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動力鋰電池技術路線之爭

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動力鋰電池技術路線之爭

發布日期:2019-08-13 00:00 來源:http://www.ouyazm.com 點擊:

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   鋰離子電池包括磷酸鐵鋰、三元材料(鎳鈷錳和鎳鈷鋁)、錳酸鋰、鈷酸鋰等多種類型,當前國家鼓勵多種技術路線共同發展。


受益於我國新能源汽車產業的高速發展,動力電池產業將繼續保持快速向上發展態勢,其中鋰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將繼續脫穎而出,未來仍有望持續暢享行業高成長紅利。


一、行業概述


1、鋰離子電池分類


鋰離子電池包括磷酸鐵鋰、三元材料(鎳鈷錳和鎳鈷鋁)、錳酸鋰、鈷酸鋰等多種類型,當前國家鼓勵多種技術路線共同發展。


二、技術路線之爭


1、以磷酸鐵鋰和三元材料為代表的鋰離子係動力電池成為行業高速發展的贏家


從動力電池材料分類看,根據GGII統計數據,2017年1-11月磷酸鐵鋰電池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,磷酸鐵鋰和三元材料平分秋色,三元材料有上升的趨勢。


鋰離子動力電池綜合性能相對優異,未來將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製約其產業化的最大瓶頸。鋰離子電池性能在各方麵優勢明顯,正處於行業快速成長期。從成本的角度,電池驅動係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係統約75%~85%的成本,是電動汽車產業化發展最大的成本製約因素。近年來,鋰電池的價格在不斷下降,將利好產業長遠發展。


不同類型動力電池的價格變化趨勢


「和達產業觀察」動力鋰電池技術路線之爭


除鋰離子電池外,未來動力電池方麵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。其中鋰離子電池和超級電容均已得到廣泛的應用,但超級電容不適用於主動力源,氫燃料電池成本高且基礎設施建設滯後而尚未大規模產業化,鋁空氣電池則尚處於實驗室研究階段。


受益於我國新能源汽車產業的高速發展,動力電池產業將繼續保持快速向上發展態勢,其中鋰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將繼續脫穎而出,未來仍有望持續暢享行業高成長紅利。


2、磷酸鐵鋰和三元材料的競爭中趨勢漸顯


短期國內磷酸鐵鋰和三元材料仍將二分天下,磷酸鐵鋰主導新能源客車市場,三元材料將持續發力新能源乘用車。


「和達產業觀察」動力鋰電池技術路線之爭


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鋰電池贏得了國內新能源客車市場的青睞。2016年1月工信部發布的《新能源汽車推廣應用推薦目錄》中基於安全性的考慮而未將三元電池的電動客車納入推廣目錄,磷酸鐵鋰自此已獲得國內新能源客車市場的短期絕對主導權。以大眾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。


隨著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,將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製,加之補貼政策對能量密度的更高要求,未來三元將持續走強。對於現有三元鋰電池體係的改進可以達到2020年動力電池模塊能量密度300Wh/kg的目標。隨著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鋰電池成為未來主流。根據賽迪資訊預計,到2018年,NCM三元電池出貨量將超過磷酸鐵鋰LFP電池。NCA等新的技術體係電池也有望開始規模化應用。


3、方形、軟包、圓柱路線之爭


目前國內市場,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,如此高的帶電量導致客車傾向於使用鋁殼或軟包電池,所以鋰電池產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%。


根據與行業內人士的交流,未來占比將是方形占主流、軟包次之,圓柱占比最低。由於圓柱的成本優勢在相當長一段時間內無法撼動,加上BMS的逐漸成熟以及鬆下和特斯拉的帶動作用,預計未來圓柱的市場份額將比較可觀。


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,全球範圍內的電動汽車占汽車市場份額尚未跨過1%的門檻,這意味著,未來幾年,電動汽車產業仍將高速發展。同時澳門亞遊集團注意到,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鬆下的三元鋰電池,具體形態為18650/21700(Model3)圓柱形電池,圓柱形電池的主要特征為自動化生產工藝成熟,產品良率高,一致性好;電池小、電池組散熱麵積大;成組工藝複雜,電池組係統可靠性低。


