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動力锂電池技術路線之争

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動力锂電池技術路線之争

發布日期:2019-04-18 作者:網絡 點擊:

锂離子電池包括磷酸鐵锂、三元材料(鎳钴錳和鎳钴鋁)、錳酸锂、钴酸锂等多種類型,當前國家鼓勵多種技術路線共同發展。


受益于我國新能源汽車産業的高速發展,動力電池産業将繼續保持快速向上發展态勢,其中锂離子電池以其相對優異的綜合性能表現和已具備相對成熟的技術條件将繼續脫穎而出,未來仍有望持續暢享行業高成長紅利。


一、行業概述


1、锂離子電池分類


锂離子電池包括磷酸鐵锂、三元材料(鎳钴錳和鎳钴鋁)、錳酸锂、钴酸锂等多種類型,當前國家鼓勵多種技術路線共同發展。


二、技術路線之争


1、以磷酸鐵锂和三元材料為代表的锂離子系動力電池成為行業高速發展的赢家


從動力電池材料分類看,根據GGII統計數據,2017年1-11月在新能源汽車上的裝機量約11.56Gwh,占比約46.9%,三元材料裝機量為11.51Gwh,占比約46.7%;就目前情況看,磷酸鐵锂和三元材料平分秋色,三元材料有上升的趨勢。


锂離子動力電池綜合性能相對優異,未來将繼續暢享動力電池高成長紅利。電動汽車發展至今,核心部件動力電池的性能和成本已成為制約其産業化的最大瓶頸。锂離子電池性能在各方面優勢明顯,正處于行業快速成長期。從成本的角度,電池驅動系統作為提供新能源電動汽車動力源的“心髒”,其成本約占據整個電動汽車成本的45%~60%,而動力電池又占據電池驅動系統約75%~85%的成本,是電動汽車産業化發展最大的成本制約因素。近年來,锂電池的價格在不斷下降,将利好産業長遠發展。


不同類型動力電池的價格變化趨勢


「和達産業觀察」動力锂電池技術路線之争


除锂離子電池外,未來動力電池方面的其他幾種技術路線主要有:氫燃料電池、超級電容和鋁空氣電池。其中锂離子電池和超級電容均已得到廣泛的應用,但超級電容不适用于主動力源,氫燃料電池成本高且基礎設施建設滞後而尚未大規模産業化,鋁空氣電池則尚處于實驗室研究階段。


受益于我國新能源汽車産業的高速發展,動力電池産業将繼續保持快速向上發展态勢,其中锂離子電池以其相對優異的綜合性能表現和已具備相對成熟的技術條件将繼續脫穎而出,未來仍有望持續暢享行業高成長紅利。


2、磷酸鐵锂和三元材料的競争中趨勢漸顯


短期國内磷酸鐵锂和三元材料仍将二分天下,磷酸鐵锂主導新能源客車市場,三元材料将持續發力新能源乘用車。


「和達産業觀察」動力锂電池技術路線之争


新能源客車作為公共交通工具,對安全性能要求最高,因此安全性能表現出色的磷酸鐵锂電池赢得了國内新能源客車市場的青睐。2016年1月工信部發布的《新能源汽車推廣應用推薦目錄》中基于安全性的考慮而未将三元電池的電動客車納入推廣目錄,磷酸鐵锂自此已獲得國内新能源客車市場的短期絕對主導權。以大衆消費為主的新能源乘用車則相對更為關注續航能力和車身輕量化,因此高能量密度的三元電池逐漸奪得該細分市場的話語權。


随着三元正極材料改性研究的不斷深入,其安全性和循環穩定性有望獲進一步提升,将支持三元材料持續發力新能源領域。而且2017年已經放開大巴用三元電池的限制,加之補貼政策對能量密度的更高要求,未來三元将持續走強。對于現有三元锂電池體系的改進可以達到2020年動力電池模塊能量密度300Wh/kg的目标。随着未來乘用車成為新能源車的主要增長動力,三元電池有望逐步取代磷酸鐵锂電池成為未來主流。根據賽迪資訊預計,到2018年,NCM三元電池出貨量将超過磷酸鐵锂LFP電池。NCA等新的技術體系電池也有望開始規模化應用。


3、方形、軟包、圓柱路線之争


目前國内市場,電動客車的滲透率是最高的,而客車的帶電量基本都在60或70KWH,如此高的帶電量導緻客車傾向于使用鋁殼或,所以锂電池産能消化中客車占比在60%左右,而方形和軟包的市場占比目前為超過70%。


根據與行業内人士的交流,未來占比将是方形占主流、軟包次之,圓柱占比最低。由于圓柱的成本優勢在相當長一段時間内無法撼動,加上BMS的逐漸成熟以及松下和特斯拉的帶動作用,預計未來圓柱的市場份額将比較可觀。


三、5大主流電動車技術


2016年,中國銷售的電動車數量達到50.7萬,比2015年增長53%。與此同時,來自某機構的調研報告指出,截止2016年底,全球範圍内的電動汽車占汽車市場份額尚未跨過1%的門檻,這意味着,未來幾年,電動汽車産業仍将高速發展。同時我們注意到,目前主流的電動車電池技術路線分為5大方向,分析如下:


1、三元圓柱方向(18650/21700),代表車型特斯拉


特斯拉汽車的動力電池是來自松下的三元锂電池,具體形态為18650/21700(Model3)圓柱形電池,圓柱形電池的主要特征為自動化生産工藝成熟,産品良率高,一緻性好;電池小、電池組散熱面積大;成組工藝複雜,電池組系統可靠性低。


