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动力锂电池行业研究之二:动力li电池分类与电芯生产

2018-04-25 10:45:47.0 来源:易三板研究院

动力锂电池主要是指动力锂离子电池。锂离子电池一般使用锂合金金属氧化物为正极材料,石墨为负极材料,中间填充非水电解液以形成离子游离的通道,用隔膜来分离正负极防止短路。锂电池充电时,由于电场作用锂离子从锂合金金属氧化物中游出,游离在电液中穿过隔膜中的孔隙,到达负极与负极材料反应生成碳化锂;放电过程与此相反,锂离子又回到正极,这就是锂离子电池的充放电过程。锂离子电池就是因锂离子在充放电时来回迁移而命名的。由于锂离子电池具有反复充电的能力,被作为主要的动力电池发展。

1、动力锂电池的分类

当前,动力锂电池的类型主要有磷酸铁锂电池、锰酸锂电池以及三元锂电池(镍钴锰/镍钴铝)等。从工信部公布的2018年前三批《新能源汽车推广应用推荐车型目录》来看,目前市场上主流动力电池为磷酸铁锂电池和三元材料电池,273种车型使用磷酸铁锂作为动力电池,占比达到58.71%;141种车型使用三元锂电池作为动力电池,占比30.32%;三元材料中,镍钴锰占比19.15%,其他三元材料占比80.85%;锰酸锂、钛酸锂、其他锂电池分别占比4.09%、0.43%和6.45%。

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磷酸铁锂电池

磷酸铁锂电池的全名是磷酸铁锂锂离子电池,磷酸铁锂电池是指使用磷酸铁锂作为正极材料、石墨作为负极材料的锂离子电池。

磷酸铁锂电池的使用寿命较长,一般情况下其循环寿命可以达到2000次以上,理论寿命可达7~8年。磷酸铁锂电池也具有高输出效率,其标准放电为2~5C,连续高电流放电可达10C,瞬间脉冲放电(10S)可达20C;而充电方面,若使用专用充电器,1.5C充电40分钟内即可使磷酸铁锂电池充满,起动电流可达2C。磷酸铁锂电池得到广泛推广的原因还在于其较低的成本,磷酸铁锂电池不含钴等贵重元素,原料为磷、铁,资源含量丰富且价格较低,成本相对容易控制。此外,磷酸铁锂电池在热稳定性方面也有着一定的优势,在所有锂电池中,磷酸铁锂电池的热稳定性最佳。其电热峰值可达350-500℃,当温度达到500℃左右时,内部化学成分才开始分解。这样的特性也使得磷酸铁锂电池的安全性得到了保证。

虽然磷酸铁锂电池有着上述优点,但它也有着不容忽视的缺陷。如能量密度低、低温性能差、电池成品率低、产品一致性差等。

三元锂电池

三元锂电池主要指正极材料使用镍钴锰、镍钴铝等三元材料,负极材料使用石墨的锂电池。目前使用三元锂电池的代表汽车或车型有特斯拉、吉利帝豪、北汽EV200、江淮iEV5、艾瑞泽7e、荣威Erx5等。

三元锂电池最大的优势在于电池能量密度高,其储能密度通常在200Wh/kg以上。根据国内三元材料18650圆柱电池龙头企业——比克电池提供的资料,其18650电池的能量密度已经达到了232Wh/kg,后续将会进一步提高至293Wh/kg。而相比之下,目前国内主流的磷酸铁锂电池能量密度也仅达到150Wh/kg左右。三元锂电池在该方面的表现对于新能源汽车轻量化设计趋势更加友好,也更适合现阶段新能源乘用车市场对续航里程的需求。

三元锂电池的缺点也同样突出。由于三元材料的高温结构不稳定,导致高温安全性差,其分解温度在250-350℃左右,此时内部化学成分开始分解,释放氧分子,在高温作用下电解液会迅速燃烧,增加电池发生自燃及爆炸的风险。因此搭载三元锂电池的车型对电池管理系统提出了极高的要求,在设计过程中需要做好过充保护、过放保护、过温保护和过流保护等。随着技术的进步,尤其是在应用了陶瓷隔膜之后,三元锂电池的安全问题已得到改善,由于其出色的综合表现,目前在市场上得到了大量应用。

锰酸锂电池

锰酸锂电池是指使用锰酸锂为正极材料的锂离子电池。锰酸锂电池是全球较早产业化、技术应用最为成熟的锂电池技术路线。

锰酸锂的优点是倍率性能好,制备比较容易。锰酸锂的容量比磷酸铁锂低约25%,但其电压比磷酸铁锂高15%,且锰酸锂的压实密度高约40%,因此锰酸锂的体积比能量高于磷酸铁锂25-30%。另外,由于锰酸锂不含贵金属,成本也较低。但另一方面,由于锰的溶解导致高温性能和循环性能不佳,使得锰酸锂电池的安全性较差。总的来说,锰酸锂电池成本低、稳定性强、低温性强、高温性能较差、衰减稍快。在对锰酸锂电池性能的改良上,目前技术上采用在锰酸锂中同时添加其他材料的手段形成改性电池,从而实现电池各项性能的均衡。

