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动力锂电池技术路线之争

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动力锂电池技术路线之争

发布日期:2019-08-13 00:00 来源:http://www.szboruc.com 点击:

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   锂离子电池包括磷酸铁锂、三元材料(镍钴锰和镍钴铝)、锰酸锂、钴酸锂等多种类型,当前国家鼓励多种技术路线共同发展。


受益于我国新能源汽车产业的高速发展,动力电池产业将继续保持快速向上发展态势,其中锂离子电池以其相对优异的综合性能表现和已具备相对成熟的技术条件将继续脱颖而出,未来仍有望持续畅享行业高成长红利。


一、行业概述


1、锂离子电池分类


锂离子电池包括磷酸铁锂、三元材料(镍钴锰和镍钴铝)、锰酸锂、钴酸锂等多种类型,当前国家鼓励多种技术路线共同发展。


二、技术路线之争


1、以磷酸铁锂和三元材料为代表的锂离子系动力电池成为行业高速发展的赢家


从动力电池材料分类看,根据GGII统计数据,2017年1-11月磷酸铁锂电池在新能源汽车上的装机量约11.56Gwh,占比约46.9%,三元材料装机量为11.51Gwh,占比约46.7%;就目前情况看,磷酸铁锂和三元材料平分秋色,三元材料有上升的趋势。


锂离子动力电池综合性能相对优异,未来将继续畅享动力电池高成长红利。电动汽车发展至今,核心部件动力电池的性能和成本已成为制约其产业化的最大瓶颈。锂离子电池性能在各方面优势明显,正处于行业快速成长期。从成本的角度,电池驱动系统作为提供新能源电动汽车动力源的“心脏”,其成本约占据整个电动汽车成本的45%~60%,而动力电池又占据电池驱动系统约75%~85%的成本,是电动汽车产业化发展最大的成本制约因素。近年来,锂电池的价格在不断下降,将利好产业长远发展。


不同类型动力电池的价格变化趋势


「和达产业观察」动力锂电池技术路线之争


除锂离子电池外,未来动力电池方面的其他几种技术路线主要有:氢燃料电池、超级电容和铝空气电池。其中锂离子电池和超级电容均已得到广泛的应用,但超级电容不适用于主动力源,氢燃料电池成本高且基础设施建设滞后而尚未大规模产业化,铝空气电池则尚处于实验室研究阶段。


受益于我国新能源汽车产业的高速发展,动力电池产业将继续保持快速向上发展态势,其中锂离子电池以其相对优异的综合性能表现和已具备相对成熟的技术条件将继续脱颖而出,未来仍有望持续畅享行业高成长红利。


2、磷酸铁锂和三元材料的竞争中趋势渐显


短期国内磷酸铁锂和三元材料仍将二分天下,磷酸铁锂主导新能源客车市场,三元材料将持续发力新能源乘用车。


「和达产业观察」动力锂电池技术路线之争


新能源客车作为公共交通工具,对安全性能要求最高,因此安全性能表现出色的磷酸铁锂电池赢得了国内新能源客车市场的青睐。2016年1月工信部发布的《新能源汽车推广应用推荐目录》中基于安全性的考虑而未将三元电池的电动客车纳入推广目录,磷酸铁锂自此已获得国内新能源客车市场的短期绝对主导权。以大众消费为主的新能源乘用车则相对更为关注续航能力和车身轻量化,因此高能量密度的三元电池逐渐夺得该细分市场的话语权。


随着三元正极材料改性研究的不断深入,其安全性和循环稳定性有望获进一步提升,将支持三元材料持续发力新能源领域。而且2017年已经放开大巴用三元电池的限制,加之补贴政策对能量密度的更高要求,未来三元将持续走强。对于现有三元锂电池体系的改进可以达到2020年动力电池模块能量密度300Wh/kg的目标。随着未来乘用车成为新能源车的主要增长动力,三元电池有望逐步取代磷酸铁锂电池成为未来主流。根据赛迪资讯预计,到2018年,NCM三元电池出货量将超过磷酸铁锂LFP电池。NCA等新的技术体系电池也有望开始规模化应用。


3、方形、软包、圆柱路线之争


目前国内市场,电动客车的渗透率是最高的,而客车的带电量基本都在60或70KWH,如此高的带电量导致客车倾向于使用铝壳或软包电池,所以锂电池产能消化中客车占比在60%左右,而方形和软包的市场占比目前为超过70%。


根据与行业内人士的交流,未来占比将是方形占主流、软包次之,圆柱占比最低。由于圆柱的成本优势在相当长一段时间内无法撼动,加上BMS的逐渐成熟以及松下和特斯拉的带动作用,预计未来圆柱的市场份额将比较可观。


三、5大主流电动车技术


2016年,中国销售的电动车数量达到50.7万,比2015年增长53%。与此同时,来自某机构的调研报告指出,截止2016年底,全球范围内的电动汽车占汽车市场份额尚未跨过1%的门槛,这意味着,未来几年,电动汽车产业仍将高速发展。同时我们注意到,目前主流的电动车电池技术路线分为5大方向,分析如下:


1、三元圆柱方向(18650/21700),代表车型特斯拉


特斯拉汽车的动力电池是来自松下的三元锂电池,具体形态为18650/21700(Model3)圆柱形电池,圆柱形电池的主要特征为自动化生产工艺成熟,产品良率高,一致性好;电池小、电池组散热面积大;成组工艺复杂,电池组系统可靠性低。


最后一点也导致了很多人的认知误区,认为特斯拉没有企业责任,无视三元锂电池的低可靠性而为了高能量密度强推18650。在特斯拉发展早期,也有许多业内人士因此唱衰特斯拉汽车的安全性。但是汽车级的电池,是按照汽车级的标准严酷测试,绝对不可能在任何笔记本上找到这种电池。可以这样讲,传统消费电子类18650和特斯拉18650只是在形状和大小上一致,在安全性和性能上还是有一定区别的。


此外,特斯拉在电池组和电控技术安全性上的投入也令人印象深刻,这个技术优势从多家传统车企对特斯拉汽车逆向工程上也可以得到证明。在电池热管理系统上,P90D用一个四通转换阀实现了冷却系统的串并联切换。当电池处于低温时,电机冷却回路与电池冷却回路串联,从而使电机为电池加热。当电池处于高温时,电机冷却回路与电池冷却回路并联,两套冷却系统独立散热。汽车可以根据工况选择最优热管理方式。


2、三元软包电池方向,代表车型雪佛兰Bolt


雪佛兰Bolt的动力电池与特斯拉一样,属于三元锂电池,但在电池形态上,Bolt选择了由LG化学提供铝塑膜软包锂电池,软包电池的主要特征是安全性能相对较好,不易发生爆炸;能量密度高,延展性好,外形多变;一致性较差,成本较高;承受机械载荷能力差,容易破损和漏液。


通用在量产前的产品预研上花了很多精力来测试电池的耐用度和安全性,他们建立了一个测试实验室,用以模拟日常行车中电池所需要经受的震动、碰撞等情况,甚至有受到枪击贯穿情况下的稳定情况,以保证在这种极端环境下车辆以及人身安全。


采用软包电池的做法也使得电池组管理大大简化(相对于特斯拉),具体来讲,Bolt的软包电池分成了两个电池组,平铺于车身底部。


在电池热管理系统上,当电池处于低温状态时,通用为电池包配备了一个功率为1.6kW的充电加热方式,可以将整体温差控制在2摄氏度以下。当电池处于高温状态时,通用采用液冷散热的方式,将液冷线路密集的平铺于软包电池的各个部位,使电池组整体得到一个均匀的冷却效果,避免了整体温差过大的情况出现。整个热管理系统虽然不如特斯拉高效,但更加节能。


3、方形锂电池方向,代表车型宝马i3


宝马i3采用了来自三星SDI的三元锂电池,电池形态为方形锂电池。方形锂电池的特征为结构强度高,承受机械载荷能力好;电池组能量密度表现一般;工艺复杂,产品良率低,一致性较差。可以这样讲,这是三元锂电池所有电池形态中除了安全,其他方面表现都不算出色的电池,但安全也是方形电池备受传统车企青睐的原因。


宝马i3的动力电池由8个电池包组成,每个电池包内置12个方形电池单体,由8个电池包串联给驱动电机系统供电。在机械结构方面,i3的8个电池包都是可以独立装卸的。这样设计的好处是,当一个电池包被检测出有故障时,可以被单独更换,不需要拆卸整车动力电池系统。此外,i3车体由“Life”模块+“Drive”模块组成,后者将悬架、蓄电池组、驱动系统和碰撞防护结构全部纳入,与车体其他结构隔离,进一步提高了汽车的安全性。


在热管理及电控系统上,宝马放弃了自研而选择了德国Preh公司的电控系统,该电池管理系统由电子控制元件电池管理单元和电池监控传感器单元构成,宝马表示,该系统可以时刻监测每个电池组的电压温度变化。测得的数据将由电池管理单元(BMU)进行处理以确定各自相应的充电电压,来确保电池处于最佳状态。


4、磷酸铁锂方向,代表车型比亚迪E6


比亚迪E6采用了比亚迪自研的磷酸铁锂电池。相比三元锂电池,磷酸铁锂电池的安全性更高、抗衰退能力更长、原材料资源丰富、应用成本低(中国),但也存在能量密度偏低、低温衰退严重等缺点。


比亚迪E6由96个方形电池单体组成60kWh的电池组,整个电池组平铺于车身底部,E6电池的电解液中加入了阻燃物质,从源头上杜绝了爆炸和燃烧的可能,此外,电池在量产前还要经过高温、高压、撞击等试验测试,验证电池在极端环境下的安全性和性能表现。电池组的底部还加装了阻燃塑料保护罩,主要用于防止碎石撞击电池壳而发生危险,塑料的塑性变形特性可以分解碎石撞击产生的力,且塑料罩在重量上的表现也优于金属罩,可以进一步减轻车体自重,提高续驶里程。当电池短路导致电解液气态膨胀时,电池组上的泄压阀可以快速排走电池的气体,属于被动安全装置。E6久经考验的安全性和稳定性+来自政府的高额补贴使得这一车型成为国内多个城市首选的出租汽车明星车型。


