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簡述當前鋰電池發展的一些亮點

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2018年09月20日  

新能源汽車產業的發展,需要科技創新提供動力。每一種鋰電技術流派都有其適用的應用領域,未來將在產業化實踐中逐步改進。

根據工信部公布的數據,2016年,我國新能源汽車產量為51.7萬輛,僅占汽車行業總產量(2,811.9萬輛)的1.84%左右。相對于傳統燃油汽車,新能源汽車還處于發展初期,目前仍存在某些問題,比如續航里程短、充電時間長、安全性不夠等。在電動汽車的結構中,電池的地位舉足輕重。我們判斷,未來電池將更加注重高比能、輕量化、快充、安全等性能,業界也在嘗試各種材料,針對表15中的不同應用研制合適的電池。

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關于未來幾年動力鋰電池的發展趨勢,我們做了一些研究,分享如下,歡迎讀者與我們互動探討。

趨勢一:負極將是能量密度提升的關鍵

2017年4月6日,工信部、發改委、科技部聯合印發《汽車產業中長期發展規劃》。近年來我國新能源汽車技術水平大幅提升,產業規模快速擴大,產業鏈日趨完善,有望成為搶占先機、趕超發展的突破口。我們認為,《規劃》的出臺對于規范引導新能源汽車產業發展具有重要意義。對于動力鋰電池,該《規劃》提出,到2020年,新能源汽車年產銷達到200萬輛,動力電池單體比能量達到300瓦時/公斤以上,力爭實現350瓦時/公斤,系統比能量力爭達到260瓦時/公斤、成本降至1元/瓦時以下。到2025年,新能源汽車占汽車產銷20%以上,動力電池系統比能量達到350瓦時/公斤。我們認為,上述目標將促使產業界通過新材料應用、工藝改進等方式提升動力電池性能。

目前鋰離子電池負極材料主要包括石墨碳、硅的復合物、錫與碳的復合物、鈦氧化物、金屬鋰等,主要的性能指標比較如表16所示,其中,硅/錫/碳、金屬鋰的比容量相對于石墨實現了質的提升,將是未來高比能鋰電的新選擇,而鈦氧化物(鈦酸鋰材料)主要提高循環及快充性能。

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國外許多電池公司早就開始嘗試新的負極材料,例如松下、ENEVATE、amprius等已開始生產以硅碳復合物為負極的鋰離子電池,ionic、OXis、SionPower等開始生產鋰硫電池,SolidEnegy等開始探索以鋰金屬為負極的高鎳三元電池,能量密度已經達到400~500Wh/kg,如圖15所示。

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趨勢二:軟包電池將是電池輕量化趨勢

目前鋰離子電池主要方形、圓柱、軟包三大類,其中方形和圓柱的外殼主要采用鋁合金、不銹鋼等硬殼,而軟包的外殼則采用鋁塑膜,這是他們的本質區別,如表17所示,性能方面軟包鋰電池的主要優勢包括:

(1)安全性能好:軟包電池電解液較少漏液,且在發生安全隱患的情況下軟包電池會鼓氣裂開,而不像硬殼電池那樣內壓過大會發生爆炸;

(2)重量輕:軟包電池重量較同等容量的鋼殼方形電池輕40%,較鋁殼方形電池輕20%;

(3)電池容量大:軟包節約體積20%,較同等規格尺寸的鋼殼電池容量高50%,較鋁殼電池高20~30%;

(4)循環性能好:軟包電池的循環壽命更長,100次循環衰減比鋁殼少4%~7%;

(5)內阻小:軟包電池的內阻較鋰電池小,國內最小可做到35mΩ以下,極大地降低電池的自耗電;

(6)設計靈活:可根據客戶需求定制外形,可以做更薄,普通鋁殼只能做到4mm,軟包可以做到0.5mm。

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我們認為,在性能方面軟包電池更具綜合優勢,未來應用前景廣闊:

1)軟包電池更輕更薄,適合便攜式、對空間或厚度要求高的應用領域,例如3C消費類電子產品;

2)雖然方形電池的單體容量高,但又重又大,而軟包電池在能量密度方面優勢明顯,而且目前單體電芯也在往大容量、高倍率方向發展,將更符合新能源汽車等領域對移動電源的要求;

3)雖然圓柱電池的生產工藝成熟、能量密度優勢明顯,但由于單體電芯的容量很小,故相同容量大小的電池Pack需要更多的電芯,例如特斯拉ModelS的電池Pack容量為85kWh,大約有7000多顆18650型圓柱電芯,這對電池管理系統BMS要求非常高,且電芯一致性較難控制,所以系統能量密度相對單體電芯下降比較明顯,而軟包電池的單體容

量大,對BMS的要求較低,介于國內甚至全球大多數BMS配套能力有限,大容量的電池Pack不會過多采用圓柱電池,另外,圓柱電池因能量密度太高導致安全性較差,且硬殼導致內壓大,常發生爆炸事件,則軟包電池則具有明顯優勢。

全球動力電池廠商中有超過6成采用了方形電池結構,代表車型包括三菱iMiEV,寶馬i3,豐田Pruis等;而特斯拉ModelS采用的松下18650型電池則是圓柱動力電池的代表;軟包電池的占比高于圓柱,代表車型則是日產Leaf、通用雪佛蘭Volt、寶馬等,如表18所示,主要供應商有日本AESC、LG化學、A123等。

