動力電池技術(shù)發(fā)展形勢分析

1、三元和磷酸鐵鋰電池為企業(yè)布局重點

在車用動力電池領(lǐng)域,鋰電池已經(jīng)成為主流。目前國際主流動力電池企業(yè)主要電池類型基本為磷酸鐵鋰和三元鋰電池。

圖1 2017年全球前十動力電池企業(yè)主要電池類型

從中國市場來看,磷酸鐵鋰和三元電池當(dāng)前依然是車用動力電池的主流,2016年和2017年裝機(jī)占市場總量的94.5%和93.3%。

圖2 2016年(左)和2017年(右)中國不同材料動力電池裝機(jī)量占比23

2、磷酸鐵鋰和三元鋰電池還有一段發(fā)展期

經(jīng)過一段時間的發(fā)展,磷酸鐵鋰和三元鋰電池的技術(shù)水平得到明顯提升。在成本方面,磷酸鐵鋰電池組價格從2017年年初的1.8-1.9元/Wh下降到年底的1.45-1.55元/Wh。三元動力電池包價格從年初的1.7-1.8元/Wh下降到年底的1.4-1.5元/Wh。

圖3 動力鋰電池電芯成本44(單位:元/Wh)

在能量密度方面,2017年底,基于NCM622材料電池單體能量密度超過200Wh/kg,系統(tǒng)能量密度160Wh/kg,2018年預(yù)計電池單體能量密度可達(dá)到230~250Wh/kg。

圖4 動力電池能量密度44(單位Wh/kg)

這兩種電池還有一定的提升空間,尤其是新一代材料對電池性能的提升作用,比如正極材料811、硅碳負(fù)極的研發(fā),將會進(jìn)一步提升鋰動力電池的能量密度,單體能量密度有望達(dá)到300Wh/kg,加上這兩種電池產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)強(qiáng)大,在產(chǎn)業(yè)中的競爭還將存在一定時期。

從技術(shù)潛力角度來看,磷酸鐵鋰體系理論能量密度約為170Wh/kg,三元鋰電池理論能量密度是300-350Wh/kg,同時存在熱分解溫度低、易燃燒爆炸等安全性問題,二者能量密度提升空間相對較小。然而全固態(tài)鋰電池的能量密度提升潛力大,從理論上講更具可行性。

1、固態(tài)鋰電池的潛在技術(shù)優(yōu)勢

固態(tài)鋰電池,與傳統(tǒng)鋰電池相比的最大特點在于其使用了固態(tài)電解質(zhì)材料,當(dāng)使用的電極和電解質(zhì)材料均為固態(tài)、不含任何液態(tài)組分時,則為全固態(tài)鋰電池。固態(tài)電解質(zhì)改變了鋰電池的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu),隔膜、液態(tài)電解液等不再是必要組件,帶來巨大的技術(shù)優(yōu)勢潛力。

圖5 固態(tài)鋰電池與傳統(tǒng)鋰電池的技術(shù)原理示意圖

固態(tài)鋰電池的主要技術(shù)優(yōu)勢體現(xiàn)在,一是安全性高,不含易燃易揮發(fā)有毒性的有機(jī)溶劑,不存在漏液問題,有望避免鋰枝晶的產(chǎn)生,大幅度降低電池燃燒、爆炸的風(fēng)險。二是循環(huán)壽命長,不存在液態(tài)電解質(zhì)在充放電循環(huán)過程中產(chǎn)生固體電解質(zhì)界面膜的問題,目前研發(fā)的預(yù)期壽命是15000-20000次。三是能量密度高,傳統(tǒng)鋰電池中隔膜和電解液體積占比40%,固態(tài)電解質(zhì)能大幅縮減電池正負(fù)極間距離,提高體積比能量,全固態(tài)鋰電池能量密度預(yù)估最大潛力值達(dá)900Wh/kg。四是系統(tǒng)比能量密度高,固態(tài)電解質(zhì)無流動性,可實現(xiàn)內(nèi)串聯(lián)組成高電壓單體,利于提升動力電池系統(tǒng)成組效率和能量密度。五是正負(fù)極材料選擇范圍寬,可同時兼用金屬鋰負(fù)極和高電勢正極材料等新技術(shù),全固態(tài)金屬鋰電池是未來新型電池的研發(fā)方向。除此之外,固態(tài)電池的工作溫度范圍、電化學(xué)穩(wěn)定窗口寬,并且具備薄膜化、柔性化的潛力。

2、全球企業(yè)紛紛布局固態(tài)電池,爭奪先機(jī)

由于當(dāng)前磷酸鐵鋰和三元鋰電池自身的瓶頸,以及固態(tài)電池的潛在優(yōu)勢,歐美、日韓、中國等國家的涉及動力電池、汽車及能源方面的產(chǎn)業(yè)鏈上眾多企業(yè)正在積極布局和研發(fā)固態(tài)電池。