最後一點也導緻了很多人的認知誤區,認為特斯拉沒有企業責任,無視三元锂電池的低可靠性而為了高能量密度強推18650。在特斯拉發展早期,也有許多業内人士因此唱衰特斯拉汽車的安全性。但是汽車級的電池,是按照汽車級的标準嚴酷測試,絕對不可能在任何筆記本上找到這種電池。可以這樣講,傳統消費電子類18650和特斯拉18650隻是在形狀和大小上一緻,在安全性和性能上還是有一定區别的。


此外,特斯拉在電池組和電控技術安全性上的投入也令人印象深刻,這個技術優勢從多家傳統車企對特斯拉汽車逆向工程上也可以得到證明。在電池熱管理系統上,P90D用一個四通轉換閥實現了冷卻系統的串并聯切換。當電池處于低溫時,電機冷卻回路與電池冷卻回路串聯,從而使電機為電池加熱。當電池處于高溫時,電機冷卻回路與電池冷卻回路并聯,兩套冷卻系統獨立散熱。汽車可以根據工況選擇最優熱管理方式。


2、三元軟包電池方向,代表車型雪佛蘭Bolt


雪佛蘭Bolt的動力電池與特斯拉一樣,屬于三元锂電池,但在電池形态上,Bolt選擇了由LG化學提供鋁塑膜軟包锂電池,軟包電池的主要特征是安全性能相對較好,不易發生爆炸;能量密度高,延展性好,外形多變;一緻性較差,成本較高;承受機械載荷能力差,容易破損和漏液。


通用在量産前的産品預研上花了很多精力來測試電池的耐用度和安全性,他們建立了一個測試實驗室,用以模拟日常行車中電池所需要經受的震動、碰撞等情況,甚至有受到槍擊貫穿情況下的穩定情況,以保證在這種極端環境下車輛以及人身安全。


采用軟包電池的做法也使得電池組管理大大簡化(相對于特斯拉),具體來講,Bolt的軟包電池分成了兩個電池組,平鋪于車身底部。


在電池熱管理系統上,當電池處于低溫狀态時,通用為電池包配備了一個功率為1.6kW的充電加熱方式,可以将整體溫差控制在2攝氏度以下。當電池處于高溫狀态時,通用采用液冷散熱的方式,将液冷線路密集的平鋪于軟包電池的各個部位,使電池組整體得到一個均勻的冷卻效果,避免了整體溫差過大的情況出現。整個熱管理系統雖然不如特斯拉高效,但更加節能。


3、方形锂電池方向,代表車型寶馬i3


寶馬i3采用了來自三星SDI的三元锂電池,電池形态為方形锂電池。方形锂電池的特征為結構強度高,承受機械載荷能力好;電池組能量密度表現一般;工藝複雜,産品良率低,一緻性較差。可以這樣講,這是三元锂電池所有電池形态中除了安全,其他方面表現都不算出色的電池,但安全也是方形電池備受傳統車企青睐的原因。


寶馬i3的動力電池由8個電池包組成,每個電池包内置12個方形電池單體,由8個電池包串聯給驅動電機系統供電。在機械結構方面,i3的8個電池包都是可以獨立裝卸的。這樣設計的好處是,當一個電池包被檢測出有故障時,可以被單獨更換,不需要拆卸整車動力電池系統。此外,i3車體由“Life”模塊+“Drive”模塊組成,後者将懸架、蓄電池組、驅動系統和碰撞防護結構全部納入,與車體其他結構隔離,進一步提高了汽車的安全性。


在熱管理及電控系統上,寶馬放棄了自研而選擇了德國Preh公司的電控系統,該電池管理系統由電子控制元件電池管理單元和電池監控傳感器單元構成,寶馬表示,該系統可以時刻監測每個電池組的電壓溫度變化。測得的數據将由電池管理單元(BMU)進行處理以确定各自相應的充電電壓,來确保電池處于最佳狀态。


4、磷酸鐵锂方向,代表車型比亞迪E6


比亞迪E6采用了比亞迪自研的磷酸鐵锂電池。相比三元锂電池,磷酸鐵锂電池的安全性更高、抗衰退能力更長、原材料資源豐富、應用成本低(中國),但也存在能量密度偏低、低溫衰退嚴重等缺點。


比亞迪E6由96個方形電池單體組成60kWh的電池組,整個電池組平鋪于車身底部,E6電池的電解液中加入了阻燃物質,從源頭上杜絕了爆炸和燃燒的可能,此外,電池在量産前還要經過高溫、高壓、撞擊等試驗測試,驗證電池在極端環境下的安全性和性能表現。電池組的底部還加裝了阻燃塑料保護罩,主要用于防止碎石撞擊電池殼而發生危險,塑料的塑性變形特性可以分解碎石撞擊産生的力,且塑料罩在重量上的表現也優于金屬罩,可以進一步減輕車體自重,提高續駛裡程。當電池短路導緻電解液氣态膨脹時,電池組上的洩壓閥可以快速排走電池的氣體,屬于被動安全裝置。E6久經考驗的安全性和穩定性+來自政府的高額補貼使得這一車型成為國内多個城市首選的出租汽車明星車型。


