動(dòng)力電池發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)趨勢(shì)全面解析

電動(dòng)化大趨勢(shì)愈演愈烈,我國(guó)通過政策的引導(dǎo)和扶持,已經(jīng)成為全球最大的新能源汽車市場(chǎng)。眾所周知,新能源汽車的重要瓶頸在于電池的續(xù)航里程。在此背景下,國(guó)家出臺(tái)了《促進(jìn)汽車動(dòng)力電池發(fā)展行動(dòng)方案》、《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》,鼓勵(lì)高能量密度電池的使用,近期《外商投資產(chǎn)業(yè)指導(dǎo)目錄(2017年修行)》政策提出解除純電動(dòng)汽車合資企業(yè)限制以及取消汽車電子和動(dòng)力電池股比限制,這也是促進(jìn)新能源汽車市場(chǎng)推廣應(yīng)用高能量密度電池的重要舉措?；谡叩贡坪蛣?dòng)力電池技術(shù)本身的進(jìn)步,我們通過三元鋰和固態(tài)鋰電池的產(chǎn)品技術(shù)對(duì)標(biāo)模型分析,對(duì)未來動(dòng)力電池發(fā)展格局進(jìn)行推演。

一、動(dòng)力電池發(fā)展現(xiàn)狀分析

目前,國(guó)內(nèi)新能源汽車仍然在采用磷酸鐵鋰(BYD為主)和三元鋰電池,車型續(xù)航里程基本上都能夠達(dá)到300公里,但是電池系統(tǒng)平均能量密度水平僅為115Wh/Kg。而2017年3月份,國(guó)家工信部等四部委聯(lián)合頒布《促進(jìn)汽車動(dòng)力電池發(fā)展行動(dòng)方案》,指出到2020年,要求新型鋰離子動(dòng)力申池單體比能量超過300Wh/Kg;系統(tǒng)比能量力爭(zhēng)達(dá)到260Wh/Kg。

數(shù)據(jù)顯示,我國(guó)動(dòng)力電池能量密度現(xiàn)狀與目標(biāo)值差距達(dá)126%,2020年達(dá)到目標(biāo)值對(duì)磷酸鐵鋰電池來說太難了,但是對(duì)于以特斯拉為代表的三元鋰電池則是完全可能的,其采用的動(dòng)力電池性能好,BMS管理系統(tǒng)效率也高;此外,固態(tài)鋰電池也可以將電池系統(tǒng)能量密度提升至260Wh/Kg水平。

1、三元鋰和磷酸鐵鋰電池——當(dāng)前的中流砥柱

當(dāng)前,全球新能源車市場(chǎng)進(jìn)入蓬勃發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期,主流汽車企業(yè)紛紛布局新能源汽車,鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈因此快速成熟將進(jìn)一步推動(dòng)新能源汽車的規(guī)?；瘧?yīng)用。從全球角度看,典型車企配套車型主要采用日韓動(dòng)力電池,以三元鋰為主,續(xù)航里程基本都達(dá)到或超過350公里的水平。

表格1全球主流動(dòng)力電池配套情況

再看國(guó)內(nèi),從2017年新能源汽車前6批推廣目錄來看,新車型搭載電池的能量密度也有不同程度地提升。第一批目錄中能量密度超過115Wh/Kg的車型僅占13.11%,到第五批目錄這一比例達(dá)到了73%,可以看出動(dòng)力電池能量密度的提升已是大勢(shì)所趨。主流電動(dòng)車企業(yè)配套的動(dòng)力電池也逐步向三元鋰轉(zhuǎn)型,續(xù)航里程基本上都能夠達(dá)到300公里的水平。

表格2國(guó)內(nèi)主流動(dòng)力電池配套情況

綜合國(guó)內(nèi)外動(dòng)力電池企業(yè)搭載新能源汽車情況看,三元鋰電池成為主流技術(shù)路線的趨勢(shì)已經(jīng)不可逆轉(zhuǎn),但整車?yán)m(xù)航里程仍有提升的空間。這很可能是由于動(dòng)力電池能量密度不高、BMS效率提升空間仍有待開拓等多方面原因所致。

2、全固鋰態(tài)動(dòng)力電池——未來的發(fā)展方向

世界各國(guó)先后制訂的高能量密度鋰電池研發(fā)目標(biāo),均在積極地布局鋰硫電池、鋰空氣電池或鋰金屬電池等前瞻性技術(shù)。

固態(tài)鋰電池在繼承傳統(tǒng)鋰電池優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,安全性、能量密度都有了大幅進(jìn)步。目前,全固態(tài)鋰電池研發(fā)可提供的能量密度基本可達(dá)300~400Wh/kg,有望成為下一代高能量密度動(dòng)力和儲(chǔ)能電池技術(shù)的重要發(fā)展方向,這已是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的共識(shí)。

