动力电池能量密度“攻坚战”打响 高压实铁锂/高镍三元等进展如何?

来源:高工锂电网   发布时间:2017-01-11 09:15      设置字体:
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摘要:为提升能量密度、把握好技术路线,进而在未来激烈竞争中占据技术优势,不少动力电池企业作了充分的规划与技术储备。截至目前,这些企业技术储备程度如何,离产业化距离有多远,值得捋一捋以供业界参考。
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除了需要大幅扩张产能规模以保持竞争优势外,未来几年动力电池企业还面临着提升产品能量密度的“攻坚战”。

  这场战斗的压力主要来源于国家政策。一方面,根据201612月出台的补贴新政,将以动力电池为补贴核心,并以能量密度为补贴调整系数的依据;另一方面,根据“十三五”规划,到2020年,国家目标要实现动力电池300-350wh/kg的能量密度。

  事实上,国家政策引导之下,大力提升动力电池能量密度已成为业界共识。在近日举行的国轩高科股份有限公司第六届科技创新大会暨十周年庆典上,国轩高科董事长李缜特别指出,其实动力电池技术进步的关键就三个,一是安全,二是寿命,三是能量密度。关于能量密度问题,这是根本。

  那么,如何提升能量密度?通过改变动力电池的正负极材料隔膜等原材料体系,是业界公认的关键途径。对于动力电池的主流技术路线,资深人士认为将由磷酸铁锂/石墨、三元/石墨、高镍三元/硅碳再到固态锂空气金属的方向演进。

  高工锂电网调研发现,为提升能量密度、把握好技术路线,进而在未来激烈竞争中占据技术优势,不少动力电池企业作了充分的规划与技术储备。截至目前,这些企业技术储备程度如何,离产业化距离有多远,值得捋一捋以供业界参考。

  值得一提的是,一些动力电池企业为把握住新能源汽车细分领域的机会,在原有材料体系基础上做了一些突破。这种现象在2016年表现尤为明显,预计2017年会出现更多看点。

  且看下文:

  1、高压实磷酸铁锂材料电池

  高工锂电网了解到,自201611月份开始,动力电池企业开始大规模缩减磷酸铁锂电池产能。这种现象的出现与新能源汽车补贴新政有直接关系。

  新补贴方案以电池系统能量密度为补贴标准,特别是新能源客车的补贴受动力电池的性能等级差异较大。尽管目前不少电池企业的磷酸铁锂单体电芯能量密度可以做到了120-140wh/kg,但成组后的电池系统能量密度大多不超过100wh/kg。这意味着大部分已经申报的大部分车型只能获最低档补贴标准,从而严重打击车企发展纯电动客车的积极性。

  在此情况之下,为配合车企拿到尽可能多的补贴,动力电池企业只能停止生产现有不达标的产品,在短期内通过制造工艺升级、优化PACK方案等提升电池系统能量密度,同时要求正极材料企业研发更高性能的磷酸铁锂材料。这主要指高压实磷酸铁锂材料的研发,但需注意的是,从产品经过测试再到批量生产进入电池厂供应链,最快也要4-5个月的时间周期。

  2、高镍三元材料电池

  随着三元电池的安全性逐步得到验证,加之消费市场对于续航里程的需求提升,国家政策又倾向扶持高能量密度动力电池,在能量密度上具有显著优势的高镍三元材料电池被业界普遍看好,成为众多动力电池企业的研究热点。

  不过,高工锂电网经多方采访了解到,虽然国内大型动力电池企业都将高镍三元材料电池作为下一代动力锂电池的研发目标,但目前基本仍处于研发测试阶段,都未批量生产,离大规模产业化有一定距离。

  业内人士指出,高镍三元材料电池的安全性受正极材料制备、制造环境、生产设备、电芯制造工艺等多重因素影响。其中,高镍三元正极材料的不成熟和高镍三元电池制造工艺技术尚未突破是阻碍其产业化的主要原因。

  3、固态电池

  中国工程院陈立泉院士表示:“2014年我就提出争取5年实现全固态锂电池产业化,全固态电池是我们实现领跑的难得机遇,我国40年前就开始研究,我们有基础。”在他看来,电动汽车产业中长期发展需要进行技术储备,而固态电池有望成为中国下一代车用动力电池主导技术路线。