5、錳酸锂方向,代表車型日産Leaf


日産Leaf的上代動力電池是來自日産與NEC的合資企業AESC提供的錳酸锂電池,是一種層疊式軟包電池組,上文中提到,軟包電池的特征之一就是延展性好,外形多變,這也是為什麼電池組形态可以設計成層疊式,在保證安全的同時最大限度的利用空間。


同時為了規避軟包電池承受機械載荷能力差,容易破損和漏液的短闆,Leaf電池組采用了完全密封設計。電池組由192節33.1Ah的層疊式錳酸锂電池組成。4節單體電池采用兩并兩串的連接形式組成模塊,48個模塊串聯組成電池組。


在熱管理系統上,由于AESC自研的錳酸锂電池的技術優勢,該電池經過電極改良設計後降低了内部阻抗,減小了産熱率,同時薄層結構使電池内部熱量不易産生積聚,因此日産為Leaf電池組設計了“被動式電池組熱管理系統”,通過優化電芯和電池組設計去掉了其他電動車專門的降溫裝置,使其自然降溫。當電池處于低溫時,Leaf提供了和雪佛蘭Bolt類似的加熱選件。


但新款Leaf已經換成由LG化學提供的三元锂電池,新款Leaf與雪佛蘭Bolt采用了同樣的供應商和電池組。這也表明,錳酸锂在國内的補貼政策下,在乘用車市場的應用有諸多劣勢,也許在未來的完全競争市場,可以依靠性價比優勢繼續占據一定的市場份額。


總結:以上幾輛電動汽車是經過“市場和消費者檢驗”的優秀産品代表,總結來說,圓柱形電池的能量密度最高,特斯拉通過高難度的技術研發努力解決密集電芯帶來的熱管理難題;而日産、雪佛蘭選擇的軟包電池,相比圓柱形電池能量密度尚有優化空間,但在解決電池組熱管理上操作性更高,這是傳統車企喜歡的典型的漸進式打法;而寶馬的方案則将汽車安全性置頂;比亞迪的電池化學材料獨樹一幟,憑着廣闊的國内市場和政策傾斜以及表現尚可的技術水平獲得了領先地位。


通過這幾輛車的電池供應商,我們也注意到一個趨勢,在汽車動力電池領域,歐美發達國家第一次集體缺席,反而是東南亞的中日韓三國的企業正在強勢崛起,概括來說,這三國中,日本技術積累最為深厚,盡管仍在竭力保持技術優勢,但近年來日企的研究方向漸漸脫離了主流發展,僅剩松下一家前景可期;而韓國動力電池發展可說是後來居上,韓企從日企大肆砸錢挖人的新聞屢見不鮮,全産業鍊的發展模式塑造了令人矚目的優勢;相對而言中國的技術水平最為落後,但中國企業近來開始仰仗政策優勢和廣闊的市場開始奮起直追,同樣不容小觑。


6、技術方向态勢解析


(1)圓柱形電池


消費類圓柱形三元锂電池原本因為筆記本及其他消費類電子産品的銷量增長陷入停滞而走上下坡路。卻因為特斯拉力克技術難題強推該品類煥發了第二春。日本電池業界發展三元锂電池投入最大的企業就是松下,2008年12月,松下斥資64億美元收購了三洋電機。三洋電機在锂電池和太陽能電池兩個領域都有雄厚的技術實力,此次收購擴大了松下在電池領域的技術優勢。緊接着在2009年,松下與特斯拉結盟,成為特斯拉獨家電池供應商,随着特斯拉汽車銷量的持續增長,2013年,松下終于擺脫了消費電子領域連續兩年的财報虧損,實現了超過10億美元的盈利,成為動力電池領域無可争議的領軍企業,到了2016年上半年,松下已經拿下了全球動力電池市場40%的份額,穩列第一。


但松下并未就此止步,路透社報道,大衆斥資100億歐元發展電動汽車業務,其中正在接洽的動力電池供應商就有松下,如果雙方最終達成合作協議,松下在動力電池市場的份額将進一步擴大。2017年1月4日,特斯拉CEOElonMusk宣布特斯拉與松下聯合研發的21700新型電池正式量産,這是松下在汽車動力電池領域的最新研發成果,與此同時,兩大韓企三星SDI與LG化學都宣布了類似于21700電池的新一代圓柱形動力電池,2017CES展上,三星SDI對松下隔空喊話,宣稱“三星版”21700電池的能量密度達到了業界最高。盡管尚沒有第三方機構作對比測試,但SDI此舉表明這一領域的競争正日趨激烈。


(2)軟包電池


軟包電池的特性不再贅述,這是願意進行适度技術投入進行優化的電動車企的最佳選擇。軟包電池主要由日企AESC和韓企LG化學提供,AESC是日産與NEC的合資企業,AESC在2016年砍下了15%的市場份額,僅次于松下,排在第二位,表現尚可。然而AESC在錳酸锂電池業務上浸入太久,尾大不掉,在熱門的三元锂電池方向并無建樹,不符合技術發展潮流。


而LG化學的軟包電池正是三元锂電池,如果從發展前景來考慮的話,未來軟包電池領域很大可能LG化學一家獨大,除了美國霍蘭德和韓國本土的兩大電池制造基地,2015年10月底,LG化學位于中國南京的動力電池廠正式竣工,該廠可年産供5萬多輛純電動汽車和18萬輛插電式混合動力版汽車(PHEV)使用的電池。2016年4月,LG宣布在波蘭建設年産量可為20萬輛電動汽車提供動力電池的電池生産基地。LG化學電池商業部部長LeeWoong-beom對媒體表示,2016年,LG化學動力電池年銷售額将達11億美元,到2020年,這個數據将高達63億美元。如果進展順利,LG化學在銷售額上超過松下也并非不可能。


