电动汽车

动力电池技术展望

2020-05-20 10:28:29 新能源Leader 作者:新能源Leader

近年来在中国新能源产业政策的推动下,新能源产业迎来了高速发展期,作为新能源汽车核心部件的动力电池产业也迎来了属于自己的高光时刻,涌现了包括宁德时代、比亚迪等在内的一大批具有国际竞争力的领先动力电池企业,而宁德时代更是击败了行业巨头松下公司,成为全球出货第一的动力电池厂商。可以说过去的十年是中国动力电池行业辉煌的十年,那么下个十年中国动力电池行业将何去何从?

(来源:公众号“新能源Leader”ID:newenergy-leader 作者:新能源Leader)

众所周知,锂离子电池最早由日本实现商业化,因此长期以来日本在全球锂离子电池的商业版图中占据重要的位置,例如日本的松下、汤浅等都是全球著名的锂离子电池生产商,其中松下公司借助特斯拉的东风更是一举坐上全球出货量第一的宝座,虽然近年来双方的关系并不融洽,但是特斯拉短时间内仍然无法摆脱松下的影响。不仅如此,作为老牌的锂离子电池强国,日本在锂电技术储备上也绝对可以傲视群雄,NCA材料就是由日本开发,成为目前唯一能够与三元NCM材料抗衡的材料,相关研究表明NCA材料循环寿命、过渡金属元素溶解方面相对于NCM材料还具有一定的优势。近年来随着动力电池能量密度的持续提升,容量较高的NCA材料也逐渐引起了动力电池厂商的重视,而NCA材料生产技术目前主要掌握在日本产商手中,例如住友化学、日本化学和户田化学等都是全球主要的NCA材料供应商,韩国厂商Ecopro和GSEM也有少量产品在销售,虽然近年来国内原材料厂商也在NCA材料上开始发力,但是在一些技术指标和相关专利上,相较于日本还有较大的差距。

韩国在锂离子电池技术上紧跟日本步伐,也涌现了例如三星SDI、SK Innovation、LG Chem在内的国际领先的动力电池厂商,根据韩国市场调研机构SNE Research近日发布的数据,在2020年第一季度LG化学在全球动力市场的占有率从10.7%跃升至27.1%,超越松下和宁德时代,首次成为全球最大的动力电池厂商,三星SDI则凭借着6%的全球市场占有率排名第4,SK Innovation则凭借着4.5%的市场占有率排名第7,韩国动力电池正在以欧美市场为阵地,发力全球动力电池市场。

中国动力电池市场则在新能源汽车产业政策的扶持下实现了快速发展,涌现了宁德时代、比亚迪等具有代表性的动力电池厂商,宁德时代虽然在2020年第一季度出货量被LG反超,但是在此之前宁德时代已经连续三年稳居全球动力电池出货量第一的宝座,占据中国动力电池市场的半数份额,而在今年2月份宁德时代拿下了特斯拉的“大单”,重回全球出货量第一宝座之日可待。

目前全球动力电池市场基本形成了中、日、韩三足鼎立的格局,其中中国是全球最具活力的动力电池市场,2017年中国市场动力电池产量达到了88.7GWh,年化增长率达到了29.3%,其中动力电池为44.5GWh,超越了传统的3C消费电子,成为锂离子电池市场的主力。

随着动力电池市场的快速发展,传统的LCO材料正在逐渐被三元正极材料所取代,包括特斯拉在内的众多新能源汽车厂商为了更长的续航里程,纷纷采用了三元体系的动力电池,其中特斯拉采用的就是由日本松下提供的NCA体系的18650电池和21700电池。

三元材料之所以被称之为三元材料主要是因为其中过渡金属元素主要由三种,目前主流的三元材料主要有两类:LiNixCoyMn1-x-yO2(NCM)和LiNixCoyAl1-x-yO2(NCA),三元材料的容量随着镍含量的增加而提高,NCM622材料的比容量可以达到170mAh/g左右,NCM811材料的比容量则可以达到190mAh/g以上,远高于传统的LCO材料,同时三元材料中的Co含量大幅降低,使得材料的价格显著降低,同时三元材料相比于LCO材料还具有更好的循环寿命,这些优势使得三元材料在动力电池领域迅速站稳了脚跟。目前三元材料的发展趋势主要有以下几点:

1.高镍化

这一点不难理解,三元材料的比容量随着Ni含量的提升而提升,为了获得更高的容量,提升Ni含量是最有效的办法,目前NCM811的技术已经相对比较成熟,材料的比容量可达190mAh/g以上,为了进一步提升材料的比容量,广大材料厂家正在开发Ni含量达到0.9,甚至更高的三元体系材料。

2.单晶材料

高镍三元材料虽然容量很高,但是高镍三元材料的晶体结构稳定性较差,特别是在高电压下容易发生析氧反应,引起材料的表面相变,单晶化是解决这一问题的有效方法,单晶材料能够有效的提升材料自身的结构稳定性,同时较小的比表面积也能够减少界面副反应的发生,从而显著的提升材料的循环性能。

欧美等国家现阶段在锂离子电池技术已经处于下风,短时间内追赶无望,所以欧美瞄准了下一代锂离子电池技术。全固态电池是目前研究最多,也得到最多认可的下一代锂离子电池技术,固态电解质替代传统的液态有机电解质,能够在一定程度上解决传统锂离子电池安全性较差的问题。目前固态电解质基本上可以分为三大类

1.聚合物电解质

以PEO为代表的聚合物电解质是人们最早开发的固态电解质,聚合物电解质具有良好的塑性,因此比较容易解决固态电解质存在的界面接触问题,因此也得到了最多的关注,但是聚合物电解质本身常温电导率较低,一般需要加热到60℃以上使用,同时聚合物电解质抗氧化性较差,因此无法匹配高电压正极啊材料,这也导致了聚合物电解质的应用受到了很大的限制。

2.无机氧化物电解质

无机氧化物电解质,例如LLZO等材料相比于传统的聚合物电解质具有很好的常温电导率,同时氧化物电解质在高电压下的稳定性也更好,因此也得到了广泛的关注,但是氧化物电解质与电极的界面接触较差,为了解决界面接触问题,高温烧结是常见的方法,但是这可能会引起正极材料的分解,同时也大大增加了工艺的复杂性,同时氧化物固态电解质高昂的价格也限制了其大规模的应用。

3.硫化物电解质

硫化物电解质突出特点是其电导率高,在室温下的电导率与传统的碳酸酯类业态电解质持平,因此硫化物固态电解质也被寄予厚望,但是硫化物电解质也存在固态电解质的通病——界面接触差,采用硫化物电解质的电池往往需要施加巨大的压力才能正常的工作,同时硫化物电解质在空气中水分作用下会发生分解,释放H2S有毒气体,因此硫化物固态电解质对于生产环境的要求极高,这也导致了成本的升高。

经过多年的技术发展,动力电池的市场已经超越了3C消费电子类锂离子电池,三元材料也取代了传统的LCO材料成为动力电池主流的正极材料,更高的能量密度是未来动力电池发展的主要方向,为了满足这一目标,高镍化、单晶化是未来正极材料发展的重要趋势,而在下一代电池技术上,固态电池是目前最为成熟的技术,整体上来看聚合物电解质良好的加工性能和低廉的价格是未来较有希望的一种固态电解质。


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