最後一點也導致了很多人的認知誤區,認為特斯拉沒有企業責任,無視三元鋰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,也有許多業內人士因此唱衰特斯拉汽車的安全性。但是汽車級的電池,是按照汽車級的標準嚴酷測試,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致,在安全性和性能上還是有一定區別的。


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。在電池熱管理係統上,P90D用一個四通轉換閥實現了冷卻係統的串並聯切換。當電池處於低溫時,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。當電池處於高溫時,電機冷卻回路與電池冷卻回路並聯,兩套冷卻係統獨立散熱。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,屬於三元鋰電池,但在電池形態上,Bolt選擇了由LG化學提供鋁塑膜軟包鋰電池,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;一致性較差,成本較高;承受機械載荷能力差,容易破損和漏液。


通用在量產前的產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,用以模擬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(相對於特斯拉),具體來講,Bolt的軟包電池分成了兩個電池組,平鋪於車身底部。


在電池熱管理係統上,當電池處於低溫狀態時,通用為電池包配備了一個功率為1.6kW的充電加熱方式,可以將整體溫差控製在2攝氏度以下。當電池處於高溫狀態時,通用采用液冷散熱的方式,將液冷線路密集的平鋪於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。整個熱管理係統雖然不如特斯拉高效,但更加節能。


3、方形鋰電池方向,代表車型寶馬i3


寶馬i3采用了來自三星SDI的三元鋰電池,電池形態為方形鋰電池。方形鋰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,產品良率低,一致性較差。可以這樣講,這是三元鋰電池所有電池形態中除了安全,其他方麵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睞的原因。


寶馬i3的動力電池由8個電池包組成,每個電池包內置12個方形電池單體,由8個電池包串聯給驅動電機係統供電。在機械結構方麵,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係統。此外,i3車體由“Life”模塊+“Drive”模塊組成,後者將懸架、蓄電池組、驅動係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。


在熱管理及電控係統上,寶馬放棄了自研而選擇了德國Preh公司的電控係統,該電池管理係統由電子控製元件電池管理單元和電池監控傳感器單元構成,寶馬表示,該係統可以時刻監測每個電池組的電壓溫度變化。測得的數據將由電池管理單元(BMU)進行處理以確定各自相應的充電電壓,來確保電池處於最佳狀態。


4、磷酸鐵鋰方向,代表車型比亞迪E6


比亞迪E6采用了比亞迪自研的磷酸鐵鋰電池。相比三元鋰電池,磷酸鐵鋰電池的安全性更高、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,整個電池組平鋪於車身底部,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,電池在量產前還要經過高溫、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,主要用於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產生的力,且塑料罩在重量上的表現也優於金屬罩,可以進一步減輕車體自重,提高續駛裏程。當電池短路導致電解液氣態膨脹時,電池組上的泄壓閥可以快速排走電池的氣體,屬於被動安全裝置。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內多個城市首選的出租汽車明星車型。


5、錳酸鋰方向,代表車型日產Leaf


日產Leaf的上代動力電池是來自日產與NEC的合資企業AESC提供的錳酸鋰電池,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,這也是為什麽電池組形態可以設計成層疊式,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板,Leaf電池組采用了完全密封設計。電池組由192節33.1Ah的層疊式錳酸鋰電池組成。4節單體電池采用兩並兩串的連接形式組成模塊,48個模塊串聯組成電池組。


在熱管理係統上,由於AESC自研的錳酸鋰電池的技術優勢,該電池經過電極改良設計後降低了內部阻抗,減小了產熱率,同時薄層結構使電池內部熱量不易產生積聚,因此日產為Leaf電池組設計了“被動式電池組熱管理係統”,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。當電池處於低溫時,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化學提供的三元鋰電池,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,錳酸鋰在國內的補貼政策下,在乘用車市場的應用有諸多劣勢,也許在未來的完全競爭市場,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”的優秀產品代表,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;而日產、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;而寶馬的方案則將汽車安全性置頂;比亞迪的電池化學材料獨樹一幟,憑著廣闊的國內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,澳門亞遊集團也注意到一個趨勢,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,僅剩鬆下一家前景可期;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,全產業鏈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,同樣不容小覷。