5、锰酸锂方向,代表车型日产Leaf


日产Leaf的上代动力电池是来自日产与NEC的合资企业AESC提供的锰酸锂电池,是一种层叠式软包电池组,上文中提到,软包电池的特征之一就是延展性好,外形多变,这也是为什么电池组形态可以设计成层叠式,在保证安全的同时最大限度的利用空间。


同时为了规避软包电池承受机械载荷能力差,容易破损和漏液的短板,Leaf电池组采用了完全密封设计。电池组由192节33.1Ah的层叠式锰酸锂电池组成。4节单体电池采用两并两串的连接形式组成模块,48个模块串联组成电池组。


在热管理系统上,由于AESC自研的锰酸锂电池的技术优势,该电池经过电极改良设计后降低了内部阻抗,减小了产热率,同时薄层结构使电池内部热量不易产生积聚,因此日产为Leaf电池组设计了“被动式电池组热管理系统”,通过优化电芯和电池组设计去掉了其他电动车专门的降温装置,使其自然降温。当电池处于低温时,Leaf提供了和雪佛兰Bolt类似的加热选件。


但新款Leaf已经换成由LG化学提供的三元锂电池,新款Leaf与雪佛兰Bolt采用了同样的供应商和电池组。这也表明,锰酸锂在国内的补贴政策下,在乘用车市场的应用有诸多劣势,也许在未来的完全竞争市场,可以依靠性价比优势继续占据一定的市场份额。


总结:以上几辆电动汽车是经过“市场和消费者检验”的优秀产品代表,总结来说,圆柱形电池的能量密度最高,特斯拉通过高难度的技术研发努力解决密集电芯带来的热管理难题;而日产、雪佛兰选择的软包电池,相比圆柱形电池能量密度尚有优化空间,但在解决电池组热管理上操作性更高,这是传统车企喜欢的典型的渐进式打法;而宝马的方案则将汽车安全性置顶;比亚迪的电池化学材料独树一帜,凭着广阔的国内市场和政策倾斜以及表现尚可的技术水平获得了领先地位。


通过这几辆车的电池供应商,我们也注意到一个趋势,在汽车动力电池领域,欧美发达国家第一次集体缺席,反而是东南亚的中日韩三国的企业正在强势崛起,概括来说,这三国中,日本技术积累最为深厚,尽管仍在竭力保持技术优势,但近年来日企的研究方向渐渐脱离了主流发展,仅剩松下一家前景可期;而韩国动力电池发展可说是后来居上,韩企从日企大肆砸钱挖人的新闻屡见不鲜,全产业链的发展模式塑造了令人瞩目的优势;相对而言中国的技术水平最为落后,但中国企业近来开始仰仗政策优势和广阔的市场开始奋起直追,同样不容小觑。


6、技术方向态势解析


(1)圆柱形电池


消费类圆柱形三元锂电池原本因为笔记本及其他消费类电子产品的销量增长陷入停滞而走上下坡路。却因为特斯拉力克技术难题强推该品类焕发了第二春。日本电池业界发展三元锂电池投入最大的企业就是松下,2008年12月,松下斥资64亿美元收购了三洋电机。三洋电机在锂电池和太阳能电池两个领域都有雄厚的技术实力,此次收购扩大了松下在电池领域的技术优势。紧接着在2009年,松下与特斯拉结盟,成为特斯拉独家电池供应商,随着特斯拉汽车销量的持续增长,2013年,松下终于摆脱了消费电子领域连续两年的财报亏损,实现了超过10亿美元的盈利,成为动力电池领域无可争议的领军企业,到了2016年上半年,松下已经拿下了全球动力电池市场40%的份额,稳列第一。


但松下并未就此止步,路透社报道,大众斥资100亿欧元发展电动汽车业务,其中正在接洽的动力电池供应商就有松下,如果双方最终达成合作协议,松下在动力电池市场的份额将进一步扩大。2017年1月4日,特斯拉CEOElonMusk宣布特斯拉与松下联合研发的21700新型电池正式量产,这是松下在汽车动力电池领域的最新研发成果,与此同时,两大韩企三星SDI与LG化学都宣布了类似于21700电池的新一代圆柱形动力电池,2017CES展上,三星SDI对松下隔空喊话,宣称“三星版”21700电池的能量密度达到了业界最高。尽管尚没有第三方机构作对比测试,但SDI此举表明这一领域的竞争正日趋激烈。


(2)软包电池


软包电池的特性不再赘述,这是愿意进行适度技术投入进行优化的电动车企的最佳选择。软包电池主要由日企AESC和韩企LG化学提供,AESC是日产与NEC的合资企业,AESC在2016年砍下了15%的市场份额,仅次于松下,排在第二位,表现尚可。然而AESC在锰酸锂电池业务上浸入太久,尾大不掉,在热门的三元锂电池方向并无建树,不符合技术发展潮流。


而LG化学的软包电池正是三元锂电池,如果从发展前景来考虑的话,未来软包电池领域很大可能LG化学一家独大,除了美国霍兰德和韩国本土的两大电池制造基地,2015年10月底,LG化学位于中国南京的动力电池厂正式竣工,该厂可年产供5万多辆纯电动汽车和18万辆插电式混合动力版汽车(PHEV)使用的电池。2016年4月,LG宣布在波兰建设年产量可为20万辆电动汽车提供动力电池的电池生产基地。LG化学电池商业部部长LeeWoong-beom对媒体表示,2016年,LG化学动力电池年销售额将达11亿美元,到2020年,这个数据将高达63亿美元。如果进展顺利,LG化学在销售额上超过松下也并非不可能。


