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动力锂电池整体技术创新任重而道远

来源:【拓尔德TRD】 发布日期:2021-11-18 分享 加入收藏 关注:21

动力锂离子电池技术的提升,很大程度上决定着我国新能源汽车产业是否能真正从示范到落地。而技术的提高许多是来自材料的开发与改进,研发新的材料体系成为动力锂离子电池提升发展的关键。厘清国内外动力锂离子电池材料行业呈现出的明显特点,针对性地进行研发投入及改进,将有助于提升本土动力锂离子电池企业制造水平。


目前,动力锂离子电池正处于变革和技术升级的过程中。国家工业与信息化部部长苗圩在“国家动力锂离子电池创新中心”成立大会上指出,“通过协同技术、装备、人才、资金等资源,打通技术研发供给、转移扩散和首次商业化的链条,为实现动力锂离子电池技术突破,支撑新能源汽车产业发展供应战略支撑。一语道破动力锂离子电池产业发展的核心所在。”


新材料驱动动力锂离子电池技术革新


锂离子电池的基本组成包括外壳、正极材料、负极材料、隔膜、电解液等。其中正极材料有关锂离子电池的能量密度、安全性、循环寿命等起着决定性用途。动力锂离子电池的性能优化往往依托于正极材料的技术突破。


业内专家表示,动力锂离子电池正极材料将沿着高电压、高安全性和低成本的方向发展。磷酸铁锂、锰酸锂、磷酸铁锰锂、NCM三元材料、NCA三元材料、镍锰酸锂等正极材料将进一步发展成熟,其安全性和成本将进一步完善。


在负极材料领域,诸如石墨烯、碳化硅等新型负极材料将逐步成熟,且具备快充快放的钛酸锂负极材料的应用将更加广泛,预计到“十三五”末期,我国负极材料的出货量将超过15万吨,成为全球最大的负极材料生产国。


近年来,石墨烯等新型负极材料的研发与应用受到业界关注。研究表明,将石墨烯应用于锂离子电池负极材料中,可以大幅度提高负极材料的电容量和大倍率充放电性能。不少企业、高校和研究机构正在积极开展石墨烯材料的研究工作,石墨烯负极材料的产业化进程也在积极推进之中。


比亚迪在新电池技术、新材料研发上走在前列。有关新电池材料技术路线,比亚迪目前是磷酸铁锂方向,但未来也将研发探索其它新技术。当前,国内动力锂离子电池重要为磷酸铁锂离子电池或三元电池,而三元电池的续航里程和储能强于传统锂离子电池,多家国内主流汽车厂商表示已生产和使用三元电池。


国内动力锂离子电池材料发展态势向好


动力锂离子电池材料有关提升电池能量密度起到至关重要的用途。数据显示,当前动力锂离子电池用四大关键材料的国产化率均超过80%,其中负极、电解液的国产化率更是高达98%,正极材料的国产化率超过95%,电池隔膜国产化率超过80%。重要是因为国内动力锂离子电池体系开发较早,且综合性能要求相对较低,国产材料水平近几年稳步提升,在一致性、批次稳定性方面进步较快,能满足国内电池企业需求。


2015年下半年至今,国内锂电中上游多种材料处于价格大幅上升态势,比如碳酸锂、六氟磷酸锂、铜箔、磷酸铁锂、湿法隔膜等。而伴随材料价格的大幅上升,材料毛利率也大幅回升,进而吸引多家企业积极扩产及新进入者。今年1-九月,国内四大材料的投资额超过350亿元,其中正极材料、隔膜成投资热点。


业内专家分析,我国已经成为全球最大的动力锂离子电池生产与需求大国,但国内动力锂离子电池技术和质量与日韩相比仍存在差距,重要体现在能量密度、产品一致性、产品稳定性、故障率等方面。


北汽新能源工程研究院常务副院长李玉军表示,随着新型材料的开发,动力锂离子电池体系将按照三个阶段发展,2020年以前,将以三元/石墨体系为主;2020至2030年,以富锂层状氧化物/硅基为主;2030年以后以锂/空气电池为主。


