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鋰動力電池的發展趨勢及其技術路線

6月21日,“第十八屆中國青海綠色發展投資貿易洽談會-鋰產業國際高峰論壇”在青海省西寧市召開。浙江遨優動力系統有限公司副總經理艾群在會上發表主題演講。以下為演講內容:

首先介紹鋰動力電池的發展趨勢,這幾年動力電池的發展趨勢非常迅猛。到2025年,整個新能源汽車的銷量會達到660萬輛,并且在純電動和PHEV上的快速增長,已經超過了混合動力汽車。到2025年,整個預計的產能會達到85GWH,但是早上各位專家也說到,整個動力電池的產能已經超過了電動車對它的需求,但是高端電池的需求還是缺乏的。

國家對動力電池的發展也做了一個具體的規劃,到2020年的能量密度要達到300瓦時每公斤,成本要小于1.5,到后面要達到大于等于300瓦時每公斤,成本小于0.8元,壽命達到1500次,后面新型鋰離子電池的能量密度要達到400瓦時每公斤,新體系要達到500瓦時每公斤。

國家對整個電池的規劃,從2020年到2025年,到2030年都有一個技術的要求,要求不斷地提升,能量密度要達到越來越高,特別是系統的成本方面,要從1.3元/瓦時降到0.8元/瓦時。

第一階段在2016年到2020年,這個是技術的一個升級階段。首先單體能量密度要達到300瓦時每公斤,成本要降低50%,達到0.6元/瓦時,這個是單體的,能量密度達到250。從2014年到2015年之間,動力電池的成本還是在2.5元到3元,但是2017年已經很快下降到1.6元到2元之間,整個還是非常符合市場對于動力電池的需求。

第二階段、第三階段,我前面已經講到,就不再累述。

動力電池的一個發展關鍵,無非是這幾個方面,說起來非常簡單,但是做起來非常難,第一個是一次性要求非常高,除了單體以外,特別是成組之后的一次性,在安全性方面,因為它關系到人的生命財產安全的,所以在安全性方面也是一定要做到的。低成本、高功率的密度,免保養、好的高低溫性能、環境友好、長循環壽命和快速充電。

鋰電池動力電池的體系發展路線,從目前來看還是在磷酸鐵鋰、三元還有錳酸鋰加碳的體系,目前的能量密度已經達160到200瓦時左右了,后面還要繼續發展,從高鎳體系,NMC、NCA還有高鎳的鎳錳體系加碳,可以做到200到280瓦時每公斤。要做到250到400,除了政策的配合,還需要核心材料比如說硅碳、錫等材料的應用。要大于400以上,基本上體系方面要發生變化,像前面幾位教授講到的鋰硫電池、鋰空等新的體系的應用。

在技術路線方面,我們分這三個方面來進行闡述。

目前在動力電池方面按形狀分有三種,方形、圓柱、軟包,從這些產品的各項市場比例來講,軟包電池在近幾年已經呈一個非常上升的趨勢,在某些高端領域,比如說沃特、日產的這些電池都是應用的軟包裝電池。軟包裝電池的占比在以后的趨勢中有望超過50%。軟包裝電池跟其它的兩種方形和圓柱電池比較起來,最大的優點是安全性能,因為它是軟包裝,是通過PP膜熱封封口的方式,所以承受的內壓比較低,一般在2到3公斤就會釋放壓力,圓柱和方形鋰電是通過軟口或者是激光焊的方式,一般承受的壓力在10到15公斤左右。所以如果當防爆閥不能完全打開的時候,可能會發生這種爆炸的問題,所以從三種形狀上來比較的話,軟包裝的安全性能是略勝一籌的。

還有軟包裝在充電和放電方面也是有優勢的。從1997年開始,軟包裝就已經應用在MP3和數碼電池領域,2001年開始應用在手機、藍牙耳機,2004年應用在航模,2005年開始就已經在LEV,就是電動自行車、平板電腦上有應用。后面的幾年就開始側重于動力電池的應用,實際上從分析數據來看,近幾年的動力電池方面的增長速度已經超過了消費類的發展速度。軟包裝的發展史基本上就是遨優的技術團隊一起成長起來的。

從新能源汽車產業鏈來看,主要分上、中、下游,上游方面主要是鎳礦、石墨、鋰礦、正負極材料的礦資源。中游主要是電芯材料這一塊,正極、負極、電解液、隔膜還有一些其它的材料,中間就是我們電池制造和PACK組裝這一塊。下游面臨的就是手機等等消費類電子,還有電動工具、電動自行車、電動新能源汽車和儲能系統。

新能源汽車成本方面分析,動力電池基本上已經占據了新能源汽車的50%的成本,所以為什么這么多大的乘用車廠一定要有自己的電池廠家和PACK廠家,這也是新能源汽車的核心技術,從成本上也可以看到。

從整個動力電池的成本上進行分析,正極占到35%到50%左右,最近特別是正極材料漲價之后,基本上它的整個成本已經占到整個動力電池的50%。其它的比如說電解液、隔膜這些大概是占10%幾左右。