除了日产和通用,沃尔沃、福特、现代、起亚以及新兴车企FF、LucidMotors都是LG化学的合作伙伴。


(3)方形电池


方形电池的一个显著特点便是结构强度高,这一特性得到了多数传统汽车制造商的青睐。除了宝马,还有大众、克莱斯勒、奥迪等品牌的混动和纯电动车型,大多采用了三星SDI方形锂电池。方形电池的主要提供商为三星SDI和国内快速崛起的动力电池制造商宁德时代。2014年8月,三星在中国西安投资的动力电池生产基地开工建设,建成后该厂年产能将达到4万台纯电动汽车所需的标准电池。2016年9月,三星宣布投资3.5亿美元在匈牙利建设欧洲电池生产基地。建成后该厂将达到每年为5万辆电动汽车提供电池的产能。在国内,三星与东风、郑州宇通客车、北汽福田等十多家汽车制造商达成合作。此外三星也与FF、LucidMotors达成了电池供应协议。值得一提的是,三星SDI还斥资了4.49亿美元收购了中国动力电池制造商比亚迪4%的股份。而另一家成立于2010年的中国企业宁德时代更具传奇色彩,2016年10月,宁德时代完成第二次融资,公司估值也随之增至800亿元人民币(115亿美元)。宁德时代CEO黄世霖表示,宁德时代电池产能已经超过LG化学,逐步逼近比亚迪和松下。公司计划在2020年前将电池产能增加5倍,达到50GWh,这一目标甚至超越了特斯拉的超级电池工厂。


比亚迪磷酸铁锂电池:


比亚迪的磷酸铁锂电池是个异类,与三元锂电池相比,磷酸铁锂电池虽然能量密度略低,但能保持较高循环寿命、更高安全性能,以及更低成本。比亚迪在全球动力电池市场上发展势如破竹,2014、15、16年的全球市场份额分别为6.7%、14.4%、19.4%。电动汽车业务则蝉联了15、16年的全球电动汽车销量冠军。2月8日,比亚迪在《投资者关系活动记录表》中表示,公司在深圳惠州、坑梓两个动力电池生产基地,目前共有10GWh的产能。同时比亚迪正在坑梓基地扩建的6Gwh产能,预计会于2017年达产。比起其他家宣称2020年目标产能目标,比亚迪选择了更务实的17年达成16GWh年产能,电池业务与电动汽车业务深度绑定目前为比亚迪带来了产销两旺的有利局面,但风光背后也有隐患——出于竞争考虑,很少有车企会采购比亚迪的电池,一旦比亚迪电动汽车业务不振,电池业务受拖累几乎是必然事件。另外,经过多年的发展,比亚迪的磷酸铁锂电芯单体能量密度已经达到130Wh/kg以上,接近理论发展极限,今年发展出了改良的磷酸铁锰锂材料电池,使新款E6的续驶里程突破400公里大关,但长久游离在业界主流的的技术方向之外,在竞争白热化,三元锂电池规模效应凸显时容易陷入被动。好消息是比亚迪内部已经开始研究三元锂电池研究方向。


未来的动力电池市场,对于日本企业,随着AESC逐渐走上下坡路,更可能是松下(已完成并购三洋电气,市场份额实为36%)一家厮杀;对于韩国企业,软包、方形和圆柱形全面发展的模式会让三星SDI与LG化学会继续保持领先地位;对于中国企业,中国锂电池企业间并购将陆续展开,改善没有核心竞争力的中小规模企业过多的现象,逐步向韩国行业集中度高,最大化发挥资源优势的发展模式靠拢。


四、动力锂电池核心指标分析


1、关于能量密度


谈到能量密度,就必须区分单体电池的能量密度与电池组的能量密度。就单体电池的能量密度来看,18650电池是要高于层叠式锂离子电池的。但是,18650电池的管理系统更加复杂,由此额外增加的重量会使得电池组的能量密度远低于单体的能量密度。Roadster的电池组重量是450kg,能量密度是118Wh/kg,而LEAF电池组的重量是225kg,能量密度是107Wh/kg。在电池组层次,两者的能量密度已经不相上下。


2、关于安全性


前面提到层叠式锂离子电池的各种优点,但它也有一些缺点。由于层叠式锂离子电池一般是采用铝塑膜封装的,而铝塑膜的厚度薄,机械强度差,在汽车发生碰撞等极端情况下,铝塑膜很容易发生破损导致安全事故产生。这也就解释了为什么日产要在4个单体组成的电池模块外面再加一个铝壳。


18650电池一般是钢壳,安全性更好;而且前面也提到随着18650电池生产工艺水平的的不断提高,安全性也在不断提高。


Tesla在应对这些18650电池可能出现的安全事故上,也倾注了很多心血。如果一个单体电池出现温度过高等异常情况,根据异常情况的恶劣程度,这枚电池或其所在的模组会断电以防止事故的蔓延。由于单体容量小,只要不发生蔓延,事故的严重程度将是较低的。


