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【研究】動力電池技術發展形勢分析
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(一) 當前三元和磷酸鐵鋰電池技術成熟度高



1、三元和磷酸鐵鋰電池為企業布局重點


在車用動力電池領域,鋰電池已經成為主流。目前國際主流動力電池企業主要電池類型基本為磷酸鐵鋰和三元鋰電池。


表3 2017年全球前十動力電池企業主要電池類型


從中國市場來看,磷酸鐵鋰和三元電池當前依然是車用動力電池的主流,2016年和2017年裝機占市場總量的94.5%和93.3%。


圖53 2016年(左)和2017年(右)中國不同材料動力電池裝機量占比23


2、磷酸鐵鋰和三元鋰電池還有一段發展期


經過一段時間的發展,磷酸鐵鋰和三元鋰電池的技術水平得到明顯提升。在成本方面,磷酸鐵鋰電池組價格從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。

圖54動力鋰電池電芯成本44(單位: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,系統能量密度160Wh/kg,2018年預計電池單體能量密度可達到230~250Wh/kg。


表4動力電池能量密度44(單位Wh/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作用,比如正極材料811、硅碳負極的研發,將會進一步提升鋰動力電池的能量密度,單體能量密度有望達到300Wh/kg,加上這兩種電池產業基礎強大,在產業中的競爭還將存在一定時期。


(二) 固態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。然而全固態鋰電池的能量密度提升潛力大,從理論上講更具可行性。


1、固態鋰電池的潛在技術優勢


固態鋰電池,與傳統鋰電池相比的最大特點在于其使用了固態電解質材料,當使用的電極和電解質材料均為固態、不含任何液態組分時,則為全固態鋰電池。固態電解質改變了鋰電池的傳統結構,隔膜、液態電解液等不再是必要組件,帶來巨大的技術優勢潛力。


 圖55 固態鋰電池與傳統鋰電池的技術原理示意圖


固態鋰電池的主要技術優勢體現在,一是安全性高,不含易燃易揮發有毒性的有機溶劑,不存在漏液問題,有望避免鋰枝晶的產生,大幅度降低電池燃燒、爆炸的風險。二是循環壽命長,不存在液態電解質在充放電循環過程中產生固體電解質界面膜的問題,目前研發的預期壽命是15000-20000次。三是能量密度高,傳統鋰電池中隔膜和電解液體積占比40%,固態電解質能大幅縮減電池正負極間距離,提高體積比能量,全固態鋰電池能量密度預估最大潛力值達900Wh/kg。四是系統比能量密度高,固態電解質無流動性,可實現內串聯組成高電壓單體,利于提升動力電池系統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,全固態金屬鋰電池是未來新型電池的研發方向。除此之外,固態電池的工作溫度范圍、電化學穩定窗口寬,并且具備薄膜化、柔性化的潛力。


2、全球企業紛紛布局固態電池,爭奪先機


由于當前磷酸鐵鋰和三元鋰電池自身的瓶頸,以及固態電池的潛在優勢,歐美、日韓、中國等國家的涉及動力電池、汽車及能源方面的產業鏈上眾多企業正在積極布局和研發固態電池。

  

圖56 國內外固態電池布局典型案例


總體上,歐美國家主要是立足于固態電池技術的創業型公司,日本主要以傳統車企、機械企業為主的電池技術創新。中國的企業相對來說進入固態鋰電池領域的時間較晚,且主要以科研機構或院校為支撐,產業化進程較慢。

研發方面,國內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、循環壽命也亟待進一步提升。固態鋰電池根據固態電解質分為三條技術路線,分別為聚合物、氧化物與硫化物固態電解質,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鋰電池,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電解質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鋰電池和復合固態鋰電池的研究。


3、技術和產業壁壘亟待突破


經過企業與研究機構的攻關,目前固態電池技術已經得到突破,能量密度超過300Wh/kg,但基本都是實驗室產品,距離產業化還有一定的距離。


在技術層面,固態電解質離子導電率、固/固界面相容性和穩定性仍是兩大制約問題。聚合物電解質的導電性在常溫下較低,一般需要加熱至60oC以上才能正常工作,如法國Bolloré則采用聚合物電解質與電池加熱的技術路線;硫化物電解質的導電率目前與傳統鋰電池的水平相當,但仍需突破界面相性問題,主要通過材料合成和納米層技術增大活性物質的量、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中,有望實現全固態鋰金屬電池的應用,屆時能量密度、容量、倍率性能、安全性能及循環壽命將有巨大的突破。