圖1 世界各國(guó)對(duì)動(dòng)力電池能量密度的階段目標(biāo)

圖2 世界鋰電池技術(shù)路線走向

全球動(dòng)力電池關(guān)聯(lián)企業(yè)也加速布局全固態(tài)鋰電池領(lǐng)域以搶占先機(jī),目前各技術(shù)路徑的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程不同,其中以聚合物固態(tài)電池發(fā)展較快,由于其高溫工作性能較好,已經(jīng)完成實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證并有小部分企業(yè)實(shí)現(xiàn)了小規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。

固態(tài)鋰電池(聚合物固態(tài)電池)研發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀

法國(guó)Bollore:全固態(tài)二次電池(LMP),負(fù)極材料采用金屬鋰,電解質(zhì)采用聚合物(PEO 等)薄膜,目前已經(jīng)批量應(yīng)用在法國(guó)的 EV,共享服務(wù)汽車“Autolib”和小型電動(dòng)巴士“Bluelus,總體應(yīng)用超過3000 輛。

美國(guó)Seeo:全固體二次電池采用大創(chuàng)公司的干聚合物薄膜,提供的樣品電池組能量密度為 130-150Wh/kg,2017 年能量密度能達(dá)到300Wh/kg,尚未推廣應(yīng)用。

CATL:目前已經(jīng)設(shè)計(jì)制造出了容量為 325 mAh的聚合物電芯,表現(xiàn)出較好的高溫循環(huán)性能,尚未推廣應(yīng)用。

中科院青島能源所:開發(fā)的大容量固態(tài)聚合物鋰電池“青能 I 號(hào)”完成深?？瓶?其能量密度超過 250 Wh/kg,500次循環(huán)容量保持 80%以上,在多次針刺和擠壓等苛刻測(cè)試條件下保持非常好的安全性能?！扒嗄?II號(hào)”也已經(jīng)研發(fā)成功,能量密度高達(dá) 300 Wh/kg,尚未推廣應(yīng)用。

此外,固態(tài)鋰電池中,硫化物固態(tài)電池(鋰硫電池)由于具有較高的能量密度和低廉的成本,有著巨大的開發(fā)潛力,豐田、三星、CATL、豐田等國(guó)內(nèi)外企業(yè)均紛紛加速布局,這其中以豐田技術(shù)最為領(lǐng)先。豐田在2010年就推出硫化物固態(tài)電池,2014年其實(shí)驗(yàn)原型能量密度達(dá)到400Wh/kg,截止到2017年初,豐田固態(tài)電池專利數(shù)量達(dá)到30件,遠(yuǎn)高于其它企業(yè)。據(jù)豐田高管透露,豐田或?qū)⒃?020年實(shí)現(xiàn)硫化物固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化。國(guó)內(nèi)企業(yè)CATL在硫化物固態(tài)電池方面相對(duì)領(lǐng)先,正加速開發(fā)純電動(dòng)汽車用的硫化物全固態(tài)鋰金屬電池。

固態(tài)鋰電池(硫化物固態(tài)電池)研發(fā)現(xiàn)狀

豐田:2010年開始推出固態(tài)電池,2014年其實(shí)驗(yàn)原型能量密度達(dá)到400Wh/kg。

三星日本研究所:利用硫化物類固體電解質(zhì)試制出2000mAh、175Wh/kg的壓層型全固態(tài)二次電池。

Sakti3(美國(guó)):2015年獲得英國(guó)家電巨頭戴森1500萬(wàn)美元的投資,其開發(fā)的固態(tài)電池以陶瓷等為電解質(zhì),金屬鋰或鋰類合金為負(fù)極,能量密度達(dá)到1000Wh/L,目前仍處于研發(fā)階段。

清陶能源:公司核心在于高固含量的全陶瓷隔膜和無機(jī)固體電解質(zhì)的開發(fā)和生產(chǎn)。目前團(tuán)隊(duì)已經(jīng)和北汽開展合作進(jìn)行中試,未來可能作為北汽電動(dòng)車的重要組件。

CATL:主要研發(fā)方向是硫化物電解質(zhì),采用正極包覆方法,解決了界面反應(yīng)問題,熱壓方式降低了界面電阻

二、兩種技術(shù)路線的對(duì)比及影響分析

1、三元鋰電池:技術(shù)成熟,當(dāng)前占據(jù)市場(chǎng)主流

從產(chǎn)品成熟度角度來看,美國(guó)特斯拉Model系列車型已經(jīng)實(shí)現(xiàn)突破,Model3即將規(guī)?；N量,進(jìn)一步論證三元鋰動(dòng)力電池的可行性。Model3采用全新21700電池,相比18650電池在外觀上變長(zhǎng)變粗,能量密度也提高了20%,單體電池容量可達(dá)3~4.8Ah,大幅提升35%。毫無疑問,當(dāng)前三元鋰動(dòng)力電池已然為主流產(chǎn)品。