除了日産和通用,沃爾沃、福特、現代、起亞以及新興車企FF、LucidMotors都是LG化學的合作夥伴。


(3)方形電池


方形電池的一個顯著特點便是結構強度高,這一特性得到了多數傳統汽車制造商的青睐。除了寶馬,還有大衆、克萊斯勒、奧迪等品牌的混動和純電動車型,大多采用了三星SDI方形锂電池。方形電池的主要提供商為三星SDI和國内快速崛起的動力電池制造商甯德時代。2014年8月,三星在中國西安投資的動力電池生産基地開工建設,建成後該廠年産能将達到4萬台純電動汽車所需的标準電池。2016年9月,三星宣布投資3.5億美元在匈牙利建設歐洲電池生産基地。建成後該廠将達到每年為5萬輛電動汽車提供電池的産能。在國内,三星與東風、鄭州宇通客車、北汽福田等十多家汽車制造商達成合作。此外三星也與FF、LucidMotors達成了電池供應協議。值得一提的是,三星SDI還斥資了4.49億美元收購了中國動力電池制造商比亞迪4%的股份。而另一家成立于2010年的中國企業甯德時代更具傳奇色彩,2016年10月,甯德時代完成第二次融資,公司估值也随之增至800億元人民币(115億美元)。甯德時代CEO黃世霖表示,甯德時代電池産能已經超過LG化學,逐步逼近比亞迪和松下。公司計劃在2020年前将電池産能增加5倍,達到50GWh,這一目标甚至超越了特斯拉的超級電池工廠。


比亞迪磷酸鐵锂電池:


比亞迪的磷酸鐵锂電池是個異類,與三元锂電池相比,磷酸鐵锂電池雖然能量密度略低,但能保持較高循環壽命、更高安全性能,以及更低成本。比亞迪在全球動力電池市場上發展勢如破竹,2014、15、16年的全球市場份額分别為6.7%、14.4%、19.4%。電動汽車業務則蟬聯了15、16年的全球電動汽車銷量冠軍。2月8日,比亞迪在《投資者關系活動記錄表》中表示,公司在深圳惠州、坑梓兩個動力電池生産基地,目前共有10GWh的産能。同時比亞迪正在坑梓基地擴建的6Gwh産能,預計會于2017年達産。比起其他家宣稱2020年目标産能目标,比亞迪選擇了更務實的17年達成16GWh年産能,電池業務與電動汽車業務深度綁定目前為比亞迪帶來了産銷兩旺的有利局面,但風光背後也有隐患——出于競争考慮,很少有車企會采購比亞迪的電池,一旦比亞迪電動汽車業務不振,電池業務受拖累幾乎是必然事件。另外,經過多年的發展,比亞迪的磷酸鐵锂電芯單體能量密度已經達到130Wh/kg以上,接近理論發展極限,今年發展出了改良的磷酸鐵錳锂材料電池,使新款E6的續駛裡程突破400公裡大關,但長久遊離在業界主流的的技術方向之外,在競争白熱化,三元锂電池規模效應凸顯時容易陷入被動。好消息是比亞迪内部已經開始研究三元锂電池研究方向。


未來的動力電池市場,對于日本企業,随着AESC逐漸走上下坡路,更可能是松下(已完成并購三洋電氣,市場份額實為36%)一家厮殺;對于韓國企業,軟包、方形和圓柱形全面發展的模式會讓三星SDI與LG化學會繼續保持領先地位;對于中國企業,中國锂電池企業間并購将陸續展開,改善沒有核心競争力的中小規模企業過多的現象,逐步向韓國行業集中度高,最大化發揮資源優勢的發展模式靠攏。


四、動力锂電池核心指标分析


1、關于能量密度


談到能量密度,就必須區分單體電池的能量密度與電池組的能量密度。就單體電池的能量密度來看,18650電池是要高于層疊式锂離子電池的。但是,18650電池的管理系統更加複雜,由此額外增加的重量會使得電池組的能量密度遠低于單體的能量密度。Roadster的電池組重量是450kg,能量密度是118Wh/kg,而LEAF電池組的重量是225kg,能量密度是107Wh/kg。在電池組層次,兩者的能量密度已經不相上下。


2、關于安全性


前面提到層疊式锂離子電池的各種優點,但它也有一些缺點。由于層疊式锂離子電池一般是采用鋁塑膜封裝的,而鋁塑膜的厚度薄,機械強度差,在汽車發生碰撞等極端情況下,鋁塑膜很容易發生破損導緻安全事故産生。這也就解釋了為什麼日産要在4個單體組成的電池模塊外面再加一個鋁殼。


18650電池一般是鋼殼,安全性更好;而且前面也提到随着18650電池生産工藝水平的的不斷提高,安全性也在不斷提高。


Tesla在應對這些18650電池可能出現的安全事故上,也傾注了很多心血。如果一個單體電池出現溫度過高等異常情況,根據異常情況的惡劣程度,這枚電池或其所在的模組會斷電以防止事故的蔓延。由于單體容量小,隻要不發生蔓延,事故的嚴重程度将是較低的。