3、关于循环性能


圆柱、方形、软包电池对锂电池循环性能的影响主要通过以下几方面进行影响:包括材料种类、负极用量、正负极压实、水分、涂布膜密度、电解液量等等。


性能表现最差的是圆柱,方形与软包的循环寿命最好。对系统而言,软包电池的内阻较金属外壳锂电池小,可以极大的降低电池的自耗电,有利于节约能量;另一方面,软包电池的循环寿命更长,测试表明100次循环衰减比铝壳少4%-7%。


4、关于一致性


18650电池是最早、最成熟、最稳定的锂离子电池,已经广泛应用在电子产品中。多年来,日本厂商在18650电池的生产工艺上积累了大量的经验,使得产出的18650电池的一致性、安全性都达到了非常高的水准。相比之下,层叠式锂离子电池远远没有成熟,常见的有方形电池、软包电池,甚至连尺寸、大小、极耳位置等都不统一,电池厂商所具备的生产工艺也不能满足条件,大多数以人为控制为主,电池的一致性达不到18650电池的水准。如果电池的一致性达不到要求,大量电池串、并联形成的电池组的管理也将不能让每个电池的性能更好地发挥,而18650电芯可以解决这一问题。


总结来说,18650电池的单体容量小,所需的单体数量会很多(ModelS有7104只),但是一致性很好;层叠式电池的容量可以做得较大(20Ah到60Ah),单体数量可以降低,但是一致性差。现阶段开发一套管理6000多节单体一致性很好的电池系统与开发一套200多节一致性很差的电池系统,相比之下,前者的技术难度应该更低一些。即使单体电池数目增多,但是如果这些电池的性能是可靠的,管理起来还是容易一些。而日产的LEAF,它之所以采用的是层叠式锂离子电池,是因为日产与NEC合作多年,在电池技术方面积累很深厚,在品质控制方面应该有相当的功力。


5、关于散热能力


层叠式电池的厚度薄、表面大,均热、散热能力都不错,因此日产的LEAF很大胆地采用了被动式热管理系统(其实就是不管理!),由空气的自然对流将热量带走。


反过来看Tesla,18650电池的个头比较小,在正常充放电时单体电池内部的温差也不会太大。但是,6000多个单体电池的温度也应当保持在不超过5°C的范围内,这是一件非常困难的事情。Tesla设计了一套复杂的液冷系统,液冷系统的流道均匀分布在电池模组中间,能让每只电芯能很好地跟水管接触,这样每只电芯在冷却时带走的热量也几乎一样,温差也就可以有效地控制在很小的范围内。


总结来说,由于采用了小容量的18650电池,Tesla的热管理系统的复杂度是大大增加了的。也就是说,如果从散热能力方面考虑,使用小容量的18650电池不是最优选择。


6、关于成本


18650锂离子电池具有容量大、寿命长、安全性能高等特点,又因为体积小,重量轻,使用方便,深受消费者的青睐。随着人们对18650电池技术研究的不断加深,使得电池的一致性、安全性都达到了非常高的水准。作为最早的锂离子电池,18650电池也是目前世界上最成熟、最稳定的电池组合,至今仍然占据领先位置。我国每年生产18650电池约几十亿节,这一数据远远超出其他材料的电池。而Tesla采用18650电池,就可以利用日本松下等厂商之前的生产线进行生产。在消费类电子产品所用18650电池竞争日趋激烈的情况下,松下等厂商与Tesla合作升级产品,将原有的生产线改良后用于生产动力电池。工业生产有一个规模效应,当生产产品的规模达到一个量级之后,成本会大大降低。一辆新能源汽车就需要成千上万节18650电池,因此单体的采购成本可控。


可以说,采用18650、20700等圆柱电池作为新能源电动汽车的动力之源,在现阶段可以说是最优的选择。但是随着电池技术工艺的成熟,未来也会出现更多新型的电池应用在新能源电动汽车上。


五、锰酸锂电池


1、产业化较早而发展缓慢


锰酸锂的产业化较早,20世纪90年代初,日本索尼公司即推出了商业化的锂电池,但其高温循环寿命低的缺点一直限制着该材料在实际锂离子电池中的使用。90年代中后期,众多学者发现采用元素掺杂可有效地改善锰酸锂的高温循环特性,由此推动了锰酸锂产业化的进程。而在我国,由于受到政策、产业技术积累等多重因素影响,锰酸锂电池并没有在国内得到应有的重视。在产业布局和实际应用方面都要远远落后于磷酸铁锂电池和三元电池。限制锰酸锂电池发展的原因主要如下:


高温循环寿命低:锰酸锂电池循环寿命次数较低,约300次。低于三元材料锂电池2000次和磷酸铁锂材料的1500-2000次。


能量密度低:锰酸锂的比容量约为100-120mAh/g,低于磷酸铁锂170mAh/g和三元的190mAh/g。


缺点很明显,但其也有独特的优势,使其未被淘汰反而可与三元材料、磷酸铁锂相抗衡。


原料丰富,成本低:锰酸锂正极材料中的锰资源丰富,价格较低,锰酸锂材料价格不过5-7万元/吨。而三元材料中的钴、镍价格近期价格急剧抬升,致使三元材料价格居高不下,维持在20万元/吨以上;而主流磷酸铁锂市场价格维持在8.5万元/吨左右。锰酸锂相对于三元及磷酸铁锂材料具有较大的价格优势。