圖6 國內(nèi)外固態(tài)電池布局典型案例

總體上,歐美國家主要是立足于固態(tài)電池技術(shù)的創(chuàng)業(yè)型公司,日本主要以傳統(tǒng)車企、機(jī)械企業(yè)為主的電池技術(shù)創(chuàng)新。中國的企業(yè)相對來說進(jìn)入固態(tài)鋰電池領(lǐng)域的時間較晚,且主要以科研機(jī)構(gòu)或院校為支撐,產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程較慢。

研發(fā)方面,國內(nèi)主力為中科院的科研機(jī)構(gòu),有一定積累并與國外基本處于同一水平,但能量密度距離理論值仍有較大的提高空間,離子導(dǎo)電率、循環(huán)壽命也亟待進(jìn)一步提升。固態(tài)鋰電池根據(jù)固態(tài)電解質(zhì)分為三條技術(shù)路線,分別為聚合物、氧化物與硫化物固態(tài)電解質(zhì),各科研機(jī)構(gòu)采用的技術(shù)路線并不相同。其中,中科院青島能源所與中科院化學(xué)所兩家主攻聚合物固態(tài)鋰電池,前者的實驗樣品能量密度達(dá)300Wh/kg,并首次完成深海測試,后者則突破了聚合物固態(tài)電解質(zhì)室溫下低導(dǎo)電率的瓶頸;中科院物理研究所的研究特色在于掌握原位形成技術(shù),研制的10Ah軟包電池能量密度達(dá)310-390Wh/kg,體積比能量達(dá)800-890Wh/L;中科院寧波材料所、上海硅酸鹽研究所分別聚焦于無機(jī)固態(tài)鋰電池和復(fù)合固態(tài)鋰電池的研究。

3、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)壁壘亟待突破

經(jīng)過企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)的攻關(guān),目前固態(tài)電池技術(shù)已經(jīng)得到突破,能量密度超過300Wh/kg,但基本都是實驗室產(chǎn)品,距離產(chǎn)業(yè)化還有一定的距離。

在技術(shù)層面,固態(tài)電解質(zhì)離子導(dǎo)電率、固/固界面相容性和穩(wěn)定性仍是兩大制約問題。聚合物電解質(zhì)的導(dǎo)電性在常溫下較低,一般需要加熱至60oC以上才能正常工作,如法國Bolloré則采用聚合物電解質(zhì)與電池加熱的技術(shù)路線;硫化物電解質(zhì)的導(dǎo)電率目前與傳統(tǒng)鋰電池的水平相當(dāng),但仍需突破界面相性問題,主要通過材料合成和納米層技術(shù)增大活性物質(zhì)的量、降低界面層電阻。同時,金屬鋰負(fù)極、新型復(fù)合正極材料仍在研發(fā)中,有望實現(xiàn)全固態(tài)鋰金屬電池的應(yīng)用,屆時能量密度、容量、倍率性能、安全性能及循環(huán)壽命將有巨大的突破。

在產(chǎn)業(yè)化層面,未能實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)的困境主要在于生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝與生產(chǎn)線環(huán)境。比如固態(tài)電池制備中的疊片、涂布、封裝工藝需要定制化的高精度設(shè)備,并且生產(chǎn)線環(huán)境也需要保持更高級別的干燥間。只有當(dāng)規(guī)?；a(chǎn)實現(xiàn)產(chǎn)量與產(chǎn)能的提升后,固態(tài)鋰電池的成本才得以下降。

整體上來看,固態(tài)鋰電池的生產(chǎn)制備成熟度還亟待加強(qiáng),規(guī)模化、自動化的生產(chǎn)線還需要進(jìn)一步研發(fā),目前仍處于行業(yè)積累期。固態(tài)電池總體發(fā)展路徑為,受制于固/固界面穩(wěn)定性問題,液態(tài)電解質(zhì)的含量逐步減少,由液態(tài)→半固態(tài)→固液混合→固態(tài)→全固態(tài)電池過渡;在全固態(tài)鋰金屬電池發(fā)展上,受制于金屬鋰負(fù)極可充性問題,負(fù)極材料將從石墨→合金化負(fù)極(如Si/C)→金屬鋰負(fù)極進(jìn)行過渡。隨著研發(fā)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)方面的發(fā)展,固態(tài)電池的性能與生產(chǎn)將逐步優(yōu)化,在動力電池市場迎來機(jī)遇。

除了對當(dāng)前鋰電池的改善及固態(tài)電池的布局,在動力電池技術(shù)創(chuàng)新中,國內(nèi)外企業(yè)和機(jī)構(gòu)/大學(xué)紛紛進(jìn)行了不同嘗試,一些指標(biāo)較目前水平有較大改善,為動力電池性能的提升提供了有力參考。