6、技術方向態勢解析


(1)圓柱形電池


消費類圓柱形三元鋰電池原本因為筆記本及其他消費類電子產品的銷量增長陷入停滯而走上下坡路。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鋰電池投入最大的企業就是鬆下,2008年12月,鬆下斥資64億美元收購了三洋電機。三洋電機在鋰電池和太陽能電池兩個領域都有雄厚的技術實力,此次收購擴大了鬆下在電池領域的技術優勢。緊接著在2009年,鬆下與特斯拉結盟,成為特斯拉獨家電池供應商,隨著特斯拉汽車銷量的持續增長,2013年,鬆下終於擺脫了消費電子領域連續兩年的財報虧損,實現了超過10億美元的盈利,成為動力電池領域無可爭議的領軍企業,到了2016年上半年,鬆下已經拿下了全球動力電池市場40%的份額,穩列第一。


但鬆下並未就此止步,路透社報道,大眾斥資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鬆下,如果雙方最終達成合作協議,鬆下在動力電池市場的份額將進一步擴大。2017年1月4日,特斯拉CEOElonMusk宣布特斯拉與鬆下聯合研發的21700新型電池正式量產,這是鬆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化學都宣布了類似於21700電池的新一代圓柱形動力電池,2017CES展上,三星SDI對鬆下隔空喊話,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爭正日趨激烈。


(2)軟包電池


軟包電池的特性不再贅述,這是願意進行適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是日產與NEC的合資企業,AESC在2016年砍下了15%的市場份額,僅次於鬆下,排在第二位,表現尚可。然而AESC在錳酸鋰電池業務上浸入太久,尾大不掉,在熱門的三元鋰電池方向並無建樹,不符合技術發展潮流。


而LG化學的軟包電池正是三元鋰電池,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製造基地,2015年10月底,LG化學位於中國南京的動力電池廠正式竣工,該廠可年產供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宣布在波蘭建設年產量可為20萬輛電動汽車提供動力電池的電池生產基地。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將達11億美元,到2020年,這個數據將高達63億美元。如果進展順利,LG化學在銷售額上超過鬆下也並非不可能。


除了日產和通用,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製造商的青睞。除了寶馬,還有大眾、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方形鋰電池。方形電池的主要提供商為三星SDI和國內快速崛起的動力電池製造商寧德時代。2014年8月,三星在中國西安投資的動力電池生產基地開工建設,建成後該廠年產能將達到4萬台純電動汽車所需的標準電池。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產基地。建成後該廠將達到每年為5萬輛電動汽車提供電池的產能。在國內,三星與東風、鄭州宇通客車、北汽福田等十多家汽車製造商達成合作。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製造商比亞迪4%的股份。而另一家成立於2010年的中國企業寧德時代更具傳奇色彩,2016年10月,寧德時代完成第二次融資,公司估值也隨之增至800億元人民幣(115億美元)。寧德時代CEO黃世霖表示,寧德時代電池產能已經超過LG化學,逐步逼近比亞迪和鬆下。公司計劃在2020年前將電池產能增加5倍,達到50GWh,這一目標甚至超越了特斯拉的超級電池工廠。


比亞迪磷酸鐵鋰電池:


比亞迪的磷酸鐵鋰電池是個異類,與三元鋰電池相比,磷酸鐵鋰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別為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《投資者關係活動記錄表》中表示,公司在深圳惠州、坑梓兩個動力電池生產基地,目前共有10GWh的產能。同時比亞迪正在坑梓基地擴建的6Gwh產能,預計會於2017年達產。比起其他家宣稱2020年目標產能目標,比亞迪選擇了更務實的17年達成16GWh年產能,電池業務與電動汽車業務深度綁定目前為比亞迪帶來了產銷兩旺的有利局麵,但風光背後也有隱患——出於競爭考慮,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,比亞迪的磷酸鐵鋰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鋰材料電池,使新款E6的續駛裏程突破400公裏大關,但長久遊離在業界主流的的技術方向之外,在競爭白熱化,三元鋰電池規模效應凸顯時容易陷入被動。好消息是比亞迪內部已經開始研究三元鋰電池研究方向。