  陈立泉院士的观点得到了业内人士的支持。在近期成功举办的高工年会上,海四达董事长沈晓彦表示,现有的材料体系已经无法达到国家规划的指标(针对根据《节能与新能源汽车技术路线图》,2020年的纯电动汽车动力电池的能量密度目标为350wh/kg2025年目标为400wh/kg2030年目标为500wh/kg),而固态电池有可能成为新能源汽车下一代动力电池的技术发展路线。

  事实上,高工锂电网调研发现,一大批国际领军企业都已经积极开始做固态电池的储备研发,也不乏一些初创公司,研究类型有聚合物固态锂金属电池、氧化物锂金属固态电池、硫化物固态电池等。

  不过,全固态电池尚处在研发早期,离实现产业化有较大差距,主要有两个问题:一是固态电解质在室温条件下的离子电导率不高;二是固态电解质与正负极之间界面阻抗比较大。

  目前业界的共识是,认为现在谈全固态锂电池的产业化还为时尚早,因为与其配套的材料、设备、工艺还不成熟,甚至连生产的设备都没有。高工产研锂电研究所(GGII)建议,要实现全固态电池的大规模产业化,技术突破很关键,而且材料、工艺、设备都需要相应提升。

  4、超级锰酸锂电池

  一直以来,锰酸锂电池长期没有得到国人的认可,主要基于两个原因,一是能量密度低,二是循环性能差。一位锂电行业资深学者认为,这与锰酸锂材料本身有一定关系,但根本原因还是国内企业在锰酸锂电池投入不够。

  一个可供参考的案例是,占全球电动汽车销量近20%的日产聆风,采用的就是锰酸锂电池,其电池供应商AESC的控股公司NEC是国际上锰酸锂做得最好的企业。

  值得一提的是,当前中国新能源汽车正处于快速发展阶段,很多细分领域蕴藏着庞大的市场商机。在此背景下,国内个别电池企业在锰酸锂电池方面有了研发突破,并在电动汽车应用领域表现不错。

  高工锂电网获悉,早于成立之初,星恒就与中国科学院物理研究所等产学研合作,采用表面氧化铝包覆和铝渗透掺杂技术,提升了锰酸锂材料在电池中的高温循环性和稳定性,构建了改性锰酸锂动力电池的生产体系和新工艺,自主开发了自动化装备,成功实现星恒超级锰酸锂正极材料和车用动力电池的量产。

  星恒总工王正伟告诉高工锂电网,经过10多年技术沉淀和产业化积累,星恒超级锰酸锂电池的循环寿命突破2000次,在高低温性能、安全性能优势明显,而更为关键的是,其电池成本在过去的几年里降低了10倍。

  凭借技术突破及成本的降低,在刚过去的2016年,星恒在电动物流车领域异军突起,配套动力电池组超过1万套,市场占比高达三分之一,成为年度备受瞩目的市场领头羊。

  5、快充型磷酸铁锂电池

  从消费者角度而言,都希望电动汽车充电时间越短越好,因而快充型动力电池在电动汽车领域应用也颇受欢迎。

  值得注意的是,作为完整的解决方案,除了提升充电倍率,快充技术还得考量其他四个指标,分别是能量密度、寿命、安全性、价格,否则单独谈充电速率是没有意义的。这五个指标处在一个相对稳定的雷达图里。如何不牺牲能量密度,不影响循环寿命,安全稳妥地提升充电速度是产业链上各方的极致追求。

  目前业界快充技术“花”开多朵,有多家流派,比如微宏钛酸锂快充技术、宁德时代(CATL)磷酸铁锂快充技术、珠海银隆纳米钛酸锂快充技术等。

  在很多人眼中,钛酸锂是快充型电池的典型代表,磷酸铁锂电池似乎不太适合快充,宁德时代是如何做到的,令人感到好奇。据了解,在正极上,CATL开发了“超电子网”技术,使得磷酸铁锂具有优异的电子导电性能,可达三元材料的1000倍,同时磷酸铁锂的正极也兼顾了快充电池系统的超高安全性和可靠性。

