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三公大吃小的技巧:未来动力锂电池技术的发展方向会是什么?

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下一代动力电池技术正在快速逼近,从系统结构设计到材料体系优化,中国动力电池企业开始展示出越来越强的底层创新能力。


动力电池技术创新背后,既有来自全球能源变革与新能源产业升级的驱动,同时也是电池企业参与市场竞逐的关键砝码。动力电池作为新能源汽车的基石部件,技术的创新突破也与产业升级空间息息相关。


一、锂电池技术路线


锂离子电池是指以锂为能量载体的二次电池(充电电池),充电时锂离子从正极脱出,经过电解液和隔膜,嵌入负极,放电发生相反过程,又称摇椅式电池。


锂离子电池按照正极材料不同分为磷酸铁锂电池和三元锂电池。


磷酸铁锂材料生产资源丰富,成本、循环寿命和热稳定性优于三元材料,适合于商用车、中低端乘用车、储能等领域。三元锂电池理论比容量(能量密度)比磷酸铁锂高60%,充电倍率更高,低温性能好,适合于中高端乘用车等领域。

锂离子电池按照封装工艺不同分为方形电池、软包电池和圆柱电池。


方形电池优点是封装可靠度较高、结构简单、单体能量密度较高、系统成组效率较高、稳定性相对较好,缺点是型号多,工艺难统一,单体差异性较大,使系统寿命低于单体寿命。


软包电池采用铝塑膜包装,优点是能量密度较高,电池内组小、循环寿命长,缺点是高端铝塑膜依赖进口、生产效率低、成品率不高。


圆柱电池硬壳封装可靠度较高,优点是电池一致性较高,工艺成熟,成本较低,电池产品良率、散热性能较好,但缺点是成组后散热设计难度大,系统能量密度较低。


二、动力锂电池技术路线


磷酸铁锂动力电池重回主导地位。近三年内,随着政策补贴力度下降,磷酸铁锂在成本、安全方面的优势逐渐显现,市场装机快速上升,市场占比逐年提升,2021年实现对三元电池装机量的反超,2022年上半动力电池份额增至到55%。


中国动力电池装机量保持高速增长势态,到2025年年均复合增长率达到49%。受中国新能源汽车快速增长拉动,中国动力电池装机量2022年上半年达到110.1GWh,同比增长109.8%,预计2022年装机量超过280GWh,2025年将超过750GWh。


高比能量方面,三元软包电池单体能量密度最高到达300Wh/kg。目前三元方壳电池单体比能量已接近300Wh/kg,系统能量密度达到255Wh/kg。磷酸铁锂刀片(方形)电池能量密度接近170Wh/kg,系统能量密度超过140Wh/kg。三元软包电池比能量已达到300Wh/kg,系统能量密度达到接近220Wh/kg。


高安全方面,现阶段主要通过使用本体安全、过程安全、消防安全三种方式提升电芯安全性能。本体安全主要依靠难燃和不燃电解液、高熔点隔膜和正极材料改性和包覆来提高电池的本体安全。


长寿命方面,磷酸铁锂电池使用寿命普遍高于三元电池。磷酸铁锂刀片电池使用寿命超过5000次,其次是三元软包电池,使用寿命超过3000次,再次是方形电池,使用寿命超过2000次,圆柱电池使用寿命稍低,约1000次左右。


快充性能方面,三元电池倍率均在由目前的2C左右向5C倍率发展,充电时间缩短60%。多家企业在提升三元电池补能速度,通过提升充电电压和电池大电流耐受度,提升电池快充性能。