圖7 國內(nèi)外新型電池研發(fā)情況

通過對收集的典型創(chuàng)新案例技術(shù)指標(biāo)梳理,可以發(fā)現(xiàn),目前一些產(chǎn)品的關(guān)鍵指標(biāo)已經(jīng)得到提升。在能量密度方面,鋁空氣電池能量密度達(dá)到780Wh/kg,鋰硫電池達(dá)到350Wh/kg,固態(tài)電池達(dá)到360Wh/kg;在充電倍率方面,典型創(chuàng)新性產(chǎn)品最高充電倍率已經(jīng)超過100C。在循環(huán)壽命方面,典型創(chuàng)新產(chǎn)品已經(jīng)能夠超過15000次。

圖8 典型創(chuàng)新產(chǎn)品能量密度(單位:Wh/kg)

圖9 典型創(chuàng)新材料和產(chǎn)品充電倍率49(單位:C)

圖10 典型創(chuàng)新產(chǎn)品循環(huán)壽命49(單位:次)

新型電池具備許多優(yōu)勢,一是技術(shù)方面,比如鋰硫電池利用硫作為正極材料,電池理論比能量最高可達(dá)2600Wh/kg,鋰空氣電池也是一種非常有潛力的高比容量電池技術(shù),其利用鋰金屬與氧氣的可逆反應(yīng),理論能量密度上限達(dá)到11000Wh/kg,二是產(chǎn)業(yè)方面能夠減少對稀缺資源的依賴,比如鈉離子電池相對鋰離子電池?fù)碛袃α控S富且成本較低的優(yōu)勢。

但目前動力電池創(chuàng)新性產(chǎn)品一般都是實驗室產(chǎn)品,新型電池在下一步產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中,還面臨許多挑戰(zhàn)。比如鋰硫電池安全性低、體積比能量低、放電倍率低、能量轉(zhuǎn)換效率低和循環(huán)次數(shù)低,短時間很難在車用領(lǐng)域得到應(yīng)用?？偟膩碚f,目前這些研究雖然處于實驗階段,距離產(chǎn)業(yè)化較遠(yuǎn),是否能夠在一定時期替換現(xiàn)有體系電池在業(yè)界也存在爭議。但毫無疑問這些電池有望打破當(dāng)前動力電池的一些技術(shù)瓶頸、降低電池成本,創(chuàng)造更長續(xù)航里程,在動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中,這些電池不容忽視。

從技術(shù)發(fā)展來看,當(dāng)前三元和磷酸鐵鋰電池已經(jīng)主導(dǎo)了車用動力電池市場,三元和磷酸鐵鋰電池成為主流企業(yè)的主要技術(shù)路線,企業(yè)并在進(jìn)一步布局這兩種技術(shù)路線。從發(fā)展來看,三元和磷酸鐵鋰電池技術(shù)已經(jīng)取得了突破,但是技術(shù)還有進(jìn)一步提升的空間,在產(chǎn)業(yè)競爭中還將持續(xù)一段時間。

從新電池技術(shù)布局來看,固態(tài)電池具有技術(shù)優(yōu)勢,能夠解決當(dāng)前產(chǎn)業(yè)面臨的許多問題,國內(nèi)外企業(yè)爭先布局并取得了技術(shù)突破。但從產(chǎn)業(yè)發(fā)展來看,固態(tài)電池現(xiàn)處于行業(yè)積累期,還有技術(shù)和產(chǎn)業(yè)配套諸多問題亟待解決。

另一方面,除了對當(dāng)前鋰電池的改善及固態(tài)電池的布局,許多研究機(jī)構(gòu)也在研發(fā)鋰硫、鋰空氣電池等新一代電池,并且在某些技術(shù)方面取得突破,為電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了有利參考。但總的來說,這些研究基本處于實驗階段,距離產(chǎn)業(yè)化較遠(yuǎn),并且在產(chǎn)業(yè)界也存在許多爭議,但不可否認(rèn)的是問這些電池有望打破當(dāng)前動力電池的一些瓶頸,在產(chǎn)業(yè)發(fā)展中仍不容忽視。

電池企業(yè)在提升現(xiàn)有技術(shù)路線產(chǎn)品性能的同時,也應(yīng)該積極布局下一代電池的研發(fā),以便在下一輪競爭中占據(jù)主導(dǎo)權(quán)。政府部門應(yīng)該通過科技計劃(專項、基金)、相關(guān)創(chuàng)新工程及高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項等多種途徑,鼓勵企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)及高等院校等在動力電池關(guān)鍵材料、電池單體和系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā),并積極推動固態(tài)電池、鋰硫電池、金屬空氣電池等新產(chǎn)品及新材料的制備、生產(chǎn)工藝、檢測等關(guān)鍵技術(shù)和裝備的工程化和產(chǎn)業(yè)化,推進(jìn)全產(chǎn)業(yè)鏈工程技術(shù)能力建設(shè),并推動動力電池新技術(shù)新產(chǎn)品在示范推廣工程中的應(yīng)用。