未來的動力電池市場,對於日本企業,隨著AESC逐漸走上下坡路,更可能是鬆下(已完成並購三洋電氣,市場份額實為36%)一家廝殺;對於韓國企業,軟包、方形和圓柱形全麵發展的模式會讓三星SDI與LG化學會繼續保持領先地位;對於中國企業,中國鋰電池企業間並購將陸續展開,改善沒有核心競爭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、動力鋰電池核心指標分析


1、關於能量密度


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電池是要高於層疊式鋰離子電池的。但是,18650電池的管理係統更加複雜,由此額外增加的重量會使得電池組的能量密度遠低於單體的能量密度。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、關於安全性


前麵提到層疊式鋰離子電池的各種優點,但它也有一些缺點。由於層疊式鋰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致安全事故產生。這也就解釋了為什麽日產要在4個單體組成的電池模塊外麵再加一個鋁殼。


18650電池一般是鋼殼,安全性更好;而且前麵也提到隨著18650電池生產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。由於單體容量小,隻要不發生蔓延,事故的嚴重程度將是較低的。


3、關於循環性能


圓柱、方形、軟包電池對鋰電池循環性能的影響主要通過以下幾方麵進行影響: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。對係統而言,軟包電池的內阻較金屬外殼鋰電池小,可以極大的降低電池的自耗電,有利於節約能量;另一方麵,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、關於一致性


18650電池是最早、最成熟、最穩定的鋰離子電池,已經廣泛應用在電子產品中。多年來,日本廠商在18650電池的生產工藝上積累了大量的經驗,使得產出的18650電池的一致性、安全性都達到了非常高的水準。相比之下,層疊式鋰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產工藝也不能滿足條件,大多數以人為控製為主,電池的一致性達不到18650電池的水準。如果電池的一致性達不到要求,大量電池串、並聯形成的電池組的管理也將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),但是一致性很好;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,但是一致性差。現階段開發一套管理6000多節單體一致性很好的電池係統與開發一套200多節一致性很差的電池係統,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。而日產的LEAF,它之所以采用的是層疊式鋰離子電池,是因為日產與NEC合作多年,在電池技術方麵積累很深厚,在品質控製方麵應該有相當的功力。


5、關於散熱能力


層疊式電池的厚度薄、表麵大,均熱、散熱能力都不錯,因此日產的LEAF很大膽地采用了被動式熱管理係統(其實就是不管理!),由空氣的自然對流將熱量帶走。


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內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的範圍內,這是一件非常困難的事情。Tesla設計了一套複雜的液冷係統,液冷係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製在很小的範圍內。


總結來說,由於采用了小容量的18650電池,Tesla的熱管理係統的複雜度是大大增加了的。也就是說,如果從散熱能力方麵考慮,使用小容量的18650電池不是最優選擇。


6、關於成本


18650鋰離子電池具有容量大、壽命長、安全性能高等特點,又因為體積小,重量輕,使用方便,深受消費者的青睞。隨著人們對18650電池技術研究的不斷加深,使得電池的一致性、安全性都達到了非常高的水準。作為最早的鋰離子電池,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。我國每年生產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,就可以利用日本鬆下等廠商之前的生產線進行生產。在消費類電子產品所用18650電池競爭日趨激烈的情況下,鬆下等廠商與Tesla合作升級產品,將原有的生產線改良後用於生產動力電池。工業生產有一個規模效應,當生產產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。但是隨著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、錳酸鋰電池


1、產業化較早而發展緩慢


錳酸鋰的產業化較早,20世紀90年代初,日本索尼公司即推出了商業化的鋰電池,但其高溫循環壽命低的缺點一直限製著該材料在實際鋰離子電池中的使用。90年代中後期,眾多學者發現采用元素摻雜可有效地改善錳酸鋰的高溫循環特性,由此推動了錳酸鋰產業化的進程。而在我國,由於受到政策、產業技術積累等多重因素影響,錳酸鋰電池並沒有在國內得到應有的重視。在產業布局和實際應用方麵都要遠遠落後於磷酸鐵鋰電池和三元電池。限製錳酸鋰電池發展的原因主要如下:


高溫循環壽命低:錳酸鋰電池循環壽命次數較低,約300次。低於三元材料鋰電池2000次和磷酸鐵鋰材料的1500-2000次。


能量密度低:錳酸鋰的比容量約為100-120mAh/g,低於磷酸鐵鋰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、磷酸鐵鋰相抗衡。


原料豐富,成本低:錳酸鋰正極材料中的錳資源豐富,價格較低,錳酸鋰材料價格不過5-7萬元/噸。而三元材料中的鈷、鎳價格近期價格急劇抬升,致使三元材料價格居高不下,維持在20萬元/噸以上;而主流磷酸鐵鋰市場價格維持在8.5萬元/噸左右。錳酸鋰相對於三元及磷酸鐵鋰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並改善性能,海外的LGC、AESC、LEJ等電池廠商已將該技術路線廣泛應用於動力電池,國內企業以微宏、星恒電源、盟固利、億鵬能源等為代表的一批動力鋰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,其超級錳酸鋰電池循環壽命超2000次,成組後的能量密度為120Wh/kg,達到部分磷酸鐵鋰及三元電池水平,且綜合成本更低。


2、補貼退坡助力錳酸鋰份額提升


伴隨著市場化的推進,關鍵材料、技術的突破和應用領域的挖掘,錳酸鋰電池被冷落的局麵正在逐步改變。在三元和磷酸鐵鋰體係展開動力鋰電池市場角逐的同時,錳酸鋰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,相較於客車領域的風頭正勁和在專用車市場份額的逐步上升,錳酸鋰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產Leaf、通用雪佛蘭Volt、福特FocusEV等均以錳酸鋰技術路線為主。隨著國家補貼逐年降低甚至完全退出,錳酸鋰電池的價格優勢將越來越明顯,在我國新能源乘用車上的運用也將有很大的嚐試空間,尤其是在成本較敏感、對續航裏程要求相對低的A00級微型電動車市場將大有可為。


六、鈦酸鋰電池


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,鈦酸鋰電池這一長期活在磷酸鐵鋰電池巨大陰影下的鋰電池品類,在電動汽車受困續航裏程、充電效率問題,產業化進展遲緩的背景下,似乎終於迎來了翻身的時機。


1、優劣勢明顯的“老技術”


外行看熱鬧,內行看門道。董明珠在輿論中炒紅了銀隆新能源這家企業,但行業內的觀察點卻在鈦酸鋰。對於收購銀隆,董明珠表示之所以願意用全部身家投資銀隆,是因為看好銀隆的鈦酸鋰技術。


鈦酸鋰技術亮點如下:使用壽命長,能夠適應高寒溫度,安全性好,在儲能市場有應用前景等。但實際上,鈦酸鋰電池並不是一個新鮮的技術。作為主要材料的鈦酸鋰,其優缺點都比較明顯。此前因為存在二大“短板”,鈦酸鋰的大規模商業化應用一直受限。


高溫脹氣:鈦酸鋰作為負極材料時,與電解液之間容易發生相互作用並在充放循環反應過程中產生氣體析出,因此普通的鈦酸鋰電池容易發生脹氣,導致電芯鼓包,電性能也會大幅下降,極大地降低了鈦酸鋰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,鈦酸鋰電池電壓也是低至1.5V。因而鈦酸鋰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,作為硬幣的另一麵,鈦酸鋰在性能上也有著自己的獨到之處,尤其是在商用車輛特別是客車上存在明顯的優勢:


工作溫度範圍廣:鈦酸鋰工作溫度涵蓋-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,鈦酸鋰在儲存及使用時能夠大幅度減少鋰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,是鈦酸鋰突然受追捧的技術因素,尤其是在商用車領域。


但同時,隨著材料技術的發展,磷酸鐵鋰和三元的快充技術指標也已經基本滿足乘用車的相關使用需求,所以鈦酸鋰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,誰掌握鈦酸鋰材料的核心技術,誰將擁有獨步天下、藍海泛舟的製控權。雖然這一論斷頗有誇大,但鈦酸鋰確實在快速彌補著自身短板。