2、固態(tài)鋰電池:技術(shù)潛力大,有望成為未來的主流產(chǎn)品

從技術(shù)潛力角度來看,三元鋰動(dòng)力電池能量密度提升相對(duì)困難,全固態(tài)鋰電池能量密度提升,從理論上講更具可行性。一是全固態(tài)鋰電池電壓平臺(tái)提升,固態(tài)電解質(zhì)比有機(jī)電解液普遍具有更寬的電化學(xué)窗口,有利于進(jìn)一步提升電池的能量密度;二是固態(tài)電解質(zhì)能阻隔鋰枝晶生長(zhǎng),材料應(yīng)用體系范圍大幅提升,為具有更高能量密度空間的新型鋰電技術(shù)奠定基礎(chǔ)。三是全固態(tài)鋰電池當(dāng)前能量密度約400Wh/Kg,預(yù)估最大潛力值達(dá)900Wh/Kg,有超過100%的提升空間。固態(tài)鋰電池必將是未來的主流產(chǎn)品。

表格5三元鋰電池與固態(tài)鋰電池技術(shù)性能對(duì)比

3、固態(tài)鋰電池:安全性高,可大幅降低車輛自燃率

近年來國(guó)內(nèi)外多次出現(xiàn)新能源汽車自燃事故,新能源汽車的使用越來越關(guān)注。其主要原因在于動(dòng)力電池(三元鋰為主)的問題,三元鋰電池的電氣安全、功能安全、化學(xué)安全、機(jī)械安全方面控制仍不給力。一般而言,三元鋰電池液態(tài)電解質(zhì)易燃易爆,在長(zhǎng)期使用過程中容易觸發(fā)“熱失控”,在充放電過程中鋰枝晶的生長(zhǎng)容易刺破隔膜,引起電池短路,造成安全隱患。但是全固態(tài)鋰電池則具有極高的安全性,其固態(tài)電解質(zhì)不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不漏液,同時(shí)也克服了鋰枝晶現(xiàn)象,搭載全固態(tài)鋰電池的汽車的自燃概率會(huì)大大降低。

綜合上述產(chǎn)品、技術(shù)、安全等方面的比較,全固態(tài)鋰電池在使用安全和技術(shù)潛力方面具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì),但是三元鋰電在產(chǎn)品成熟度、市場(chǎng)滲透方面具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。綜合來看,當(dāng)前采用三元鋰電是純電動(dòng)汽車最為明智的選擇。但是,一旦全固態(tài)鋰電池解決金屬鋰穩(wěn)定性差等問題后,將爆發(fā)強(qiáng)大的產(chǎn)品替代力,或?qū)㈩嵏矂?dòng)力電池產(chǎn)業(yè)格局。

4、高能量動(dòng)力電池發(fā)展格局預(yù)判

前文提到,國(guó)家的政策導(dǎo)向已經(jīng)非常明確,大力支持高能量密度的新型鋰離子動(dòng)力電池的發(fā)展,并已經(jīng)有相應(yīng)的政策細(xì)則體現(xiàn)。主要表現(xiàn)在三個(gè)方面:一是2017年6月份國(guó)家工信部發(fā)布的雙積分政策,通過高能量密度降低電池質(zhì)量而獲得低的百公里電能消耗量Y時(shí),可以獲得1.2倍積分;二是去年年底補(bǔ)貼政策,強(qiáng)調(diào)了高能量密度(乘用車電池能量密度>120Wh/Kg)時(shí),可獲得1.1~1.2倍補(bǔ)貼;三是從獲取補(bǔ)貼必須進(jìn)入的新能源汽車推廣目錄來看,乘用車三元鋰電車型占比持續(xù)提升,今年第6批車型份額占比超過70%,已然促進(jìn)了高能量密度電池的發(fā)展。

然而,雖然國(guó)內(nèi)新能源汽車推廣應(yīng)用方面取得了良好成績(jī),但是面向私人消費(fèi)者的純電動(dòng)乘用車產(chǎn)品仍受制于“里程焦慮”的影響,尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。私人需求端市場(chǎng)的突破與滿足要求動(dòng)力電池的能量密度有進(jìn)一步提升,就目前情況而言,僅三元鋰動(dòng)力電池和固態(tài)鋰動(dòng)力電池可能達(dá)成2020年目標(biāo)。這將引發(fā)國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池技術(shù)新格局。