3、關于循環性能


圓柱、方形、軟包電池對锂電池循環性能的影響主要通過以下幾方面進行影響:包括材料種類、負極用量、正負極壓實、水分、塗布膜密度、電解液量等等。


性能表現最差的是圓柱,方形與軟包的循環壽命最好。對系統而言,軟包電池的内阻較金屬外殼锂電池小,可以極大的降低電池的自耗電,有利于節約能量;另一方面,軟包電池的循環壽命更長,測試表明100次循環衰減比鋁殼少4%-7%。


4、關于一緻性


18650電池是最早、最成熟、最穩定的锂離子電池,已經廣泛應用在電子産品中。多年來,日本廠商在18650電池的生産工藝上積累了大量的經驗,使得産出的18650電池的一緻性、安全性都達到了非常高的水準。相比之下,層疊式锂離子電池遠遠沒有成熟,常見的有方形電池、軟包電池,甚至連尺寸、大小、極耳位置等都不統一,電池廠商所具備的生産工藝也不能滿足條件,大多數以人為控制為主,電池的一緻性達不到18650電池的水準。如果電池的一緻性達不到要求,大量電池串、并聯形成的電池組的管理也将不能讓每個電池的性能更好地發揮,而18650電芯可以解決這一問題。


總結來說,18650電池的單體容量小,所需的單體數量會很多(ModelS有7104隻),但是一緻性很好;層疊式電池的容量可以做得較大(20Ah到60Ah),單體數量可以降低,但是一緻性差。現階段開發一套管理6000多節單體一緻性很好的電池系統與開發一套200多節一緻性很差的電池系統,相比之下,前者的技術難度應該更低一些。即使單體電池數目增多,但是如果這些電池的性能是可靠的,管理起來還是容易一些。而日産的LEAF,它之所以采用的是層疊式锂離子電池,是因為日産與NEC合作多年,在電池技術方面積累很深厚,在品質控制方面應該有相當的功力。


5、關于散熱能力


層疊式電池的厚度薄、表面大,均熱、散熱能力都不錯,因此日産的LEAF很大膽地采用了被動式熱管理系統(其實就是不管理!),由空氣的自然對流将熱量帶走。


反過來看Tesla,18650電池的個頭比較小,在正常充放電時單體電池内部的溫差也不會太大。但是,6000多個單體電池的溫度也應當保持在不超過5°C的範圍内,這是一件非常困難的事情。Tesla設計了一套複雜的液冷系統,液冷系統的流道均勻分布在電池模組中間,能讓每隻電芯能很好地跟水管接觸,這樣每隻電芯在冷卻時帶走的熱量也幾乎一樣,溫差也就可以有效地控制在很小的範圍内。


總結來說,由于采用了小容量的18650電池,Tesla的熱管理系統的複雜度是大大增加了的。也就是說,如果從散熱能力方面考慮,使用小容量的18650電池不是最優選擇。


6、關于成本


具有容量大、壽命長、安全性能高等特點,又因為體積小,重量輕,使用方便,深受消費者的青睐。随着人們對18650電池技術研究的不斷加深,使得電池的一緻性、安全性都達到了非常高的水準。作為最早的锂離子電池,18650電池也是目前世界上最成熟、最穩定的電池組合,至今仍然占據領先位置。我國每年生産18650電池約幾十億節,這一數據遠遠超出其他材料的電池。而Tesla采用18650電池,就可以利用日本松下等廠商之前的生産線進行生産。在消費類電子産品所用18650電池競争日趨激烈的情況下,松下等廠商與Tesla合作升級産品,将原有的生産線改良後用于生産動力電池。工業生産有一個規模效應,當生産産品的規模達到一個量級之後,成本會大大降低。一輛新能源汽車就需要成千上萬節18650電池,因此單體的采購成本可控。


可以說,采用18650、20700等圓柱電池作為新能源電動汽車的動力之源,在現階段可以說是最優的選擇。但是随着電池技術工藝的成熟,未來也會出現更多新型的電池應用在新能源電動汽車上。


五、錳酸锂電池


1、産業化較早而發展緩慢


錳酸锂的産業化較早,20世紀90年代初,日本索尼公司即推出了商業化的锂電池,但其高溫循環壽命低的缺點一直限制着該材料在實際锂離子電池中的使用。90年代中後期,衆多學者發現采用元素摻雜可有效地改善錳酸锂的高溫循環特性,由此推動了錳酸锂産業化的進程。而在我國,由于受到政策、産業技術積累等多重因素影響,錳酸锂電池并沒有在國内得到應有的重視。在産業布局和實際應用方面都要遠遠落後于磷酸鐵锂電池和三元電池。限制錳酸锂電池發展的原因主要如下:


高溫循環壽命低:錳酸锂電池循環壽命次數較低,約300次。低于三元材料锂電池2000次和磷酸鐵锂材料的1500-2000次。


能量密度低:錳酸锂的比容量約為100-120mAh/g,低于磷酸鐵锂170mAh/g和三元的190mAh/g。


缺點很明顯,但其也有獨特的優勢,使其未被淘汰反而可與三元材料、磷酸鐵锂相抗衡。


原料豐富,成本低:錳酸锂正極材料中的錳資源豐富,價格較低,錳酸锂材料價格不過5-7萬元/噸。而三元材料中的钴、鎳價格近期價格急劇擡升,緻使三元材料價格居高不下,維持在20萬元/噸以上;而主流磷酸鐵锂市場價格維持在8.5萬元/噸左右。錳酸锂相對于三元及磷酸鐵锂材料具有較大的價格優勢。