據媒體報道,珠海銀隆正在研發第5代鈦酸鋰電池,能量密度將提升至與目前的磷酸鐵鋰電池能量密度相近的水平。包括微宏動力在內的多家電池企業在提升鈦酸鋰電池能量密度方麵,也都已經取得進展。


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


七、全固態電池


什麽叫做全固態電池,通俗的講,全固態電池就是裏麵沒有氣體、沒有液體,所有材料都以固態形式存在的“全固態鋰離子電池”。目前科研界和工業界都在研發以及生產全固態電池,也就是把傳統的鋰離子電池的隔膜和電解液,換成固態的電解質材料。那麽全固態電池的優缺點點主要有哪些呢?


1、優勢之一:輕——能量密度高


使用了全固態電解質後,鋰離子電池的適用材料體係也會發生改變,其中核心的一點就是可以不必使用嵌鋰的石墨負極,而是直接使用金屬鋰來做負極,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係的兼容性並不好,但是在使用全固態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,全固態電池相比於一般鋰離子電池,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製出能量密度為300-400Wh/kg的全固態電池了(一般鋰離子電池是100-220Wh/kg)。從能量密度的數據上看,或許全固態電池真的有希望讓澳門亞遊集團的生活從“一天一充”升級到“兩天一充”。


2、優勢之二:薄——體積小


實際上,體積能量密度對於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產品>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。電子產品中的可用空間往往很有限,很多產品(例手機、平板電腦)有近1/3左右的體積和質量已經被電池占據,而且在廣大生產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(便攜美觀和便於設計)的要求下,高壓實、體積能量密度最高的鈷酸鋰(LCO)電池依然是當仁不讓的主流產品。


傳統鋰離子電池中,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。而如果把它們用固態電解質取代(主要有有機和無機陶瓷材料兩個體係),正負極之間的距離(傳統上由隔膜電解液填充,現在由固態電解質填充)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——因此全固態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)製備的全固態電池,其整體厚度可能隻有幾十個微米,因此就可以製成非常小的電源器件,整合到MEMS(微機電係統)領域中。能夠製成體積非常小的電池也是全固態電池技術的一大特色,這可以方便電池適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鋰離子電池的技術是很難達到的。


3、優勢之三:柔性化的前景


全固態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,全固態電池在輕薄化後柔性程度也會有明顯的提高,通過使用適當的封裝材料(不能是鋼性的外殼),製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產品發展的重要方向,而這就要求該產品中的元件同樣需要具有柔性,因此柔性全固態電池是科研與工業界中,非常有前景的明日之星。


不僅如此,功能化的全固態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製成透明電池,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——全固態電池所意味的功能上的創新應用前景還有很多,在這方麵科研人員與工程師們的想像力會給澳門亞遊集團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麵的,影響因素包括電池的電極材料特性、電解液的性質,以及電子產品中的電池管理係統等。


目前一般商用的鋰離子的安全性是大家關心的重點,在這裏用“不夠理想”來評價現在電池的安全性,應該是一個比較合適的評價。目前普通鋰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鋰枝晶,從而刺破隔膜導致短路破壞;2)電解液為有機液體,在高溫下發生副反應、氧化分解、產生氣體、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標;4)電池管理係統不合格,造成電池的過充放,導致危險的發生。


而如果采用了全固態電池技術,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適應工作溫度區間更寬,應用範圍也會更廣。安全性,其實是全固態電池領域發展的最根本驅動力之一。


以上說了全固態電池的種種優點。在這裏也必須介紹一下全固態電池的幾個缺點。


5、問題之一:快充不現實


固態電解質電導率總體偏低,低於它們的“前輩”——液態電解液。這就導致了目前全固態電池的倍率性能整體偏低,內阻較大,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,固態電解質的電導率隨著溫度上升也會有明顯的提高,所以這就導致了一個有趣的現象,就是全固態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。因此目前市麵上有些使用全固態電池的產品,實際上都不是在室溫下工作的。