钛酸锂电池

钛酸锂电池是指使用磷酸铁锂、锰酸锂或三元材料、镍锰酸锂作为正极材料,使用钛酸锂作为负极材料的锂离子二次电池。目前,世界上仅有两家公司在钛酸锂电池领域掌握领先优势,一是日本东芝,二是珠海银隆。

采用钛酸锂作为负极材料的优缺点都十分明显。其优点在于电池循环寿命长、安全性高、可高倍率充放电(可快充)。钛酸锂电池是锂离子电池中寿命最长、安全最高的电池。论生命周期,普通锂离子电池约为1000—2000次循环,钛酸锂最高能达到3万次循环,是前者的15倍。缺点在于能量密度低、造价偏高、电池体积较大、一致性差、若快充的话对电网冲击较大。其中,能量密度偏低是钛酸锂电池的致命缺点,钛酸锂电池的能量密度(90 wh/kg)低于其他类型的动力电池。受制于这一因素,该技术很难应用于新能源乘用车(轻型车)上,目前主要应用于储能系统、机器人行业以及少量公交车上,因为应用范围局限,钛酸锂电池在全球锂电池中仅占比2%。在价格方面,钛酸锂的价格比磷酸铁锂和三元材料贵两三倍以上。

目前,珠海银隆正在积极研发具有高能量密度的钛酸锂电池。据报道,珠海银隆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%。另外,银隆还掌握了氢钛研发这一核心技术,将有效解决电池能量密度的问题,通过钛酸锂电池和燃料电池的两者结合,解决新能源汽车续航里程的难题。

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整体来看,三元材料具有高能量密度的优势,主要应用在乘用车领域,随着其安全性能方面实现技术突破,三元电池将会迎来大范围的推广应用。磷酸铁锂电池因其成本低、安全性及抗衰退能力可以广泛应用于市内商用车领域及部分乘用车领域。

目前锰酸锂电池主要应用在客车领域,若国内企业能很好地解决高温性能、循环寿命和能量密度的问题,锰酸锂电池市场或将迎来快速发展周期。钛锂电池因其抗低温能力强,北方地区将会成为其潜在市场,同时目前省际客运及省级物流车领域市场也几乎处于一片空白,拥有高安全性及快充能力的钛锂电池也是这一市场的最佳选择。综合来看,四种电池各有其特点,短期内不会出现一种电池完全替代另一种电池的可能。

未来发展

从整个电池体系发展来看,高能量密度和低成本是汽车动力电池一直努力的方向。2017年工信部发布的《中国汽车产业中长期发展规划》提出2020年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年动力电池系统比能量达到350瓦时/公斤。面向2020年的动力电池,目前国内新能源专项里面主要有三个技术团队:宁德时代、天津力神、国轩高科,采用的路线主要是正极材料为高镍三元(三元材料中镍、钴、锰比例由3:3:3转向6:2:2即为高镍,再转变到 8:1:1)、负极材料为硅碳,300 瓦时/公斤能量密度指标已经实现且接近应用要求,以宁德时代为例,其产品循环寿命基本上在1000 次左右,能量密度最高达到304瓦时/公斤。

面向2025年的动力电池,主要是通过改变动力电池正极来提高电池能量密度比,目前新能源汽车重点专项取得突破性进展的是高容量富锂锰基正极材料。国内承担该前沿基础项目的研究单位有物理所和北京大学团队,物理所的技术路线是改善富锂锰基正极循环的电压衰减,北京大学团队是通过研制比容量400毫安时/克的富锂锰基正极。

此外,更加前沿的技术路线是全固态锂电池。全固态锂电池是一种在工作温度区间内所使用的电极和电解质材料均呈固态、不含任何液态组份的锂电池。全固态锂电池有几个潜在的技术优势:

一、高能量密度,使用了全固态电解质后,锂离子电池的适用材料体系也会发生改变,其中核心的一点就是可以不必使用嵌锂的石墨负极,而是直接使用金属锂来做负极,这样可以明显减轻负极材料的用量,使得整个电池的能量密度有明显提高,一些实验室中可以小规模批量试制的全固态锂电池能量密度达到300-400Wh/kg;

二、安全性更高,全固态锂电池避免了有机溶剂作为电解质引发电解液燃烧问题;

三、正极材料选择范围宽,因为负极是锂金属,正极材料可以选择不含锂的材料;

四、体积小和柔性化的前景也是全固态锂电池的特色,经过进一步的优化,全固态锂电池可以适应各种新型小尺寸智能电子设备的应用。

尽管全固态锂电池存在诸多优点,但是当前全固态锂电池的发展仍然面临着诸多挑战。

一是全固态电解质材料的离子电导率偏低且固、固界面接触性、稳定性较差;

