鉅大LARGE | 點擊量：431次 | 2024年01月09日
分析動力鋰電池技術的發(fā)展形勢
一、當前三元和磷酸鐵鋰離子電池技術成熟度高
1、三元和磷酸鐵鋰離子電池為公司布局重點
在車用動力鋰電池領域,鋰離子電池已經(jīng)成為主流。目前國際主流動力鋰電池公司重要電池類型基本為磷酸鐵鋰和三元鋰離子電池。
從我國市場來看,磷酸鐵鋰和三元電池當前依然是車用動力鋰電池的主流,2016年和2017年裝機占市場總量的94.5%和93.3%。
2、磷酸鐵鋰和三元鋰離子電池還有一段發(fā)展期
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
經(jīng)過一段時間的發(fā)展,磷酸鐵鋰和三元鋰離子電池的技術水平得到明顯提升。在成本方面,磷酸鐵鋰離子電池組價格從2017年年初的1.8-1.9元/Wh下降到年底的1.45-1.55元/Wh。三元動力鋰電池包價格從年初的1.7-1.8元/Wh下降到年底的1.4-1.5元/Wh。
在能量密度方面,2017年底,基于NCM622材料電池單體能量密度超過200Wh/kg,系統(tǒng)能量密度160Wh/kg,2018年預計電池單體能量密度可達到230~250Wh/kg。
這兩種電池還有一定的提升空間,尤其是新一代材料對電池性能的提升用途,比如正極材料811、硅碳負極的研發(fā),將會進一步提升鋰動力鋰電池的能量密度,單體能量密度有望達到300Wh/kg,加上這兩種電池產(chǎn)業(yè)基礎強大,在產(chǎn)業(yè)中的競爭還將存在一按時期。
二、固態(tài)電池成為目前布局重點
從技術潛力角度來看,磷酸鐵鋰體系理論能量密度約為170Wh/kg,三元鋰離子電池理論能量密度是300-350Wh/kg,同時存在熱分解溫度低、易燃燒爆炸等安全性問題,二者能量密度提升空間相對較小。然而全固態(tài)鋰離子電池的能量密度提升潛力大,從理論上講更具可行性。
1、固態(tài)鋰離子電池的潛在技術優(yōu)勢
固態(tài)鋰離子電池,與傳統(tǒng)鋰離子電池相比的最大特點在于其使用了固態(tài)電解質(zhì)材料,當使用的電極和電解質(zhì)材料均為固態(tài)、不含任何液態(tài)組分時,則為全固態(tài)鋰離子電池。固態(tài)電解質(zhì)改變了鋰離子電池的傳統(tǒng)結構,隔膜、液態(tài)電解液等不再是必要組件,帶來巨大的技術優(yōu)勢潛力。
固態(tài)鋰離子電池的重要技術優(yōu)勢體現(xiàn)在,一是安全性高,不含易燃易揮發(fā)有毒性的有機溶劑,不存在漏液問題,有望防止鋰枝晶的出現(xiàn),大幅度降低電池燃燒、爆炸的風險。二是循環(huán)壽命長,不存在液態(tài)電解質(zhì)在充放電循環(huán)過程中出現(xiàn)固體電解質(zhì)界面膜的問題,目前研發(fā)的預期壽命是15000-20000次。三是能量密度高,傳統(tǒng)鋰離子電池中隔膜和電解液體積占比40%,固態(tài)電解質(zhì)能大幅縮減電池正負極間距離,提高體積比能量,全固態(tài)鋰離子電池能量密度預估最大潛力值達900Wh/kg。四是系統(tǒng)比能量密度高,固態(tài)電解質(zhì)無流動性,可實現(xiàn)內(nèi)串聯(lián)組成高電壓單體,利于提升動力鋰電池系統(tǒng)成組效率和能量密度。五是正負極材料選擇范圍寬,可同時兼用金屬鋰負極和高電勢正極材料等新技術,全固態(tài)金屬鋰離子電池是未來新型電池的研發(fā)方向。除此之外,固態(tài)電池的工作溫度范圍、電化學穩(wěn)定窗口寬,并且具備薄膜化、柔性化的潛力。
2、全球公司紛紛布局固態(tài)電池,爭奪先機
由于當前磷酸鐵鋰和三元鋰離子電池自身的瓶頸,以及固態(tài)電池的潛在優(yōu)勢,歐美、日韓、我國等國家的涉及動力鋰電池、汽車及能源方面的產(chǎn)業(yè)鏈上眾多公司正在積極布局和研發(fā)固態(tài)電池。