改良性好:通過混合一定比例的三元材料可提高電池能量密度并改善性能,海外的LGC、AESC、LEJ等電池廠商已将該技術路線廣泛應用于動力電池,國内企業以微宏、星恒電源、盟固利、億鵬能源等為代表的一批動力锂電池企業也正在這一技術路線上不斷突破。以星恒電源為例,其超級錳酸锂電池循環壽命超2000次,成組後的能量密度為120Wh/kg,達到部分磷酸鐵锂及三元電池水平,且綜合成本更低。


2、補貼退坡助力錳酸锂份額提升


伴随着市場化的推進,關鍵材料、技術的突破和應用領域的挖掘,錳酸锂電池被冷落的局面正在逐步改變。在三元和磷酸鐵锂體系展開動力锂電池市場角逐的同時,錳酸锂電池作為市場關注較少的一方已經開始了更大市場份額的擴張。


目前,相較于客車領域的風頭正勁和在專用車市場份額的逐步上升,錳酸锂電池在乘用車領域稍顯落寞。反觀國外,全球銷量排名前列的新能源車型日産Leaf、通用雪佛蘭Volt、福特FocusEV等均以錳酸锂技術路線為主。随着國家補貼逐年降低甚至完全退出,錳酸锂電池的價格優勢将越來越明顯,在我國新能源乘用車上的運用也将有很大的嘗試空間,尤其是在成本較敏感、對續航裡程要求相對低的A00級微型電動車市場将大有可為。


六、


2016年,從格力電器董事長董明珠入主銀隆新能源,到微宏動力獲投資注入,钛酸锂電池這一長期活在磷酸鐵锂電池巨大陰影下的锂電池品類,在電動汽車受困續航裡程、充電效率問題,産業化進展遲緩的背景下,似乎終于迎來了翻身的時機。


1、優劣勢明顯的“老技術”


外行看熱鬧,内行看門道。董明珠在輿論中炒紅了銀隆新能源這家企業,但行業内的觀察點卻在钛酸锂。對于收購銀隆,董明珠表示之所以願意用全部身家投資銀隆,是因為看好銀隆的钛酸锂技術。


钛酸锂技術亮點如下:使用壽命長,能夠适應高寒溫度,安全性好,在儲能市場有應用前景等。但實際上,钛酸锂電池并不是一個新鮮的技術。作為主要材料的钛酸锂,其優缺點都比較明顯。此前因為存在二大“短闆”,钛酸锂的大規模商業化應用一直受限。


高溫脹氣:钛酸锂作為負極材料時,與電解液之間容易發生相互作用并在充放循環反應過程中産生氣體析出,因此普通的钛酸锂電池容易發生脹氣,導緻電芯鼓包,電性能也會大幅下降,極大地降低了钛酸锂電池的理論循環壽命。


能量密度低:跟碳負極材料電池相比,相同的體積和重量隻能存一半的電,續航也隻有一半,钛酸锂電池電壓也是低至1.5V。因而钛酸锂電池的體積和重量較大能量密度較低。


2、商業化唯“快”不破


當然,作為硬币的另一面,钛酸锂在性能上也有着自己的獨到之處,尤其是在商用車輛特别是客車上存在明顯的優勢:


工作溫度範圍廣:钛酸锂工作溫度涵蓋-30℃至60℃(無加熱裝置),完全可以應付北方地區的嚴寒天氣;


壽命長,安全性能高:與傳統的負極材料石墨和矽相比,钛酸锂在儲存及使用時能夠大幅度減少锂離子與電解液的損耗,避免電池容量的衰減。


能夠實現快充:能夠實現快充,是钛酸锂突然受追捧的技術因素,尤其是在商用車領域。


但同時,随着材料技術的發展,磷酸鐵锂和三元的快充技術指标也已經基本滿足乘用車的相關使用需求,所以钛酸锂的快充優勢主要體現在商用車領域。


3、不以片刻論成敗


此前有媒體稱,誰掌握钛酸锂材料的核心技術,誰将擁有獨步天下、藍海泛舟的制控權。雖然這一論斷頗有誇大,但钛酸锂确實在快速彌補着自身短闆。


據媒體報道,珠海銀隆正在研發第5代钛酸锂電池,能量密度将提升至與目前的磷酸鐵锂電池能量密度相近的水平。包括微宏動力在内的多家電池企業在提升钛酸锂電池能量密度方面,也都已經取得進展。


微宏動力方面稱,2013年便推出了能量密度為120Wh/kg的第二代快充電池LpCO锂電池,該産品目前已經占到微宏動力電池産品出貨量的80%;而2017年即将推出的快充電池産品,在保持快充與長壽命特點的同時,能量密度可達到170Wh/kg。并在未來規劃推出230Wh/kg以及300Wh/kg的快充電池産品。


七、全固态電池


什麼叫做全固态電池,通俗的講,全固态電池就是裡面沒有氣體、沒有液體,所有材料都以固态形式存在的“全固态锂離子電池”。目前科研界和工業界都在研發以及生産全固态電池,也就是把傳統的锂離子電池的隔膜和電解液,換成固态的電解質材料。那麼全固态電池的優缺點點主要有哪些呢?