在產業化層面,未能實現規模化生產的困境主要在于生產設備、生產工藝與生產線環境。比如固態電池制備中的疊片、涂布、封裝工藝需要定制化的高精度設備,并且生產線環境也需要保持更高級別的干燥間。只有當規模化生產實現產量與產能的提升后,固態鋰電池的成本才得以下降。


整體上來看,固態鋰電池的生產制備成熟度還亟待加強,規模化、自動化的生產線還需要進一步研發,目前仍處于行業積累期。固態電池總體發展路徑為,受制于固/固界面穩定性問題,液態電解質的含量逐步減少,由液態→半固態→固液混合→固態→全固態電池過渡;在全固態鋰金屬電池發展上,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。隨著研發技術和工業生產方面的發展,固態電池的性能與生產將逐步優化,在動力電池市場迎來機遇。


(三) 潛在技術的替代者依然存在


除了對當前鋰電池的改善及固態電池的布局,在動力電池技術創新中,國內外企業和機構/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,為動力電池性能的提升提供了有力參考。


表5國內外新型電池研發情況


通過對收集的典型創新案例技術指標梳理,可以發現,目前一些產品的關鍵指標已經得到提升。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,固態電池達到360Wh/kg;在充電倍率方面,典型創新性產品最高充電倍率已經超過100C。在循環壽命方面,典型創新產品已經能夠超過15000次。


圖 57典型創新產品能量密度(單位:Wh/kg)

圖 58典型創新材料和產品充電倍率49(單位:C)

圖 59典型創新產品循環壽命49(單位:次)


新型電池具備許多優勢,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,二是產業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勢。


但目前動力電池創新性產品一般都是實驗室產品,新型電池在下一步產業化進程中,還面臨許多挑戰。比如鋰硫電池安全性低、體積比能量低、放電倍率低、能量轉換效率低和循環次數低,短時間很難在車用領域得到應用。總的來說,目前這些研究雖然處于實驗階段,距離產業化較遠,是否能夠在一定時期替換現有體系電池在業界也存在爭議。但毫無疑問這些電池有望打破當前動力電池的一些技術瓶頸、降低電池成本,創造更長續航里程,在動力電池產業發展過程中,這些電池不容忽視。


(四) 小結


從技術發展來看,當前三元和磷酸鐵鋰電池已經主導了車用動力電池市場,三元和磷酸鐵鋰電池成為主流企業的主要技術路線,企業并在進一步布局這兩種技術路線。從發展來看,三元和磷酸鐵鋰電池技術已經取得了突破,但是技術還有進一步提升的空間,在產業競爭中還將持續一段時間。


從新電池技術布局來看,固態電池具有技術優勢,能夠解決當前產業面臨的許多問題,國內外企業爭先布局并取得了技術突破。但從產業發展來看,固態電池現處于行業積累期,還有技術和產業配套諸多問題亟待解決。


另一方面,除了對當前鋰電池的改善及固態電池的布局,許多研究機構也在研發鋰硫、鋰空氣電池等新一代電池,并且在某些技術方面取得突破,為電池產業的發展提供了有利參考。但總的來說,這些研究基本處于實驗階段,距離產業化較遠,并且在產業界也存在許多爭議,但不可否認的是問這些電池有望打破當前動力電池的一些瓶頸,在產業發展中仍不容忽視。


電池企業在提升現有技術路線產品性能的同時,也應該積極布局下一代電池的研發,以便在下一輪競爭中占據主導權。政府部門應該通過科技計劃(專項、基金)、相關創新工程及高新技術產業發展專項等多種途徑,鼓勵企業、研究機構及高等院校等在動力電池關鍵材料、電池單體和系統關鍵技術的研發,并積極推動固態電池、鋰硫電池、金屬空氣電池等新產品及新材料的制備、生產工藝、檢測等關鍵技術和裝備的工程化和產業化,推進全產業鏈工程技術能力建設,并推動動力電池新技術新產品在示范推廣工程中的應用。

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