第一類,技術(shù)領(lǐng)先型,以CATL為代表。CATL企業(yè)本身已經(jīng)具備了三元鋰電技術(shù)沉淀,其產(chǎn)品將采用硅碳材料作為負(fù)極,“十三五”期間有望實(shí)現(xiàn)350Wh/kg目標(biāo);同時(shí)CATL在固態(tài)鋰電池(鋰硫電池、聚合物電芯)均取得了突破,如CATL設(shè)計(jì)制造的容量為325mAh的聚合物電芯高溫循環(huán)性能表現(xiàn)良好。技術(shù)的領(lǐng)先和提前布局,能夠保證企業(yè)在新技術(shù)的應(yīng)用推廣時(shí)占據(jù)制高點(diǎn)。

第二類,技術(shù)跟隨型,以國(guó)軒高科、力神等為代表。國(guó)軒高科、力神等企業(yè)具備較強(qiáng)的市場(chǎng)基礎(chǔ),都在加速研發(fā)具有高電池能量密度的三元鋰電技術(shù)。如科技部官網(wǎng)關(guān)于國(guó)軒高科三元鋰電技術(shù)的突破情況,稱其以“高鎳正極+硅基負(fù)極”為電池材料,實(shí)驗(yàn)室電池能量密度水平達(dá)281Wh/kg。但是這類企業(yè)很少或者基本上沒有涉及到固態(tài)鋰電池技術(shù)儲(chǔ)備,該類企業(yè)或?qū)⒓涌焱侨毡狙芯克?、Sakti3(美國(guó))、清陶能源等具有全固態(tài)鋰電池技術(shù)的企業(yè)合資合作。

第三類,技術(shù)轉(zhuǎn)型類,以比亞迪、萬(wàn)向等為拜拜。比亞迪、萬(wàn)向等企業(yè),其核心產(chǎn)品磷酸鐵鋰電池能量密度上升空間有限,逐步降低磷酸鐵鋰電池的影響,加速轉(zhuǎn)型三元鋰電池技術(shù)路線。其中,萬(wàn)向旗下A123Systems磷酸鐵鋰產(chǎn)品能量密度止步于140Wh/kg左右;比亞迪計(jì)劃在2018年三元鋰電池能量密度達(dá)到240Wh/kg左右,2020年達(dá)到300Wh/kg左右。該類企業(yè)具有較強(qiáng)的技術(shù)積累和研發(fā)支撐,且有較強(qiáng)的技術(shù)嗅覺,或?qū)⒓訌?qiáng)同中科院青島能源所、國(guó)能電池研究院等科研院所的合作,加快全固態(tài)動(dòng)力電池的研發(fā)。

總而言之,磷酸鐵鋰技術(shù)路線正在被替代,三元鋰電池技術(shù)路線已經(jīng)成為主流,未來全固態(tài)鋰電池或新鋰離子電池技術(shù)路線將逐步替代三元鋰。

三、發(fā)展建議

未來,新能源汽車的健康與規(guī)?；茝V應(yīng)用很大程度上取決于高安全、高續(xù)航里程的動(dòng)力電池的支撐力度。當(dāng)前,新能源汽車動(dòng)力電池技術(shù)進(jìn)步受國(guó)家政策、外部競(jìng)爭(zhēng)的雙重壓力驅(qū)動(dòng),這就要求現(xiàn)有三元鋰動(dòng)力電池技術(shù)持續(xù)提升,同時(shí)也需要新的鋰離子電池的技術(shù)攻關(guān)和突破,以實(shí)現(xiàn)顛覆性的革新。對(duì)動(dòng)力電池企業(yè)說,現(xiàn)在是最好的時(shí)期,也是最壞的時(shí)期。智電汽車認(rèn)為,電池能量密度的“攻堅(jiān)戰(zhàn)”已經(jīng)打響,動(dòng)力電池行業(yè)格局將洗牌。未來企業(yè)要進(jìn)入競(jìng)爭(zhēng)力梯隊(duì),需要重點(diǎn)做好兩點(diǎn):一是要轉(zhuǎn)變思維方式和“居安思危”,由粗放規(guī)?；l(fā)展向“技術(shù)和規(guī)?；辈⒅氐陌l(fā)展模式轉(zhuǎn)型,加速全固態(tài)鋰電池或新鋰離子電池技術(shù)儲(chǔ)備;二是要注重產(chǎn)品的安全性,既要加強(qiáng)與整車企業(yè)的合作,同時(shí)要規(guī)避“高田氣囊”事件在動(dòng)力電池行業(yè)上演。