1、優勢之一:輕——能量密度高


使用了全固态電解質後,锂離子電池的适用材料體系也會發生改變,其中核心的一點就是可以不必使用嵌锂的石墨負極,而是直接使用金屬锂來做負極,這樣可以明顯減輕負極材料的用量,使得整個電池的能量密度有明顯提高。此外,許多新型高性能電極材料,可能之前與現有的電解液體系的兼容性并不好,但是在使用全固态電解質後該問題可以得到一定的緩解。綜合考慮到以上兩大因素,全固态電池相比于一般锂離子電池,能量密度可以有一個較大幅度的提升:現在許多實驗室中,都已經可以小規模批量試制出能量密度為300-400Wh/kg的全固态電池了(一般锂離子電池是100-220Wh/kg)。從能量密度的數據上看,或許全固态電池真的有希望讓我們的生活從“一天一充”升級到“兩天一充”。


2、優勢之二:薄——體積小


實際上,體積能量密度對于電池來說是一個很重要的參數,如果就應用領域來說,要求從高到低是消費電子産品>家用電動汽車>電動公交車。如果通俗的講,就是體積能量密度高了,因此相同質量的電池才能做的體積更小。電子産品中的可用空間往往很有限,很多産品(例手機、平闆電腦)有近1/3左右的體積和質量已經被電池占據,而且在廣大生産廠商和消費者希望對電池進一步提高容量(增加續航)和壓縮體積(便攜美觀和便于設計)的要求下,高壓實、體積能量密度最高的钴酸锂(LCO)電池依然是當仁不讓的主流産品。


傳統锂離子電池中,需要使用隔膜和電解液,它們加起來占據了電池中近40%的體積和25%的質量。而如果把它們用固态電解質取代(主要有有機和無機陶瓷材料兩個體系),正負極之間的距離(傳統上由隔膜電解液填充,現在由固态電解質填充)可以縮短到甚至隻有幾到十幾個微米,這樣電池的厚度就能大大地降低——因此全固态電池技術是電池小型化,薄膜化的必經之路。不僅如此,很多經過物理/化學氣相沉積(PVD/CVD)制備的全固态電池,其整體厚度可能隻有幾十個微米,因此就可以制成非常小的電源器件,整合到MEMS(微機電系統)領域中。能夠制成體積非常小的電池也是全固态電池技術的一大特色,這可以方便電池适應各種新型小尺寸智能電子設備的應用,而在這一點上傳統的锂離子電池的技術是很難達到的。


3、優勢之三:柔性化的前景


全固态電池可以經過進一步的優化,變成柔性電池,從而帶來更多的功能和體驗。


實際上,即使是脆性的陶瓷材料,在厚度薄到毫米級以下後經常是可以彎曲的,材料會變得有柔性。相應的,全固态電池在輕薄化後柔性程度也會有明顯的提高,通過使用适當的封裝材料(不能是鋼性的外殼),制成的電池可以經受幾百到幾千次的彎曲而保證性能基本不衰減。實際上,以各種可穿戴設備為代表的柔性電子器件是下一代電子産品發展的重要方向,而這就要求該産品中的元件同樣需要具有柔性,因此柔性全固态電池是科研與工業界中,非常有前景的明日之星。


不僅如此,功能化的全固态電池潛力遠不隻以上的柔性電池,經過電池材料結構優化可以制成透明電池,或者是拉伸幅度可達300%的可拉伸電池,或是可以和光伏器件集成化的發電-存儲一體化器件等等——全固态電池所意味的功能上的創新應用前景還有很多,在這方面科研人員與工程師們的想像力會給我們帶來越來越多的驚喜。


4、優勢之四:更安全


作為一種能量存儲器件,實際上所有電池在熱力學實質上都不可能是絕對安全的。但是電池實際應用中的決定其真正安全性的因素是多方面的,影響因素包括電池的電極材料特性、電解液的性質,以及電子産品中的電池管理系統等。


目前一般商用的锂離子的安全性是大家關心的重點,在這裡用“不夠理想”來評價現在電池的安全性,應該是一個比較合适的評價。目前普通锂離電池的安全性的影響因素主要有:1)電極材料特性,比如在大電流下工作有可能出現锂枝晶,從而刺破隔膜導緻短路破壞;2)電解液為有機液體,在高溫下發生副反應、氧化分解、産生氣體、發生燃燒的傾向都會加劇;3)電池質量參差不齊,尤其是小廠家的電池安全性能不達标;4)電池管理系統不合格,造成電池的過充放,導緻危險的發生。


而如果采用了全固态電池技術,以上的1和2兩點問題就可以直接得到解決,而且所得的電池的最高工作溫度可以從現在的40度提升到更高,這樣就可以使電池的适應工作溫度區間更寬,應用範圍也會更廣。安全性,其實是全固态電池領域發展的最根本驅動力之一。


以上說了全固态電池的種種優點。在這裡也必須介紹一下全固态電池的幾個缺點。


5、問題之一:快充不現實


固态電解質電導率總體偏低,低于它們的“前輩”——液态電解液。這就導緻了目前全固态電池的倍率性能整體偏低,内阻較大,高倍率放電時壓降較大,如果想指望該類技術能在近期解決電池快充的問題,基本上是不可能的。


當然了,固态電解質的電導率随着溫度上升也會有明顯的提高,所以這就導緻了一個有趣的現象,就是全固态電池最好或者說必須在高一點的溫度下工作,才能發揮良好的性能。因此目前市面上有些使用全固态電池的産品,實際上都不是在室溫下工作的。