總體上,歐美國家重要是立足于固態(tài)電池技術的創(chuàng)業(yè)型公司,日本重要以傳統(tǒng)車企、機械公司為主的電池技術創(chuàng)新。我國的公司相對來說進入固態(tài)鋰離子電池領域的時間較晚,且重要以科研機構或院校為支撐,產(chǎn)業(yè)化進程較慢。
研發(fā)方面,國內(nèi)主力為中科院的科研機構,有一定積累并與國外基本處于同一水平,但能量密度距離理論值仍有較大的提高空間,離子導電率、循環(huán)壽命也亟待進一步提升。固態(tài)鋰離子電池根據(jù)固態(tài)電解質(zhì)分為三條技術路線,分別為聚合物、氧化物與硫化物固態(tài)電解質(zhì),各科研機構采用的技術路線并不相同。其中,中科院青島能源所與中科院化學所兩家主攻聚合物固態(tài)鋰離子電池,前者的實驗樣品能量密度達300Wh/kg,并首次完成深海測試,后者則突破了聚合物固態(tài)電解質(zhì)室溫下低導電率的瓶頸;中科院物理研究所的研究特色在于掌握原位形成技術,研制的10Ah軟包電池能量密度達310-390Wh/kg,體積比能量達800-890Wh/L;中科院寧波材料所、上海硅酸鹽研究所分別聚焦于無機固態(tài)鋰離子電池和復合固態(tài)鋰離子電池的研究。
3、技術和產(chǎn)業(yè)壁壘亟待突破
經(jīng)過公司與研究機構的攻關,目前固態(tài)電池技術已經(jīng)得到突破,能量密度超過300Wh/kg,但基本都是實驗室產(chǎn)品,距離產(chǎn)業(yè)化還有一定的距離。
在技術層面,固態(tài)電解質(zhì)離子導電率、固/固界面相容性和穩(wěn)定性仍是兩大制約問題。聚合物電解質(zhì)的導電性在常溫下較低,一般要加熱至60oC以上才能正常工作,如法國Bolloré則采用聚合物電解質(zhì)與電池加熱的技術路線;硫化物電解質(zhì)的導電率目前與傳統(tǒng)鋰離子電池的水平相當,但仍需突破界面相性問題,重要通過材料合成和納米層技術增大活性物質(zhì)的量、降低界面層電阻。同時,金屬鋰負極、新型復合正極材料仍在研發(fā)中,有望實現(xiàn)全固態(tài)鋰金屬電池的應用,屆時能量密度、容量、倍率性能、安全性能及循環(huán)壽命將有巨大的突破。
在產(chǎn)業(yè)化層面,未能實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)的困境重要在于生產(chǎn)設備、生產(chǎn)工藝與生產(chǎn)線環(huán)境。比如固態(tài)電池制備中的疊片、涂布、封裝工藝要定制化的高精度設備,并且生產(chǎn)線環(huán)境也要保持更高級別的干燥間。只有當規(guī)模化生產(chǎn)實現(xiàn)產(chǎn)量與產(chǎn)量的提升后,固態(tài)鋰離子電池的成本才得以下降。
整體上來看,固態(tài)鋰離子電池的生產(chǎn)制備成熟度還亟待加強,規(guī)?；?、自動化的生產(chǎn)線還要進一步研發(fā),目前仍處于行業(yè)積累期。固態(tài)電池總體發(fā)展路徑為,受制于固/固界面穩(wěn)定性問題,液態(tài)電解質(zhì)的含量逐步減少,由液態(tài)半固態(tài)固液混合固態(tài)全固態(tài)電池過渡;在全固態(tài)鋰金屬電池發(fā)展上,受制于金屬鋰負極可充性問題,負極材料將從石墨合金化負極(如Si/C)金屬鋰負極進行過渡。隨著研發(fā)技術和工業(yè)生產(chǎn)方面的發(fā)展,固態(tài)電池的性能與生產(chǎn)將逐步優(yōu)化,在動力鋰電池市場迎來機遇。
三、潛在技術的替代者依然存在
除了對當前鋰離子電池的改善及固態(tài)電池的布局,在動力鋰電池技術創(chuàng)新中,國內(nèi)外公司和機構/大學紛紛進行了不同嘗試,一些指標較目前水平有較大改善,為動力鋰電池性能的提升供應了有力參考。