6、問題之二:成本依然偏高,製備工藝複雜,技術不夠成熟


目前的全固態鋰電池的電解質主要有有機和無機兩大體係,成本總體偏高,尤其是無機體係的電池很多采用CVD/PVD等複雜的工藝製備,生產(沉積薄膜)速度慢,成本昂貴,單體電池容量很小,往往隻適合做小型電子器件用的電池。因此現在的全固態電池如果要和普通鋰離子電池在傳統市場上競爭,並沒有太大的優勢。發揮全固態電池本身高安全性、高溫穩定性、可能達到的柔性等其它多功能特性,與傳統鋰離子電池在差異化的市場中競爭,可能是全固態電池近期內比較有希望的市場突破方向。


典型的全固態電池,容量隻有1.0mAh,隻能給小型電子產品供電,不僅如此,全固態電池現在的製備技術成熟度總體一般,能形成規模產能的企業非常有限,技術規模化擴產需要克服的困難還有很多,仍處於推廣發展期。但是可以預期的是,隨著研發和工業技術的不斷發展,全固態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,該類產品的市場會迎來蓬勃發展的機遇。


7、固態鋰電池展望


目前全固態電池主要可以用於電子器件、電動汽車、RFID、植入式醫療設備、無線傳感器等,主要應用於微電池領域。在汽車動力電池領域也有,但是受製於技術發展水平,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態電池行業中。以美國Seeo公司為例,該公司一直從事全固態電池的研發和生產,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,在全固態電池的研發生產方麵也傾注了很多精力,蘋果公司也在全固態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態電池技術的。


總體來說,全固態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,但是具體到固態電解質的電導率、電池倍率、電池製備效率、成本控製方麵,全固態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,磷酸鐵鋰共有1066款穩居第一,占比55%,三元鋰電池共有631款緊隨其後,占比32%,錳酸鋰157款占比8%,鈦酸鋰和未知鋰電池分別占比3%和2%。


1)乘用車方麵,七批目錄中純電動乘用車共有251款。從配套電池來看,三元鋰電池依然是純電動乘用車的領軍“人物”:共有201款車裝配三元鋰電池,31款車裝配磷酸鐵鋰,4款車裝配錳酸鋰,2款車裝配多元複合鋰離子,3款車裝配未知鋰離子電池。


「和達產業觀察」動力鋰電池技術路線之爭


2)新能源客車方麵,七批目錄中純電動客車共有1119款發布。從配套電池來看,磷酸鐵鋰風光依舊:共有927款車裝配磷酸鐵鋰,130款車裝配錳酸鋰,4款車裝配三元鋰電池,9款車裝配未知鋰離子電池。


「和達產業觀察」動力鋰電池技術路線之爭


3)新能源專用車方麵,七批目錄中純電動專用車共有570款,其中415款裝配三元鋰電池,108款裝配磷酸鐵鋰電池,23款裝配錳酸鋰電池,24款裝配未知鋰離子電池。


「和達產業觀察」動力鋰電池技術路線之爭


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鋰和磷酸鐵鋰占據,處於第三位的是錳酸鋰,其次是最近開始嶄露頭角的鈦酸鋰。


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


九、結論


通過整篇文章的分析,澳門亞遊集團對動力電池技術路線的結論很模糊也很明確。不過,對於電池技術的流派之爭,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,適用於不同的領域,並且都在朝著未來更新的方向前進。


首先在實際市場應用方麵,三元、磷酸鐵鋰、錳酸鋰和鈦酸鋰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。隨著材料研發成果的不斷湧現,該格局也會隨之發生漸變。


同時,圓柱、軟包、方形的技術路線,也體現了相同的態勢,目前來講沒有哪種技術路線占據絕對優勢,電芯的生產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,最終的份額將由市場做出抉擇。


其次在市場未來發展前景來看,燃料電池、固態電池隨著技術的整體進步及相關配套的完善,也終將占據一定的市場地位,但短期內還不足以對三元、磷酸鐵鋰的市場地位形成影響。


所以,澳門亞遊集團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。


相關標簽:電池,分選焊接,18650

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