影響動力電池的壽命的幾大因素,主要是從正極、負極還有電解液、隔膜,正極這一塊前面包含正極材料廠家也介紹到,比如有一些包覆、摻雜、顆粒度前軀體的一些性能,都會影響我們動力電池的壽命。

正極材料方面主要是要求氧化還原變化定位小,化學穩定性要好,還有顆粒、形貌、材料搭配,重點還有它的離子電導率,大電流的充放電性能。負極也是一樣,希望形成必須好的SDI膜,能夠快速容納鋰離子,能夠快速充電和放電,放電性要非常好。

電解液方面,我們通過研究新的材料搭配,還有SEI膜的成膜添加劑,還有一些過充的添加劑,因為我們新的國標要求對三元也有要求,要求它的電壓要EC充,高于1.5倍的電壓測試要能夠過。所以在電解液方面還有正極包覆方面的結合要通過這個測試。

電解液要對防腐蝕方面有添加劑,還有可以降低內阻、提高表面活性、提高正極成膜性能的添加劑。隔膜方面,我看到前面中科院的老師也介紹到,我們在隔膜方面,因為在動力電池應用方面要求安全性能要好,所以它的熱收縮能力好,還有離子的導體,能夠快速地通過離子導體的涂層隔膜,還有耐高電壓的隔膜。

現有的幾種材料的比較,這里不再累述。目前來看正極材料有這樣幾種選擇,一種就是目前我們用的最多的,就是三元523、622,甚至811這些可能都還在實驗室的階段,沒有進行量產。還有鎳錳的二元類的,這種可能就需要電壓比較高,5伏的這種,還有特斯拉運用的這種鎳鈷鋰三元材料,還有負鋰的,我們非常看好,因為它這里沒有特別貴的鎳和鈷這種金屬,能量密度也非常高,如果能夠非常好地應用這個材料,可以馬上讓動力電池的成本下降。后面還有一些鈉、鉀離子,這樣就可以降低成本。

我們對不同三元材料容量分析,隨著鎳的含量的添加,它的容量會越來越高,但是匹配它的就是需要一些高電壓的電解液、隔膜,比如還有一些加工工藝方面的匹配。

在電解液方面,通過一些新的鋰鹽來配合這個體系,比如說加一些ODFB,包括現在的一些TFSI和FFSI這些鹽類,包括一些改善低溫的二氟磷酸鋰,通過在正極形成保護膜,使三元與正極電解液的反應,提高電池的壽命。

富鋰錳主要是在2到4.8伏,能夠發揮250毫安時以上的容量。但是因為這個材料結構上的一些問題,還有它本身面臨的一些局限性,可能有很多專家不看好這個材料,但是因為它鋰擴散效率比較低,它的平臺會逐漸降低這些缺點,所以包括科研機構和很多企業都沒有很好地利用好這個材料,其實通過一些摻雜、改性、納米化和改善包覆可以逐漸克服,目前在我們實驗室已經有比較好的結果。

后面還有磷酸錳鐵鋰主要是能夠提高它的電壓平臺,能夠保持磷酸鐵鋰的安全性能,并且提高能量密度,這也是有希望的一種材料,這一塊材料就應用得比較成熟。還有就是前面提到的一些新的鈉鹽,硫酸鐵鈉等材料,不用磷酸鋰合成的材料,也是新型的材料,它是可以降低成本的。

負極方面目前大家紛紛都提到的也就是硅碳,但是因為硅碳自身的一些特點,比如說它的膨脹性和它的守時效率的問題,大家也都紛紛想辦法解決這方面的問題,包括補鋰,包括跟碳的一些復合,避免它的缺點,應用它的優點。把硅納米化,和石墨烯摻雜,還有PV連接器都是為了更好地運用硅碳,再跟電解液的一些配合。

除材料方面以外,在電池工藝方面也非常重要,這個也是影響我們動力電池的壽命的,首先第一點是涂覆的一次性,涂覆是動力電池的一個基本,如果這個程序沒有做好的話,后面就很難做出性能非常好的電池。所以在涂覆方面,其實現在國內的自動化程度已經上到一個水平,現在我們都會應用這種擠壓式的涂覆,能夠控制在正負1的精度,并且通過Xre或者β射線控制涂覆的密度進行閉環控制。還有生產過程中的壓實密度的一致性也對電池的性能影響非常大,特別是在負極的壓實方面,會對電池的循環還有能量影響非常大。還有水分的控制。還有化成技術,軟包裝在化成技術上有一定的優點,可以利用高溫加壓化成的技術,圓柱或者是鋁殼電池,鋁殼電池目前采用負壓,一個大氣壓左右,但是軟包裝可以加好幾個這種壓力,可以更密切地讓正極和負極接觸,手持的時候可以形成致密的膜,保持它后期的性能。

還有保液量,有專家說后期把電池拿回來要進行補液,來讓它的二次壽命能得到提升,進行二次利用。實際上補液量在首次的時候也非常重要,直接影響到電池的長循環的使用。

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