通過對收集的典型創(chuàng)新案例技術指標梳理,可以發(fā)現(xiàn),目前一些產(chǎn)品的關鍵指標已經(jīng)得到提升。在能量密度方面,鋁空氣電池能量密度達到780Wh/kg,鋰硫電池達到350Wh/kg,固態(tài)電池達到360Wh/kg;在充電倍率方面,典型創(chuàng)新性產(chǎn)品最高充電倍率已經(jīng)超過100C。在循環(huán)壽命方面,典型創(chuàng)新產(chǎn)品已經(jīng)能夠超過15000次。
新型電池具備許多優(yōu)勢,一是技術方面,比如鋰硫電池利用硫作為正極材料,電池理論比能量最高可達2600Wh/kg,鋰空氣電池也是一種非常有潛力的高比容量電池技術,其利用鋰金屬與氧氣的可逆反應,理論能量密度上限達到11000Wh/kg,二是產(chǎn)業(yè)方面能夠減少對稀缺資源的依賴,比如鈉離子電池相對鋰離子電池擁有儲量豐富且成本較低的優(yōu)勢。
但目前動力鋰電池創(chuàng)新性產(chǎn)品一般都是實驗室產(chǎn)品,新型電池在下一步產(chǎn)業(yè)化進程中,還面對許多挑戰(zhàn)。比如鋰硫電池安全性低、體積比能量低、放電倍率低、能量轉(zhuǎn)換效率低和循環(huán)次數(shù)低,短時間很難在車用領域得到應用?？偟膩碚f,目前這些研究雖然處于實驗階段,距離產(chǎn)業(yè)化較遠,是否能夠在一按時期替換現(xiàn)有體系電池在業(yè)界也存在爭議。但毫無疑問這些電池有望打破當前動力鋰電池的一些技術瓶頸、降低電池成本,創(chuàng)造更長續(xù)航里程,在動力鋰電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中,這些電池不容忽視。
四、小結
從技術發(fā)展來看,當前三元和磷酸鐵鋰離子電池已經(jīng)主導了車用動力鋰電池市場,三元和磷酸鐵鋰離子電池成為主流公司的重要技術路線,公司并在進一步布局這兩種技術路線。從發(fā)展來看,三元和磷酸鐵鋰離子電池技術已經(jīng)取得了突破,但是技術還有進一步提升的空間,在產(chǎn)業(yè)競爭中還將持續(xù)一段時間。
從新電池技術布局來看,固態(tài)電池具有技術優(yōu)勢,能夠解決當前產(chǎn)業(yè)面對的許多問題,國內(nèi)外公司爭先布局并取得了技術突破。但從產(chǎn)業(yè)發(fā)展來看,固態(tài)電池現(xiàn)處于行業(yè)積累期,還有技術和產(chǎn)業(yè)配套諸多問題亟待解決。
另一方面,除了對當前鋰離子電池的改善及固態(tài)電池的布局,許多研究機構也在研發(fā)鋰硫、鋰空氣電池等新一代電池,并且在某些技術方面取得突破,為電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展供應了有利參考。但總的來說,這些研究基本處于實驗階段,距離產(chǎn)業(yè)化較遠,并且在產(chǎn)業(yè)界也存在許多爭議,但不可否認的是問這些電池有望打破當前動力鋰電池的一些瓶頸,在產(chǎn)業(yè)發(fā)展中仍不容忽視。
電池公司在提升現(xiàn)有技術路線產(chǎn)品性能的同時,也應該積極布局下一代電池的研發(fā),以便在下一輪競爭中占據(jù)主導權。政府部門應該通過科技計劃(專項、基金)、相關創(chuàng)新工程及高新技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項等多種途徑,鼓勵公司、研究機構及高等院校等在動力鋰電池關鍵材料、電池單體和系統(tǒng)關鍵技術的研發(fā),并積極推動固態(tài)電池、鋰硫電池、金屬空氣電池等新產(chǎn)品及新材料的制備、生產(chǎn)工藝、檢測等關鍵技術和裝備的工程化和產(chǎn)業(yè)化,推進全產(chǎn)業(yè)鏈工程技術能力建設,并推動動力鋰電池新技術新產(chǎn)品在示范推廣工程中的應用。