三、动力锂电池技术发展形势

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当前三元和磷酸铁锂电池技术成熟度高


1、三元和磷酸铁锂电池为企业布局重点


在车用动力电池领域,锂电池已经成为主流。目前国际主流动力电池企业主要电池类型基本为磷酸铁锂和三元锂电池。


从中国市场来看,磷酸铁锂和三元电池当前依然是车用动力电池的主流,2016年和2017年装机占市场总量的94.5%和93.3%。


2、磷酸铁锂和三元锂电池还有一段发展期


经过一段时间的发展,磷酸铁锂和三元锂电池的技术水平得到明显提升。在成本方面,磷酸铁锂电池组价格从2017年年初的1.8-1.9元/Wh下降到年底的1.45-1.55元/Wh。三元动力电池包价格从年初的1.7-1.8元/Wh下降到年底的1.4-1.5元/Wh。


在能量密度方面,2017年底,基于NCM622材料电池单体能量密度超过200Wh/kg,系统能量密度160Wh/kg,2018年预计电池单体能量密度可达到230~250Wh/kg。


这两种电池还有一定的提升空间,尤其是新一代材料对电池性能的提升作用,比如正极材料811、硅碳负极的研发,将会进一步提升锂动力电池的能量密度,单体能量密度有望达到300Wh/kg,加上这两种电池产业基础强大,在产业中的竞争还将存在一定时期。

固态电池成为目前布局重点


1、固态锂电池的潜在技术优势


固态锂电池,与传统锂电池相比的最大特点在于其使用了固态电解质材料,当使用的电极和电解质材料均为固态、不含任何液态组分时,则为全固态锂电池。固态电解质改变了锂电池的传统结构,隔膜、液态电解液等不再是必要组件,带来巨大的技术优势潜力


固态锂电池的主要技术优势体现在,一是安全性高,不含易燃易挥发有毒性的有机溶剂,不存在漏液问题,有望避免锂枝晶的产生,大幅度降低电池燃烧、爆炸的风险。二是循环寿命长,不存在液态电解质在充放电循环过程中产生固体电解质界面膜的问题,目前研发的预期寿命是15000-20000次。三是能量密度高,传统锂电池中隔膜和电解液体积占比40%,固态电解质能大幅缩减电池正负极间距离,提高体积比能量,全固态锂电池能量密度预估最大潜力值达900Wh/kg。四是系统比能量密度高,固态电解质无流动性,可实现内串联组成高电压单体,利于提升动力电池系统成组效率和能量密度。五是正负极材料选择范围宽,可同时兼用金属锂负极和高电势正极材料等新技术,全固态金属锂电池是未来新型电池的研发方向。除此之外,固态电池的工作温度范围、电化学稳定窗口宽,并且具备薄膜化、柔性化的潜力。


2、全球企业纷纷布局固态电池,争夺先机


由于当前磷酸铁锂和三元锂电池自身的瓶颈,以及固态电池的潜在优势,欧美、日韩、中国等国家的涉及动力电池、汽车及能源方面的产业链上众多企业正在积极布局和研发固态电池。


总体上,欧美国家主要是立足于固态电池技术的创业型公司,日本主要以传统车企、机械企业为主的电池技术创新。中国的企业相对来说进入固态锂电池领域的时间较晚,且主要以科研机构或院校为支撑,产业化进程较慢。


研发方面,国内主力为中科院的科研机构,有一定积累并与国外基本处于同一水平,但能量密度距离理论值仍有较大的提高空间,离子导电率、循环寿命也亟待进一步提升。固态锂电池根据固态电解质分为三条技术路线,分别为聚合物、氧化物与硫化物固态电解质,各科研机构采用的技术路线并不相同。其中,中科院青岛能源所与中科院化学所两家主攻聚合物固态锂电池,前者的实验样品能量密度达300Wh/kg,并首次完成深海测试,后者则突破了聚合物固态电解质室温下低导电率的瓶颈;中科院物理研究所的研究特色在于掌握原位形成技术,研制的10Ah软包电池能量密度达310-390Wh/kg,体积比能量达800-890Wh/L;中科院宁波材料所、上海硅酸盐研究所分别聚焦于无机固态锂电池和复合固态锂电池的研究。


来源:​钜大LARGE,电力电子技术与新能源,高工锂电网

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