改良性好:通过混合一定比例的三元材料可提高电池能量密度并改善性能,海外的LGC、AESC、LEJ等电池厂商已将该技术路线广泛应用于动力电池,国内企业以微宏、星恒电源、盟固利、亿鹏能源等为代表的一批动力锂电池企业也正在这一技术路线上不断突破。以星恒电源为例,其超级锰酸锂电池循环寿命超2000次,成组后的能量密度为120Wh/kg,达到部分磷酸铁锂及三元电池水平,且综合成本更低。


2、补贴退坡助力锰酸锂份额提升


伴随着市场化的推进,关键材料、技术的突破和应用领域的挖掘,锰酸锂电池被冷落的局面正在逐步改变。在三元和磷酸铁锂体系展开动力锂电池市场角逐的同时,锰酸锂电池作为市场关注较少的一方已经开始了更大市场份额的扩张。


目前,相较于客车领域的风头正劲和在专用车市场份额的逐步上升,锰酸锂电池在乘用车领域稍显落寞。反观国外,全球销量排名前列的新能源车型日产Leaf、通用雪佛兰Volt、福特FocusEV等均以锰酸锂技术路线为主。随着国家补贴逐年降低甚至完全退出,锰酸锂电池的价格优势将越来越明显,在我国新能源乘用车上的运用也将有很大的尝试空间,尤其是在成本较敏感、对续航里程要求相对低的A00级微型电动车市场将大有可为。


六、钛酸锂电池


2016年,从格力电器董事长董明珠入主银隆新能源,到微宏动力获投资注入,钛酸锂电池这一长期活在磷酸铁锂电池巨大阴影下的锂电池品类,在电动汽车受困续航里程、充电效率问题,产业化进展迟缓的背景下,似乎终于迎来了翻身的时机。


1、优劣势明显的“老技术”


外行看热闹,内行看门道。董明珠在舆论中炒红了银隆新能源这家企业,但行业内的观察点却在钛酸锂。对于收购银隆,董明珠表示之所以愿意用全部身家投资银隆,是因为看好银隆的钛酸锂技术。


钛酸锂技术亮点如下:使用寿命长,能够适应高寒温度,安全性好,在储能市场有应用前景等。但实际上,钛酸锂电池并不是一个新鲜的技术。作为主要材料的钛酸锂,其优缺点都比较明显。此前因为存在二大“短板”,钛酸锂的大规模商业化应用一直受限。


高温胀气:钛酸锂作为负极材料时,与电解液之间容易发生相互作用并在充放循环反应过程中产生气体析出,因此普通的钛酸锂电池容易发生胀气,导致电芯鼓包,电性能也会大幅下降,极大地降低了钛酸锂电池的理论循环寿命。


能量密度低:跟碳负极材料电池相比,相同的体积和重量只能存一半的电,续航也只有一半,钛酸锂电池电压也是低至1.5V。因而钛酸锂电池的体积和重量较大能量密度较低。


2、商业化唯“快”不破


当然,作为硬币的另一面,钛酸锂在性能上也有着自己的独到之处,尤其是在商用车辆特别是客车上存在明显的优势:


工作温度范围广:钛酸锂工作温度涵盖-30℃至60℃(无加热装置),完全可以应付北方地区的严寒天气;


寿命长,安全性能高:与传统的负极材料石墨和硅相比,钛酸锂在储存及使用时能够大幅度减少锂离子与电解液的损耗,避免电池容量的衰减。


能够实现快充:能够实现快充,是钛酸锂突然受追捧的技术因素,尤其是在商用车领域。


但同时,随着材料技术的发展,磷酸铁锂和三元的快充技术指标也已经基本满足乘用车的相关使用需求,所以钛酸锂的快充优势主要体现在商用车领域。


3、不以片刻论成败


此前有媒体称,谁掌握钛酸锂材料的核心技术,谁将拥有独步天下、蓝海泛舟的制控权。虽然这一论断颇有夸大,但钛酸锂确实在快速弥补着自身短板。


据媒体报道,珠海银隆正在研发第5代钛酸锂电池,能量密度将提升至与目前的磷酸铁锂电池能量密度相近的水平。包括微宏动力在内的多家电池企业在提升钛酸锂电池能量密度方面,也都已经取得进展。


微宏动力方面称,2013年便推出了能量密度为120Wh/kg的第二代快充电池LpCO锂电池,该产品目前已经占到微宏动力电池产品出货量的80%;而2017年即将推出的快充电池产品,在保持快充与长寿命特点的同时,能量密度可达到170Wh/kg。并在未来规划推出230Wh/kg以及300Wh/kg的快充电池产品。


七、全固态电池


什么叫做全固态电池,通俗的讲,全固态电池就是里面没有气体、没有液体,所有材料都以固态形式存在的“全固态锂离子电池”。目前科研界和工业界都在研发以及生产全固态电池,也就是把传统的锂离子电池的隔膜和电解液,换成固态的电解质材料。那么全固态电池的优缺点点主要有哪些呢?


