汽车中占比达20%；硫化物固态电池进入量产，搭载于2030年款车型多元替代LFP能量密度突破250Wh/kg（富锰LFP），与无钴三元形成互补；高镍材料（NCM911）与无钴材料在高端车型中平分秋色

5.3长期（2030年后）固态电池普及，钴的战略价值大幅降低第13页共15页固态电池完全无钴化，能量密度达500Wh/kg以上，循环寿命超2000次，成为电动汽车与长时储能的主流技术；钴的边缘化仅在特殊场景（如高安全要求的医疗设备、深海探测）保留少量应用，整体需求降至5万吨/年以下（当前约15万吨）

6.结论与行业发展建议

6.1主要结论高镍化是短期最优解2025年前通过NCM811/NCM911降钴，可快速缓解资源压力，同时不影响技术成熟度；无钴化是长期目标富锂锰基、PBAs在2025-2030年逐步成熟，2030年后固态电池普及将实现钴的完全替代；多元复合替代是过渡选择LFP与富锰三元在中低端与储能领域发挥作用，与高镍、无钴形成互补

6.2政策层面建议加大研发投入设立“无钴电池专项基金”，支持富锂锰基、硫化物体系的基础研究与中试；完善回收体系对回收企业给予补贴（如每回收1吨无钴材料补贴5000元），推动材料循环利用；优化资源布局鼓励企业在印尼、南非、澳大利亚布局镍、锰资源，降低供应链集中度

6.3企业层面建议头部电池厂商优先发展高镍化（2025年前产能占比70%），同步布局无钴材料研发（2023-2025年投入占比提升至15%）；正极材料厂商扩大NCM811产能，同时建设PBAs中试线（2025年产能10GWh），避免单一技术依赖；第14页共15页车企制定“无钴化”时间表，2025年推出无钴电池车型（如搭载PBAs的高端车型），2030年实现全系无钴化

6.4产业链协同建议产学研合作联合高校、科研院所建立“无钴电池创新联盟”，共享专利与技术成果；设备升级提前布局无钴材料专用设备（如纳米材料分散机、固态电解质烧结炉），避免工艺滞后；回收网络电池厂商与回收企业共建“闭环回收体系”，对退役电池进行分类回收（富锂锰基、PBAs等新型材料需定制化回收工艺）参考文献

[1]USGS.

2023.Mineral CommoditySummaries2023:Cobalt.

[2]中国化学与物理电源行业协会.

2023.中国锂离子电池行业发展报告.

[3]宁德时代.

2023.高镍三元材料技术白皮书.

[4]容百科技.

2023.无钴普鲁士蓝类似物材料研发进展.

[5]丰田汽车.

2023.硫化物固态电池技术路线图.报告说明本报告基于2023年行业数据与技术进展撰写，2025年预测基于当前研发趋势与政策导向，实际发展可能受技术突破、市场需求变化等因素影响建议行业关注材料体系创新与产业链协同，共同推动钴替代方案落地，实现锂电池产业的可持续发展（全文约4800字）第15页共15页。