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锂电池发展亮点纷呈:硅碳负极、全固态、钛酸锂、软包、超级电容……

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来源:分析师 时间:2017-05-19 09:52:32 访问:451 次
摘要: 新能源汽车产业的发展还有很长的路要走。这个产业的发展不仅需要政策推动,更需要科技创新提供动力。我们认为,前文所述的每一种锂电技术流派都有其适用的应用领域,在产业化实践摸索中,这些技术将持续获得改进。
  新能源汽车产业的发展,需要科技创新提供动力。每一种锂电技术流派都有其适用的应用领域,未来将在产业化实践中逐步改进。

  根据工信部公布的数据,2016年,我国新能源汽车产量为51.7万辆,仅占汽车行业总产量(2,811.9万辆)的1.84%左右。相对于传统燃油汽车,新能源汽车还处于发展初期,目前仍存在某些问题,比如续航里程短、充电时间长、安全性不够等。在电动汽车的结构中,电池的地位举足轻重。我们判断,未来电池将更加注重高比能、轻量化、快充、安全等性能,业界也在尝试各种材料,针对表15中的不同应用研制合适的电池。



  关于未来几年动力锂电池的发展趋势,我们做了一些研究,分享如下,欢迎读者与我们互动探讨。

  趋势一:负极将是能量密度提升的关键

  2017年4月6日,工信部、发改委、科技部联合印发《汽车产业中长期发展规划》。近年来我国新能源汽车技术水平大幅提升,产业规模快速扩大,产业链日趋完善,有望成为抢占先机、赶超发展的突破口。我们认为,《规划》的出台对于规范引导新能源汽车产业发展具有重要意义。对于动力锂电池,该《规划》提出,到2020年,新能源汽车年产销达到200万辆,动力电池单体比能量达到300瓦时/公斤以上,力争实现350瓦时/公斤,系统比能量力争达到260瓦时/公斤、成本降至1元/瓦时以下。到2025年,新能源汽车占汽车产销20%以上,动力电池系统比能量达到350瓦时/公斤。我们认为,上述目标将促使产业界通过新材料应用、工艺改进等方式提升动力电池性能。

  目前锂离子电池负极材料主要包括石墨碳、硅的复合物、锡与碳的复合物、钛氧化物、金属锂等,主要的性能指标比较如表16所示,其中,硅/锡/碳、金属锂的比容量相对于石墨实现了质的提升,将是未来高比能锂电的新选择,而钛氧化物(钛酸锂材料)主要提高循环及快充性能。



  国外许多电池公司早就开始尝试新的负极材料,例如松下、ENEVATE、amprius等已开始生产以硅碳复合物为负极的锂离子电池,ionic、OXis、SionPower等开始生产锂硫电池,SolidEnegy等开始探索以锂金属为负极的高镍三元电池,能量密度已经达到400——500Wh/kg,如图15所示。



  趋势二:软包电池将是电池轻量化趋势

  目前锂离子电池主要方形、圆柱、软包三大类,其中方形和圆柱的外壳主要采用铝合金、不锈钢等硬壳,而软包的外壳则采用铝塑膜,这是他们的本质区别,如表17所示,性能方面软包锂电池的主要优势包括:

  (1)安全性能好:软包电池电解液较少漏液,且在发生安全隐患的情况下软包电池会鼓气裂开,而不像硬壳电池那样内压过大会发生爆炸;

  (2)重量轻:软包电池重量较同等容量的钢壳方形电池轻40%,较铝壳方形电池轻20%;

  (3)电池容量大:软包节约体积20%,较同等规格尺寸的钢壳电池容量高50%,较铝壳电池高20——30%;

  (4)循环性能好:软包电池的循环寿命更长,100次循环衰减比铝壳少4%——7%;

  (5)内阻小:软包电池的内阻较锂电池小,国内最小可做到35mΩ以下,极大地降低电池的自耗电;

  (6)设计灵活:可根据客户需求定制外形,可以做更薄,普通铝壳只能做到4mm,软包可以做到0.5mm。



  我们认为,在性能方面软包电池更具综合优势,未来应用前景广阔:

  1)软包电池更轻更薄,适合便携式、对空间或厚度要求高的应用领域,例如3C消费类电子产品;

  2)虽然方形电池的单体容量高,但又重又大,而软包电池在能量密度方面优势明显,而且目前单体电芯也在往大容量、高倍率方向发展,将更符合新能源汽车等领域对移动电源的要求;

  3)虽然圆柱电池的生产工艺成熟、能量密度优势明显,但由于单体电芯的容量很小,故相同容量大小的电池Pack需要更多的电芯,例如特斯拉ModelS的电池Pack容量为85kWh,大约有7000多颗18650型圆柱电芯,这对电池管理系统BMS要求非常高,且电芯一致性较难控制,所以系统能量密度相对单体电芯下降比较明显,而软包电池的单体容

  量大,对BMS的要求较低,介于国内甚至全球大多数BMS配套能力有限,大容量的电池Pack不会过多采用圆柱电池,另外,圆柱电池因能量密度太高导致安全性较差,且硬壳导致内压大,常发生爆炸事件,则软包电池则具有明显优势。

  全球动力电池厂商中有超过6成采用了方形电池结构,代表车型包括三菱iMiEV,宝马i3,丰田Pruis等;而特斯拉ModelS采用的松下18650型电池则是圆柱动力电池的代表;软包电池的占比高于圆柱,代表车型则是日产Leaf、通用雪佛兰Volt、宝马等,如表18所示,主要供应商有日本AESC、LG化学、A123等。



