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【深度报道】比亚迪/CATL/国轩打响电池能量密度“攻坚战”三元材料能否成破局之锤?

来源:新材料在线|

发表时间:2017-03-21

点击:27942

续航里程已经成为新能源汽车消费者购买时关注的一大焦点,续航里程的长短不但决定着新能源汽车价格高低,同时在很大程度上也左右了消费者的购买意愿。而电池的能量密度提升在大幅增加新能源汽车续航里程的过程中发挥了关键的作用。


2017年3月1日,工信部、发改委、科技部和财政部四部委联合印发了《促进汽车动力电池产业发展行动方案》(下文简称《行动方案》),产品性能上提出2020年动力电池系统比能量达到260Wh/kg、成本降至1元/Wh以下,2025年动力电池单体比能量达500Wh/kg的目标。


据业内人士介绍,目前动力电池单体比能量约为150Wh/kg,系统比能量约为100Wh/kg,要实现260Wh/kg的目标具有一定的挑战性。政策此举何意?从关键材料层面分析,有哪些可以改进的措施呢?


三元材料的“进击”


根据正极材料的不同,动力锂电池一般分为磷酸铁锂电池、三元锂电池和锰酸锂电池等。不同种类的动力锂电池的性能不尽相同。磷酸铁锂电池安全耐用,国内许多电池厂商选择走这一路线。而三元锂电池具有较高的比能量,能更好地迎合市场对于续航里程的需求。目前,磷酸铁锂电池和三元锂电池的市场占有率分别是70%与25%。


三种动力用正极材料性能对比

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图表来源:赛瑞研究


从市场表现上看,三元材料、铜箔等材料产销节节升高。据不完全统计,去年五月至今,三元材料扩产项目达到19个。三元材料主要由镍、钴、锰、铝等金属材料组成。受刚果下调钴矿产量和出口量等原因影响,钴产品供给收缩,钴酸锂价格不断上涨。有数据显示,钴酸锂成本自去年9月份上涨了21.2万/吨。三元原材料供不应求,缺口巨大,价格呈现持续上升趋势。


近期钴MB 报价走势

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国内三元动力电池钴需求量预测(吨)

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来源:中华商务网,中泰证券研究所


作为锂电池组成部件之一的锂电铜箔亦供不应求,迎来了涨价潮。国内铜箔产品产量相对较低,一般不能完全满足锂电池厂商的需求,需要从国外进口部分产品,同时国内也缺乏中高端铜箔,比如高强度高韧性、能提高能量密度的超薄铜箔。券商预计2017年底之前仍将处于供给紧张状态。


从三元等材料的供不应求,不难看出市场对高能量密度材料的急切需求。


三元动力电池需求及占比预测(单位:GWh)

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来源:公开资料整理


而从政策方面看,步入2017年,工信部发布的首批《新能源汽车推广应用推荐车型目录》上出现5款搭载三元锂电池的新能源客车,意味着去年的“三元锂客车禁令”已解除。结合《行动方案》和2016中国汽车工程学会年会上发布的《节能与新能源汽车技术路线图》,不难看出国家正在大力引导动力电池产业的发展。多位业内人士认为,为了进一步推广新能源汽车,政策将严抓对动力电池能量密度的要求


一位不愿具名的电池业内人士告诉新材料在线,动力电池高能量密度化将是新能源汽车发展的方向之一。“同等条件下对比,锂电池的能量密度差汽油太多,新能源汽车的发展任重而道远。”


国轩高科总裁方建华曾表示:“伴随着电池技术发展,也需要国内向能量密度更高的锂电池过渡。”


解开能量密度困局

《行动方案》要求动力电池关键材料及零部件取得重大突破。到2020年,正负极、隔膜、电解液等关键材料及零部件达到国际一流水平,上游产业链实现均衡协调发展,形成具有核心竞争力的创新型骨干企业。


该方案对于电池比能量的要求势必会引发新一轮高能量密度材料热潮。远东福斯特新能源有限公司总经理蔡栋曾在接受采访时表示,在电池包的成本构成中,上游原材料占近70%的份额,部分原材料涨价让电池厂商束手无策。锂业分析师墨柯认为,在动力电池中成本占比约30%的三元材料逆市涨价,将给动力电池和汽车厂商带来不小的成本压力。


三元材料的扩产是为了响应政策和市场对于高能量密度电池的需求。那如果要达到《行动方案》上列出的目标,四大关键材料该做出怎样的改进呢?