二是成本偏高,制备工艺复杂,技术不够成熟;

三是由于全固态电池的倍率性能整体偏低,内阻较大,高倍率放电时压降较大,快充难度较大。基于上述问题,当前全固态锂电池仍处于研究阶段,无法确定商业化的时间表。

随着固态电池的研发产业化持续升温,各大电池行业领军企业都在积极布局固态电池的储备研发,技术成熟度较高、技术沉淀较深的当属法国的Bolloré、美国Sakti3和日本丰田,国内宁德时代正在布局全固态锂电池的研发项目。

2、动力锂电池产业链

按照上中下游将动力锂离子电池产业链进行分类,动力锂离子电池行业的上游企业主要为电池材料厂商,电池材料厂商使用镍、钴、锂、石墨等矿产资源为中游电池制造厂商提供正负极材料、隔膜和电解液等材料。中游电池制造厂商通过使用各种锂电生产设备生产出方形电池、圆柱电池、软包装电池等,并提供给下游新能源汽车整车厂。

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3、锂电池电芯生产增速不减、产能过剩

2017年我国汽车动力锂电池产量为44.5GWh、同比增长44.5%,出货量36.39GWh、同比增长30%,2014-2017年年复合增长率分别为116%和114%。尽管动力电池产量、出货量增长迅速,但增速仍不及其产能增速,据统计,2017年我国动力电池产能达到230GWh,同比增长127%,2014-2017年年复合增长率197%。而自2015年开始,动力电池行业的产能利用率持续下降,按照36.39GWh的出货量计算2017年动力电池行业产能利用率仅为15.81%,行业整体存在产能过剩问题。

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尽管动力电池龙头企业在产能利用率上与中小企业相比仍然保持着较大的优势,但其产能利用率下滑也是不争的事实。以宁德时代为例,宁德时代2017年动力电池系统销量排名全球第一,但其产能利用率从2016年的92.37%下滑至2017年的75.54%,下滑幅度达20个百分点,在该背景下,宁德时代原定于2017年底一期项目投产的计划并未实现。

从产值来看,2017年我国动力电池产值达到725亿元,同比增长12%,产值增速远低于产量增速,主要原因在于2017年政策调整,新能源汽车补贴力度大幅下滑,整车厂将部分成本压力转嫁到动力电池企业,使得动力电池价格大幅下滑,2017年年底动力电池价格较2017年初下滑20%~25%。磷酸铁锂电池组价格从年初的1.8~1.9元/Wh下降至年底的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下降至年底的1.4~1.5元/Wh。预计2018年磷酸铁锂电池进一步下降20-25%,三元由于正极材料价格上涨以及乘用车整体补贴下降幅度较小,预计下降15-20%左右。

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按电池种类分析,2016年磷酸铁锂电池出货20.33GWh,三元电池货出货6.29GWh,占总出货量的比例分别为73%和22%,在客车禁用三元电池的背景下,比例基本与2015年69%和27%的比例接近。而在2017年,三元动力电池装机量16.05GWh,同比增长155%,占比达到44%,市场占有率实现翻倍增长。一方面在于2016年年底出台的补贴新政中规定补贴额度与电池能量密度挂钩,而三元电池在能量密度方面与其他类型的锂离子电池相比具备极大优势;另一方面,根据《节能与新能源汽车技术路线图》的规划,三元动力电池是长期发展趋势。

在2016年初客车禁用三元电池的问题上,工信部于2016年11月表示已经完成了对电动客车产品的风险评估,从2017年起正式解禁三元电池客车使用。在该背景下,可以判断三元电池在新能源客车领域的渗透率将会大幅提升,三元电池会成为我国动力电池未来发展的主要方向。

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2017年国内动力电池装机量前五大厂商为宁德时代、比亚迪、沃特玛、国轩高科、比克电池。与2016年相比,2017年动力电池行业的市场集中度有所下降,前十大厂商出货量占总出货量比重73.04%,下降5个百分点。就前两大厂商宁德时代和比亚迪而言,2017年二者出货量占比达到45%,几乎占据动力电池出货量的半壁江山。

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随着国家政策的深度调整,动力电池行业无疑会重新洗牌。2018年新能源汽车补贴将进一步退坡已是不争的事实,在新的政策形势下,提升电池能量密度、降低生产成本、实现技术升级成为动力电池厂商当务之急。面对多重压力,龙头企业凭借其市场和技术优势维持行业竞争力,整体产能也会进一步向龙头企业集中,优者恒优,中小企业则面临较大的被淘汰危机,行业集中度提高。对于一些中小企业来说,无论是和上下游企业进行各类资源整合,还是与大企业重组,亦或是进入更加细分市场,都是可选之路。

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