1、优势之一:轻——能量密度高


使用了全固态电解质后,锂离子电池的适用材料体系也会发生改变,其中核心的一点就是可以不必使用嵌锂的石墨负极,而是直接使用金属锂来做负极,这样可以明显减轻负极材料的用量,使得整个电池的能量密度有明显提高。此外,许多新型高性能电极材料,可能之前与现有的电解液体系的兼容性并不好,但是在使用全固态电解质后该问题可以得到一定的缓解。综合考虑到以上两大因素,全固态电池相比于一般锂离子电池,能量密度可以有一个较大幅度的提升:现在许多实验室中,都已经可以小规模批量试制出能量密度为300-400Wh/kg的全固态电池了(一般锂离子电池是100-220Wh/kg)。从能量密度的数据上看,或许全固态电池真的有希望让我们的生活从“一天一充”升级到“两天一充”。


2、优势之二:薄——体积小


实际上,体积能量密度对于电池来说是一个很重要的参数,如果就应用领域来说,要求从高到低是消费电子产品>家用电动汽车>电动公交车。如果通俗的讲,就是体积能量密度高了,因此相同质量的电池才能做的体积更小。电子产品中的可用空间往往很有限,很多产品(例手机、平板电脑)有近1/3左右的体积和质量已经被电池占据,而且在广大生产厂商和消费者希望对电池进一步提高容量(增加续航)和压缩体积(便携美观和便于设计)的要求下,高压实、体积能量密度最高的钴酸锂(LCO)电池依然是当仁不让的主流产品。


传统锂离子电池中,需要使用隔膜和电解液,它们加起来占据了电池中近40%的体积和25%的质量。而如果把它们用固态电解质取代(主要有有机和无机陶瓷材料两个体系),正负极之间的距离(传统上由隔膜电解液填充,现在由固态电解质填充)可以缩短到甚至只有几到十几个微米,这样电池的厚度就能大大地降低——因此全固态电池技术是电池小型化,薄膜化的必经之路。不仅如此,很多经过物理/化学气相沉积(PVD/CVD)制备的全固态电池,其整体厚度可能只有几十个微米,因此就可以制成非常小的电源器件,整合到MEMS(微机电系统)领域中。能够制成体积非常小的电池也是全固态电池技术的一大特色,这可以方便电池适应各种新型小尺寸智能电子设备的应用,而在这一点上传统的锂离子电池的技术是很难达到的。


3、优势之三:柔性化的前景


全固态电池可以经过进一步的优化,变成柔性电池,从而带来更多的功能和体验。


实际上,即使是脆性的陶瓷材料,在厚度薄到毫米级以下后经常是可以弯曲的,材料会变得有柔性。相应的,全固态电池在轻薄化后柔性程度也会有明显的提高,通过使用适当的封装材料(不能是钢性的外壳),制成的电池可以经受几百到几千次的弯曲而保证性能基本不衰减。实际上,以各种可穿戴设备为代表的柔性电子器件是下一代电子产品发展的重要方向,而这就要求该产品中的元件同样需要具有柔性,因此柔性全固态电池是科研与工业界中,非常有前景的明日之星。


不仅如此,功能化的全固态电池潜力远不只以上的柔性电池,经过电池材料结构优化可以制成透明电池,或者是拉伸幅度可达300%的可拉伸电池,或是可以和光伏器件集成化的发电-存储一体化器件等等——全固态电池所意味的功能上的创新应用前景还有很多,在这方面科研人员与工程师们的想像力会给我们带来越来越多的惊喜。


4、优势之四:更安全


作为一种能量存储器件,实际上所有电池在热力学实质上都不可能是绝对安全的。但是电池实际应用中的决定其真正安全性的因素是多方面的,影响因素包括电池的电极材料特性、电解液的性质,以及电子产品中的电池管理系统等。


目前一般商用的锂离子的安全性是大家关心的重点,在这里用“不够理想”来评价现在电池的安全性,应该是一个比较合适的评价。目前普通锂离电池的安全性的影响因素主要有:1)电极材料特性,比如在大电流下工作有可能出现锂枝晶,从而刺破隔膜导致短路破坏;2)电解液为有机液体,在高温下发生副反应、氧化分解、产生气体、发生燃烧的倾向都会加剧;3)电池质量参差不齐,尤其是小厂家的电池安全性能不达标;4)电池管理系统不合格,造成电池的过充放,导致危险的发生。


而如果采用了全固态电池技术,以上的1和2两点问题就可以直接得到解决,而且所得的电池的最高工作温度可以从现在的40度提升到更高,这样就可以使电池的适应工作温度区间更宽,应用范围也会更广。安全性,其实是全固态电池领域发展的最根本驱动力之一。


以上说了全固态电池的种种优点。在这里也必须介绍一下全固态电池的几个缺点。


5、问题之一:快充不现实


固态电解质电导率总体偏低,低于它们的“前辈”——液态电解液。这就导致了目前全固态电池的倍率性能整体偏低,内阻较大,高倍率放电时压降较大,如果想指望该类技术能在近期解决电池快充的问题,基本上是不可能的。


当然了,固态电解质的电导率随着温度上升也会有明显的提高,所以这就导致了一个有趣的现象,就是全固态电池最好或者说必须在高一点的温度下工作,才能发挥良好的性能。因此目前市面上有些使用全固态电池的产品,实际上都不是在室温下工作的。