  在负极石墨表面,CATL采用了“快离子环”技术修饰,修饰后的石墨兼顾超级快充和高能量密度的特性,快充时负极不再出现副产物,所以大大提高锂离子在石墨层的嵌入速度,使其具备4-5C快充能力,实现 10-15分钟快充充电,并能保证系统级别70wh/kg以上的能量密度,实现10000次的循环寿命。

  另外,CATL当前开发的快充产品,搭载自主研发的热管理系统,充分识别固定化学体系在不同温度和SOC下的“健康充电区间”,极大拓宽锂电池的运营温度。当电池处于北方寒冷的冬天时,水热系统在低温下为电芯加热,待电芯温度达到要求,即开启快充模式;遇到南方酷暑的夏天时,电池系统自动发热报警,水冷系统给电芯降温,真正做到“全气候”的快充。

  总体而言,CATL选择的磷酸铁锂-石墨快充技术拥有三大特点。首先是高倍率,十分钟迅速充满,基本可媲美燃油车的加油时间;其次是长寿命,可达到超过10000次的充放电循环,满足对于客车客户使用8年的质保需求;再次是高安全的体系,磷酸铁锂是现阶段较成熟、安全的动力电池,其在“十一五”开始示范应用,在“十二五”电动汽车发展中担任主力军。磷酸铁锂电池是经过实践验证的,较为成熟的电池材料。

  6、石墨烯锂电池

  石墨烯是近年来炒得很火的一款材料。在动力锂电池领域,石墨烯也有了实际应用。比亚迪CTO刘卫平向高工锂电网透露,公司将石墨烯作为导电剂使用已经有2-3年了,由于石墨烯导电性比其他导电剂更好,可以适当减少添加量,从而省出空间给活性材料,使用后相比普通的磷酸铁锂电池容量会提升3-5%,成本上也会比碳纳米管的还低一些。

  国轩高科于201684日在互动平台上表示,石墨烯导电剂仅用于公司南京工厂生产使用。国轩高科介绍称,石墨烯导电剂主要可以一定程度上提高产品能量密度同时降低内阻,公司将根据相关原材料与工艺性价比决定推广使用范围。

  客观而言,目前石墨烯只是用于动力锂电池导电剂,并没有发现其他更多的功能。GGII分析师认为,采用石墨烯包覆技术后,锂电池材料性能可以改善,比如提高材料导电性,提升电池循环性能、功率性能,容量也可以提升一点(非常少,可以忽略),但最终想要提升能量密度是不能指望导电剂的,关键点还在正负极活性材料上。

  一些企业明确表示扩产石墨烯动力锂电池项目。消息显示,20161018日上午,位于青岛高新区的青岛国际石墨烯科技创新园二期(石墨烯锂离子动力电池组装产业化)项目正式奠基建设。该项目总投资2亿元,由青岛海福得纳米科技有限公司投资建设。项目主要是将先进的石墨烯产品研发制造工艺融入锂离子动力电池设计制造中,全面提升电池产品质量和续航能力。

  7、燃料电池

  补贴新政对于燃料电池汽车的“特殊照顾”引起了业内人士关注。通知指出,除燃料电池汽车外,各类车型2019-2020年中央及地方补贴标准和上限,在现行标准基础上退坡20%

  对于燃料电池车,按照燃料电池车的类型进行补贴。对于燃料电池乘用车,给予20万元/辆补贴。对于燃料电池小型货车、客车,给予30/辆补贴。对于燃料电池大中型客车,中重型货车,给予50/辆补贴。燃料电池额定功率与发动机额定功率相比不小于30%,且不低于30KW

  业内人士表示,随着电动汽车的补贴退坡加速,燃料电池车较高的补贴额度会逐渐弥补之前价格高的劣势,鼓励企业加大对燃料电池车的研发投入,2017年将有更多燃料电池车型出现。不过,有一点需承认的是,中国新能源汽车动力源仍以动力锂电池为主,在未来相当车的一段时间都是如此。

  目前在燃料电池车研发方面全球领先的国家当属日本,ToyotaHonda燃料电池汽车都实现了小批量商业化生产。最新消息显示,丰田还将于2017年初开始销售丰田品牌的燃料电池巴士,并将巴士命名为“丰田FC巴士”(以下简称“FC巴士”)。该巴士经过了反复的行驶实验后终于付诸实用,丰田计划提供2辆用于东京都交通局运营的公共巴士。


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