  这些年国内如东风、众泰、北汽新能源、比亚迪等主流电动车企也纷纷开始尝试软包动力电池,主要供应商有ATL、微宏动力、多氟多、中航锂电、卡耐新能源等,近期亿纬锂能、山东恒宇、苏州宇量等也开始大力投建软包动力电池生产线。我们认为,随着电池路线的发展,软包的渗透率将不断提升,未来市场份额有望达到40%——50%。布局软包电池的相关标的包括(但不限于):多氟多、亿纬锂能等。


  趋势三:钛酸锂电池引领锂电快充时代

  目前商业化的锂电负极材料主要采用石墨碳,其指标性能优势比较均衡,如图16所示,但是碳电极与金属锂的电位接近,当电池过充电时容易在碳电极表面析出金属锂形成锂枝晶,锂枝晶会刺穿隔膜引起短路等造成安全隐患问题。同时,碳负极电池在首次化成时电极表面还原形成表面膜(SEI膜),SEI膜的形成和修复过程会消耗电解液,造成不

  可逆容量加大,电池衰减加剧从而影响电池使用寿命。钛酸锂则恰好弥补了石墨的一些缺陷,具有以下优势:

  1)高安全性,插锂电位高(1.55V),不生产锂枝晶,充电态和放电态下都具有极高热稳定性;

  2)长寿命,零应变材料,寿命极长(可达多3万次以上),不姓陈传统意义上的SEI膜;

  3)可快充,尖晶石型结构,十倍于锂离子扩散系数,充电时间仅需6——15分钟;

  4)温度范围广,-40——60℃可充可放,DOD≥60%;

  5)低成本,可用铝箔作集电极,生产成品率高。



  目前已具备钛酸锂电池生产能力的国内企业包括湖州微宏动力有限公司、珠海银隆新能源有限公司、中信国安盟固利电源技术有限公司、安徽天康(集团)股份有限公司等,产品要应用于快充型纯电动客车、插电式混合动力客车、双源无轨电车等。

  趋势四:全固态电池将突破能量密度瓶颈

  全固态锂电池具有安全性能高、循环寿命长、工作温度范围宽、无需隔膜等优点,除此之外,相比于传统的锂离子电池还具有以下优势:

  ①固体电解质具有较高的电化学窗口,适应于高电压型电极材料,并可通过多层堆垛技术实现内部串联,获得更高的输出电压;

  ②全固态锂电池全部使用固体材料,具有更高的封装效率,且采用物理方法制备,类似半导体工艺,具备成熟的生产方式;

  ③可制备薄膜电池和柔性电池,未来可应用于智能穿戴和可植入式医疗设备等领域。目前全固态电池的主要缺点在于单体容量较小、电导率较低、成本暂时较高。

  将来若要把锂电池的能量密度提升到500Wh/kg以上,需要新的变革性蓄电技术,比如,锂硫电池、锂空电池,这两类电池的负极都是金属锂,正极活性物质分别是硫或空气。可充放锂硫电池和锂空电池的研究都已经经历了数十年,由于之前一直采用液体电解质,金属锂负极的稳定性难以解决,随着固态电池的应用,这一问题将得以克服。

  国内在全固态锂电池领域的拓展还处于初期阶段,主要有以下企业在推进产业化:

  1)珈伟股份,通过与哈佛等一流大学的科学家合作,采用材料基因组技术,成功研制出高性能的全固态锂电池(有机无机掺杂),目前已建成中试线进行小批量生产,能量密度达到300Wh/kg,公司将投入10-12亿建设一期2——2.5亿安时产能,预计2017年底或2018年初投产,可实现年收入20亿元,后续计划再投入40-50亿建设二期10亿安时产能,可实现年收入80-100亿元;

  2)中天科技集团,2015年5月与中国科学院青岛生物能源与过程研究所签订“高性能固态锂金属电池的开发”协议,计划用三年的时间合作开发高安全性单体容量为10Ah的全固态锂电池,能量密度大于250Wh/kg;

  3)赣锋锂业,2016年11月与中国科学院宁波材料技术与工程研究所签订“高锂离子电导率固体电解质材料中试技术研发”的成果产业化合作协议。

  此外,苹果、谷歌等国外多家研究机构也在进一步研发全固态薄膜电池,其与一般的薄膜电池的比较如表19所示,其循环寿命、能量密度、安全性等方面都具有较大优势。


  趋势五:锂离子超级电容将突破功率密度瓶颈

  锂离子超级电容器是根据非对称型电化学超级电容器的思路,一极是双电层电极,另一极则采用二次电池的电极,电极过程存在法拉第反应,通过加入二次电极,可以大大提高电容器的能量密度,如图17所示。

  性能方面,锂离子超级电容在功率密度方面相当突出,且循环寿命相当长,如表20所示,可满足快充快放、多充多放的需求,比如飞机、轨交等领域,是能量短时间回收再释放的良好载体。

  布局锂离子超级电容的相关标的包括(但不限于):江海股份、中国中车。



  据媒体报道,中国中车新能源(超级电容)全球研发制造基地开工奠基仪式于2016年底在宁波中车产业基地内举行,计划总投资18亿元,前期已投资近5亿元,本次建设投资1.99亿元人民币,建筑面积3.5万平方米,拟于2018年2月建成投产,同时规划建立国家级超级电容研究中心和国家级实验室,并打造成为国际先进的智能化制造工厂。

  图18为正在充电的中国中车锂离子超级电容公交车。



  新能源汽车产业的发展还有很长的路要走。这个产业的发展不仅需要政策推动,更需要科技创新提供动力。我们认为,前文所述的每一种锂电技术流派都有其适用的应用领域,在产业化实践摸索中,这些技术将持续获得改进。

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【 责任编辑:赵云蕾 】

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