有关动力锂离子电池材料发展,业内专家提出,要提升电池材料性能,实现技术突破。例如发展高能量密度电极材料(富镍、富锰三元正极材料;硅基、金属锂负极材料等);高安全电池材料(阻燃型电解液、陶瓷隔膜等);新型电池体系材料(锂硫电池、锂空气电池材料等)。


此外,还要通过政策优惠等措施吸引上游电池材料生产,中游电芯、电池组和电池系统生产,下游电动汽车等应用企业积聚,形成有特色、有竞争力的产业集群。


美日韩动力锂离子电池技术更新速率提升


近期,特斯拉100kWh车型通过欧盟认证机构RDW的评估。这意味着ModelS/X100D车型即将问世,其续航里程理论值将达到613km(基于NEDC标准)。


埃隆·马斯克曾指出,特斯拉的续航要以每年5%的速度新增。试想在100kWh的电池组中,不改动电池组结构的情况下,单个电芯的容量要提升至3.9Ah,才有可能实现100kWh的容量。业界猜想特斯拉已经与松下研发出了3.9Ah的18650电芯,而这归功于阳极中的材料——硅。


在技术研发方面,韩国蔚山科学技术院近期开发出二次电池的阴极材料,可将现有电池容量提高45%,即电动汽车的续航里程在目前200多公里的基础上至少新增100公里。该研究组通过开发替代现有电池使用石墨电极的“石墨—硅复合材料”,成功新增了电池容量。业界预计,这类新电池的批量生产较容易,未来将具有较强的价格竞争优势。


日本已研发出不要稀有金属钴的锂离子电池新材料,并试制出了新型锂离子电池。以松下电器京都大学教授吉田润一为首的研究团队,利用锂和碳开发出了有机新材料,并成功试生产出非钴电极材料的新型锂离子电池。锂离子电池有望摆脱对钴的依赖,大大降低生产成本。


这种新型材料生产的锂离子电池的另一优势是电池寿命更长、衰减率更低。实验结果显示,该新型材料生产的锂离子电池充放电100次,但电池容量的衰减不超过20%。松下电器计划改良这种新材料,希翼将电池充放电次数提高到500次至1000次,然后进行商品化生产。


动力锂离子电池整体技术创新任重而道远


动力锂离子电池技术是伴随着争辩发展起来的。对此,标准的起草者、制定者和参与其中的电池企业,都深有感触。


首先是材料体系之争,尤其是三元和磷酸铁锂。没有不好的材料,不好是因为没找到它最佳的生存空间。实际数据表明,磷酸铁锂适合在大巴上应用,三元材料在乘用车上优势明显。


有关尺寸之争。国内虽然有推荐标准QCT840-2010,但由于代表性不足,抑或考虑尚需完善等问题,采用率低;欧洲有VDADIN-91252,德系车企均要求按此标准供应电池,国内很多电池厂也按照该标准的尺寸开发电池。


再次是容量之争。动力锂离子电池发展伊始,在容量方面似乎是做得越大越有水平,但从目前的工艺控制和技术水平来说,缺乏科学依据,有关容量的合理阈值,应该是基于材料体系、尺寸设计和工艺水平综合平衡下的值。


还有形状之争。卷绕小电芯已作为标准产品在大批量应用,具有自动化生产设备成熟、工艺稳定、一致性好等特点;硬壳方形具有外形尺寸精度高,耐压程度强等优点;软包装电池具有安全防控性好,柔性化设计程度高等优点。究竟采用哪种形状电池,要从电池角度、模块设计和成组技术方面予以综合考虑。


虽然有多重争论和声音,但整个行业并没有停止对新材料和新技术的探索,可以肯定的是,高能量密度和更安全的性能永远是企业试图平衡的两大课题,而高能量密度是我国“十三五”规划动力锂离子电池的核心技术指标之一。


从新能源客车暂停三元锂离子电池应用,到动力锂离子电池目录的公布,包括禁止动力锂离子电池产业合资等,政府正积极为动力锂离子电池技术发展留出时间和空间。企业应该利用这个时机,实现动力锂离子电池技术的大发展。国内动力锂离子电池行业更应该将目光从价格战和政策补贴上移开,转向走切实提高动力锂离子电池性能的“技术路线”。


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