“正极材料的话,一般会采用一些高能量密度的材料,比如高镍三元材料NCM811和NCA;负极则是硅碳材料;电解液方面,高电压电解液是提升锂电池能量密度的关键;隔膜的话,陶瓷涂覆隔膜技术或许也会有所助益。”宁波杉杉新材料科技有限公司技术部副部长顾凯在接受新材料在线采访时表示。


中国电子科技集团第18研究所电池检测中心主任肖成伟在“锂产业-新生态”国际高峰论坛中表示,正极材料有层状结构、尖晶石结构和橄榄石型结构,其中高密度的三元材料现在是研发产业化的热点。而负极材料方面有碳材料、金属氧化物材料、合金材料,其中在合金类的材料里面的硅碳负极材料是研发的热点。


据悉,比亚迪、CATL、国轩高科和天津力神等国内一线梯队的电池厂商都在加紧提高电池能量密度,主要也是通过改进正、负极等材料的性能来实现。其中,比亚迪将在正极采用高镍三元材料、负极采用氧化亚硅或纳米硅,目标是2018年电池比能量达到240Wh/kg,2020年达到300Wh/kg。CATL则将采用硅碳材料作为负极,“十三五”期间希望实现350Wh/kg的目标。


“这些其实都是走的先进技术路线。如果再大胆创新点,可以尝试石墨烯等前沿技术。当然,石墨烯目前只用做添加剂和导电剂,对降低电池内阻、提升电池倍率充放电性能和循环寿命等有一定帮助。”顾凯补充道,“电池能量密度的提高不仅仅是材料改进的问题,还要考虑电池系统集成技术等,是个复杂的问题。而且仅仅提高能量密度不一定能用在电动汽车上,还要兼顾电池寿命和安全性等。”


前沿科技值得期待

回顾过去,思寻当前,除了对现有的材料性能进行改善,有没有发现哪些材料将有助于电池领域的革新呢?


中国工程院陈立泉院士曾经公开表示:“下一代锂电池应是全固态锂电池,如果现在还不布局全固态锂电池,将会错失发展时机。”美国初创公司Sakti3就凭借固态电池技术获得了包括通用等巨头在内的多家公司的投资。近日,宝马亦宣布将研究开发固态电池技术。从技术角度看,这种电池使用的是固态电解质。固态电解质具有高安全和极好的高温稳定性,可匹配高电压材料,有助于提高电池能量密度。


石墨烯是目前最硬、最薄、导热导电性能优异的材料,被称为“黑金”和“万能材料”。在锂电池上,如果将石墨烯和炭黑混合后作为导电添加剂加入,可以有效降低电池内阻,提升电池倍率充放电性能和循环寿命。据悉,三星研究团队通过在电池的硅表面覆盖石墨烯制作一种新的“硅阴极材料”,把电池的能量密度提到高现有电池的2倍。华为也携手曼彻斯特大学的国家石墨烯研究院,期望能早日实现石墨烯电池的商业化。


而因为董明珠大热的钛酸锂材料也值得关注。它可以替代石墨作为负极材料。虽然能量密度不高,但钛酸锂可以让电池实现高倍率充放电,且安全性能优异,循环寿命长。据悉,银隆现在所研发的第四代高能量密度钛酸锂电池,与第三代相比成本下降40%,能量密度提高60%。业界乐观预计,未来钛酸锂电池可能将与三元锂电池和磷酸铁锂电池形成三足鼎立的局面。


业内人士表示,还有很多可应用于电池领域的材料,比如碳纳米管等。但这些技术大多尚处在实验室阶段,需要经过不断的萃取和检验,迈过商用门槛,才能踏入市场大门。

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