6、问题之二:成本依然偏高,制备工艺复杂,技术不够成熟


目前的全固态锂电池的电解质主要有有机和无机两大体系,成本总体偏高,尤其是无机体系的电池很多采用CVD/PVD等复杂的工艺制备,生产(沉积薄膜)速度慢,成本昂贵,单体电池容量很小,往往只适合做小型电子器件用的电池。因此现在的全固态电池如果要和普通锂离子电池在传统市场上竞争,并没有太大的优势。发挥全固态电池本身高安全性、高温稳定性、可能达到的柔性等其它多功能特性,与传统锂离子电池在差异化的市场中竞争,可能是全固态电池近期内比较有希望的市场突破方向。


典型的全固态电池,容量只有1.0mAh,只能给小型电子产品供电,不仅如此,全固态电池现在的制备技术成熟度总体一般,能形成规模产能的企业非常有限,技术规模化扩产需要克服的困难还有很多,仍处于推广发展期。但是可以预期的是,随着研发和工业技术的不断发展,全固态电池中的科学和工艺上的问题会逐渐得到缓解,在未来几年,该类产品的市场会迎来蓬勃发展的机遇。


7、固态锂电池展望


目前全固态电池主要可以用于电子器件、电动汽车、RFID、植入式医疗设备、无线传感器等,主要应用于微电池领域。在汽车动力电池领域也有,但是受制于技术发展水平,实际应用很少。


现在已经有许多start-ups以及传统工业巨头公司投入到了全固态电池行业中。以美国Seeo公司为例,该公司一直从事全固态电池的研发和生产,目前最先进的电池能量密度已经达到350Wh/kg,在今年9月,德国汽车工业巨头BOSCH已经完成了对该公司的收购。不仅如此,Sakti3、CymbetCorporation、Prologium、包括丰田公司等等,在全固态电池的研发生产方面也倾注了很多精力,苹果公司也在全固态电池方向做了专利布局,这说明这些大公司是普遍非常看好全固态电池技术的。


总体来说,全固态电池是电池科研与工业界公认的下一步电池发展的主流方向已经没有悬念,但是具体到固态电解质的电导率、电池倍率、电池制备效率、成本控制方面,全固态电池仍然有一段路要走。


八、市场反馈


据电池中国网统计,1-7批推荐目录中共有1939款纯电动车入选。按照配套电池统计,磷酸铁锂共有1066款稳居第一,占比55%,三元锂电池共有631款紧随其后,占比32%,锰酸锂157款占比8%,钛酸锂和未知锂电池分别占比3%和2%。


1)乘用车方面,七批目录中纯电动乘用车共有251款。从配套电池来看,三元锂电池依然是纯电动乘用车的领军“人物”:共有201款车装配三元锂电池,31款车装配磷酸铁锂,4款车装配锰酸锂,2款车装配多元复合锂离子,3款车装配未知锂离子电池。


「和达产业观察」动力锂电池技术路线之争


2)新能源客车方面,七批目录中纯电动客车共有1119款发布。从配套电池来看,磷酸铁锂风光依旧:共有927款车装配磷酸铁锂,130款车装配锰酸锂,4款车装配三元锂电池,9款车装配未知锂离子电池。


「和达产业观察」动力锂电池技术路线之争


3)新能源专用车方面,七批目录中纯电动专用车共有570款,其中415款装配三元锂电池,108款装配磷酸铁锂电池,23款装配锰酸锂电池,24款装配未知锂离子电池。


「和达产业观察」动力锂电池技术路线之争


总结:通过2017年1-7批推荐目录来看,主流新能源汽车采用技术前两位由三元锂和磷酸铁锂占据,处于第三位的是锰酸锂,其次是最近开始崭露头角的钛酸锂。


具体到车型,乘用车和专用车已经体现出三元锂的优势,而在带电量较大的客车领域,磷酸铁锂还占据相当的优势。


九、结论


通过整篇文章的分析,我们对动力电池技术路线的结论很模糊也很明确。不过,对于电池技术的流派之争,技术的进步永无止境,不能以片刻的得失论成败。不同的技术路线都有不同的特性,适用于不同的领域,并且都在朝着未来更新的方向前进。


首先在实际市场应用方面,三元、磷酸铁锂、锰酸锂和钛酸锂占据绝对的市场份额,且各有优势、也各有劣势,但是均在各自的应用领域风生水起,占据一定的市场份额。随着材料研发成果的不断涌现,该格局也会随之发生渐变。


同时,圆柱、软包、方形的技术路线,也体现了相同的态势,目前来讲没有哪种技术路线占据绝对优势,电芯的生产厂家和应用厂家都在根据自己的技术和应用领域做出理性选择,最终的份额将由市场做出抉择。


其次在市场未来发展前景来看,燃料电池、固态电池随着技术的整体进步及相关配套的完善,也终将占据一定的市场地位,但短期内还不足以对三元、磷酸铁锂的市场地位形成影响。


所以,我们需要理性的看待各个技术路线,每项技术均具有现阶段的历史地位。同时需具备足够的前瞻性和市场敏感度,才不会在决策过程中做出违背市场规律的错误选择。


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