6、問題之二:成本依然偏高,制備工藝複雜,技術不夠成熟


目前的全固态锂電池的電解質主要有有機和無機兩大體系,成本總體偏高,尤其是無機體系的電池很多采用CVD/PVD等複雜的工藝制備,生産(沉積薄膜)速度慢,成本昂貴,單體電池容量很小,往往隻适合做小型電子器件用的電池。因此現在的全固态電池如果要和普通锂離子電池在傳統市場上競争,并沒有太大的優勢。發揮全固态電池本身高安全性、高溫穩定性、可能達到的柔性等其它多功能特性,與傳統锂離子電池在差異化的市場中競争,可能是全固态電池近期内比較有希望的市場突破方向。


典型的全固态電池,容量隻有1.0mAh,隻能給小型電子産品供電,不僅如此,全固态電池現在的制備技術成熟度總體一般,能形成規模産能的企業非常有限,技術規模化擴産需要克服的困難還有很多,仍處于推廣發展期。但是可以預期的是,随着研發和工業技術的不斷發展,全固态電池中的科學和工藝上的問題會逐漸得到緩解,在未來幾年,該類産品的市場會迎來蓬勃發展的機遇。


7、固态锂電池展望


目前全固态電池主要可以用于電子器件、電動汽車、RFID、植入式醫療設備、無線傳感器等,主要應用于微電池領域。在汽車動力電池領域也有,但是受制于技術發展水平,實際應用很少。


現在已經有許多start-ups以及傳統工業巨頭公司投入到了全固态電池行業中。以美國Seeo公司為例,該公司一直從事全固态電池的研發和生産,目前最先進的電池能量密度已經達到350Wh/kg,在今年9月,德國汽車工業巨頭BOSCH已經完成了對該公司的收購。不僅如此,Sakti3、CymbetCorporation、Prologium、包括豐田公司等等,在全固态電池的研發生産方面也傾注了很多精力,蘋果公司也在全固态電池方向做了專利布局,這說明這些大公司是普遍非常看好全固态電池技術的。


總體來說,全固态電池是電池科研與工業界公認的下一步電池發展的主流方向已經沒有懸念,但是具體到固态電解質的電導率、電池倍率、電池制備效率、成本控制方面,全固态電池仍然有一段路要走。


八、市場反饋


據電池中國網統計,1-7批推薦目錄中共有1939款純電動車入選。按照配套電池統計,磷酸鐵锂共有1066款穩居第一,占比55%,三元锂電池共有631款緊随其後,占比32%,錳酸锂157款占比8%,钛酸锂和未知锂電池分别占比3%和2%。


1)乘用車方面,七批目錄中純電動乘用車共有251款。從配套電池來看,三元锂電池依然是純電動乘用車的領軍“人物”:共有201款車裝配三元锂電池,31款車裝配磷酸鐵锂,4款車裝配錳酸锂,2款車裝配多元複合锂離子,3款車裝配未知锂離子電池。


「和達産業觀察」動力锂電池技術路線之争


2)新能源客車方面,七批目錄中純電動客車共有1119款發布。從配套電池來看,磷酸鐵锂風光依舊:共有927款車裝配磷酸鐵锂,130款車裝配錳酸锂,4款車裝配三元锂電池,9款車裝配未知锂離子電池。


「和達産業觀察」動力锂電池技術路線之争


3)新能源專用車方面,七批目錄中純電動專用車共有570款,其中415款裝配三元锂電池,108款裝配磷酸鐵锂電池,23款裝配錳酸锂電池,24款裝配未知锂離子電池。


「和達産業觀察」動力锂電池技術路線之争


總結:通過2017年1-7批推薦目錄來看,主流新能源汽車采用技術前兩位由三元锂和磷酸鐵锂占據,處于第三位的是錳酸锂,其次是最近開始嶄露頭角的钛酸锂。


具體到車型,乘用車和專用車已經體現出三元锂的優勢,而在帶電量較大的客車領域,磷酸鐵锂還占據相當的優勢。


九、結論


通過整篇文章的分析,我們對動力電池技術路線的結論很模糊也很明确。不過,對于電池技術的流派之争,技術的進步永無止境,不能以片刻的得失論成敗。不同的技術路線都有不同的特性,适用于不同的領域,并且都在朝着未來更新的方向前進。


首先在實際市場應用方面,三元、磷酸鐵锂、錳酸锂和钛酸锂占據絕對的市場份額,且各有優勢、也各有劣勢,但是均在各自的應用領域風生水起,占據一定的市場份額。随着材料研發成果的不斷湧現,該格局也會随之發生漸變。


同時,圓柱、軟包、方形的技術路線,也體現了相同的态勢,目前來講沒有哪種技術路線占據絕對優勢,電芯的生産廠家和應用廠家都在根據自己的技術和應用領域做出理性選擇,最終的份額将由市場做出抉擇。


其次在市場未來發展前景來看,燃料電池、固态電池随着技術的整體進步及相關配套的完善,也終将占據一定的市場地位,但短期内還不足以對三元、磷酸鐵锂的市場地位形成影響。


所以,我們需要理性的看待各個技術路線,每項技術均具有現階段的曆史地位。同時需具備足夠的前瞻性和市場敏感度,才不會在決策過程中做出違背市場規律的錯誤選擇。


本文網址:http://www.resenarer.net/news/407.html

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