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這些年國內如東風、眾泰、北汽新能源、比亞迪等主流電動車企也紛紛開始嘗試軟包動力電池,主要供應商有ATL、微宏動力、多氟多、中航鋰電、卡耐新能源等,近期億緯鋰能、山東恒宇、蘇州宇量等也開始大力投建軟包動力電池生產線。我們認為,隨著電池路線的發展,軟包的滲透率將不斷提升,未來市場份額有望達到40%~50%。布局軟包電池的相關標的包括(但不限于):多氟多、億緯鋰能等。

趨勢三:鈦酸鋰電池引領鋰電快充時代

目前商業化的鋰電負極材料主要采用石墨碳,其指標性能優勢比較均衡,如圖16所示,但是碳電極與金屬鋰的電位接近,當電池過充電時容易在碳電極表面析出金屬鋰形成鋰枝晶,鋰枝晶會刺穿隔膜引起短路等造成安全隱患問題。同時,碳負極電池在首次化成時電極表面還原形成表面膜(SEI膜),SEI膜的形成和修復過程會消耗電解液,造成不

可逆容量加大,電池衰減加劇從而影響電池使用壽命。鈦酸鋰則恰好彌補了石墨的一些缺陷,具有以下優勢:

1)高安全性,插鋰電位高(1.55V),不生產鋰枝晶,充電態和放電態下都具有極高熱穩定性;

2)長壽命,零應變材料,壽命極長(可達多3萬次以上),不姓陳傳統意義上的SEI膜;

3)可快充,尖晶石型結構,十倍于鋰離子擴散系數,充電時間僅需6~15分鐘;

4)溫度范圍廣,-40~60℃可充可放,DOD≥60%;

5)低成本,可用鋁箔作集電極,生產成品率高。

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目前已具備鈦酸鋰電池生產能力的國內企業包括湖州微宏動力有限公司、珠海銀隆新能源有限公司、中信國安盟固利電源技術有限公司、安徽天康(集團)股份有限公司等,產品要應用于快充型純電動客車、插電式混合動力客車、雙源無軌電車等。

趨勢四:全固態電池將突破能量密度瓶頸

全固態鋰電池具有安全性能高、循環壽命長、工作溫度范圍寬、無需隔膜等優點,除此之外,相比于傳統的鋰離子電池還具有以下優勢:

①固體電解質具有較高的電化學窗口,適應于高電壓型電極材料,并可通過多層堆垛技術實現內部串聯,獲得更高的輸出電壓;

②全固態鋰電池全部使用固體材料,具有更高的封裝效率,且采用物理方法制備,類似半導體工藝,具備成熟的生產方式;

③可制備薄膜電池和柔性電池,未來可應用于智能穿戴和可植入式醫療設備等領域。目前全固態電池的主要缺點在于單體容量較小、電導率較低、成本暫時較高。

將來若要把鋰電池的能量密度提升到500Wh/kg以上,需要新的變革性蓄電技術,比如,鋰硫電池、鋰空電池,這兩類電池的負極都是金屬鋰,正極活性物質分別是硫或空氣。可充放鋰硫電池和鋰空電池的研究都已經經歷了數十年,由于之前一直采用液體電解質,金屬鋰負極的穩定性難以解決,隨著固態電池的應用,這一問題將得以克服。

國內在全固態鋰電池領域的拓展還處于初期階段,主要有以下企業在推進產業化:

1)珈偉股份,通過與哈佛等一流大學的科學家合作,采用材料基因組技術,成功研制出高性能的全固態鋰電池(有機無機摻雜),目前已建成中試線進行小批量生產,能量密度達到300Wh/kg,公司將投入10-12億建設一期2~2.5億安時產能,預計2017年底或2018年初投產,可實現年收入20億元,后續計劃再投入40-50億建設二期10億安時產能,可實現年收入80-100億元;

2)中天科技集團,2015年5月與中國科學院青島生物能源與過程研究所簽訂“高性能固態鋰金屬電池的開發”協議,計劃用三年的時間合作開發高安全性單體容量為10Ah的全固態鋰電池,能量密度大于250Wh/kg;

3)贛鋒鋰業,2016年11月與中國科學院寧波材料技術與工程研究所簽訂“高鋰離子電導率固體電解質材料中試技術研發”的成果產業化合作協議。

此外,蘋果、谷歌等國外多家研究機構也在進一步研發全固態薄膜電池,其與一般的薄膜電池的比較如表19所示,其循環壽命、能量密度、安全性等方面都具有較大優勢。

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趨勢五:鋰離子超級電容將突破功率密度瓶頸

鋰離子超級電容器是根據非對稱型電化學超級電容器的思路,一極是雙電層電極,另一極則采用二次電池的電極,電極過程存在法拉第反應,通過加入二次電極,可以大大提高電容器的能量密度,如圖17所示。

性能方面,鋰離子超級電容在功率密度方面相當突出,且循環壽命相當長,如表20所示,可滿足快充快放、多充多放的需求,比如飛機、軌交等領域,是能量短時間回收再釋放的良好載體。

布局鋰離子超級電容的相關標的包括(但不限于):江海股份、中國中車。

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據媒體報道,中國中車新能源(超級電容)全球研發制造基地開工奠基儀式于2016年底在寧波中車產業基地內舉行,計劃總投資18億元,前期已投資近5億元,本次建設投資1.99億元人民幣,建筑面積3.5萬平方米,擬于2018年2月建成投產,同時規劃建立國家級超級電容研究中心和國家級實驗室,并打造成為國際先進的智能化制造工廠。

圖18為正在充電的中國中車鋰離子超級電容公交車。

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新能源汽車產業的發展還有很長的路要走。這個產業的發展不僅需要政策推動,更需要科技創新提供動力。我們認為,前文所述的每一種鋰電技術流派都有其適用的應用領域,在產業化實踐摸索中,這些技術將持續獲得改進。

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