一、當(dāng)前三元和磷酸鐵鋰離子電池技術(shù)成熟度高

1、三元和磷酸鐵鋰離子電池為公司布局重點(diǎn)

在車用動(dòng)力鋰電池領(lǐng)域,鋰離子電池已經(jīng)成為主流。目前國(guó)際主流動(dòng)力鋰電池公司重要電池類型基本為磷酸鐵鋰和三元鋰離子電池。

從我國(guó)市場(chǎng)來(lái)看,磷酸鐵鋰和三元電池當(dāng)前依然是車用動(dòng)力鋰電池的主流,2016年和2017年裝機(jī)占市場(chǎng)總量的94.5%和93.3%。

2、磷酸鐵鋰和三元鋰離子電池還有一段發(fā)展期

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的發(fā)展,磷酸鐵鋰和三元鋰離子電池的技術(shù)水平得到明顯提升。在成本方面,磷酸鐵鋰離子電池組價(jià)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?jiǎng)恿︿囯姵匕鼉r(jià)格從年初的1.7-1.8元/Wh下降到年底的1.4-1.5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(guò)200Wh/kg,系統(tǒng)能量密度160Wh/kg,2018年預(yù)計(jì)電池單體能量密度可達(dá)到230~250Wh/kg。

這兩種電池還有一定的提升空間,尤其是新一代材料對(duì)電池性能的提升用途,比如正極材料811、硅碳負(fù)極的研發(fā),將會(huì)進(jìn)一步提升鋰動(dòng)力鋰電池的能量密度,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(jìng)爭(zhēng)還將存在一按時(shí)期。

二、固態(tài)電池成為目前布局重點(diǎn)

從技術(shù)潛力角度來(lái)看,磷酸鐵鋰體系理論能量密度約為170Wh/kg,三元鋰離子電池理論能量密度是300-350Wh/kg,同時(shí)存在熱分解溫度低、易燃燒爆炸等安全性問(wèn)題,二者能量密度提升空間相對(duì)較小。然而全固態(tài)鋰離子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)鋰離子電池的潛在技術(shù)優(yōu)勢(shì)

固態(tài)鋰離子電池,與傳統(tǒng)鋰離子電池相比的最大特點(diǎn)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(shí),則為全固態(tài)鋰離子電池。固態(tài)電解質(zhì)改變了鋰離子電池的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu),隔膜、液態(tài)電解液等不再是必要組件,帶來(lái)巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)潛力。

固態(tài)鋰離子電池的重要技術(shù)優(yōu)勢(shì)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?jiǎn)栴},有望防止鋰枝晶的出現(xiàn),大幅度降低電池燃燒、爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。二是循環(huán)壽命長(zhǎng),不存在液態(tài)電解質(zhì)在充放電循環(huán)過(guò)程中出現(xiàn)固體電解質(zhì)界面膜的問(wèn)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)鋰離子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)鋰離子電池能量密度預(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(wú)流動(dòng)性,可實(shí)現(xiàn)內(nèi)串聯(lián)組成高電壓?jiǎn)误w,利于提升動(dòng)力鋰電池系統(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(shí)兼用金屬鋰負(fù)極和高電勢(shì)正極材料等新技術(shù),全固態(tài)金屬鋰離子電池是未來(lái)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、全球公司紛紛布局固態(tài)電池,爭(zhēng)奪先機(jī)

由于當(dāng)前磷酸鐵鋰和三元鋰離子電池自身的瓶頸,以及固態(tài)電池的潛在優(yōu)勢(shì),歐美、日韓、我國(guó)等國(guó)家的涉及動(dòng)力鋰電池、汽車及能源方面的產(chǎn)業(yè)鏈上眾多公司正在積極布局和研發(fā)固態(tài)電池。

總體上,歐美國(guó)家重要是立足于固態(tài)電池技術(shù)的創(chuàng)業(yè)型公司,日本重要以傳統(tǒng)車企、機(jī)械公司為主的電池技術(shù)創(chuàng)新。我國(guó)的公司相對(duì)來(lái)說(shuō)進(jìn)入固態(tài)鋰離子電池領(lǐng)域的時(shí)間較晚,且重要以科研機(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(guó)內(nèi)主力為中科院的科研機(jī)構(gòu),有一定積累并與國(guó)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)鋰離子電池根據(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)鋰離子電池,前者的實(shí)驗(yàn)樣品能量密度達(dá)300Wh/kg,并首次完成深海測(cè)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(wú)機(jī)固態(tài)鋰離子電池和復(fù)合固態(tài)鋰離子電池的研究。

3、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)壁壘亟待突破

經(jīng)過(guò)公司與研究機(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(guò)300Wh/kg,但基本都是實(shí)驗(yàn)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(wèn)題。聚合物電解質(zhì)的導(dǎo)電性在常溫下較低,一般要加熱至60oC以上才能正常工作,如法國(guó)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)鋰離子電池的水平相當(dāng),但仍需突破界面相性問(wèn)題,重要通過(guò)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(shí),金屬鋰負(fù)極、新型復(fù)合正極材料仍在研發(fā)中,有望實(shí)現(xiàn)全固態(tài)鋰金屬電池的應(yīng)用,屆時(shí)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(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)的困境重要在于生產(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、封裝工藝要定制化的高精度設(shè)備,并且生產(chǎn)線環(huán)境也要保持更高級(jí)別的干燥間。只有當(dāng)規(guī)模化生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量與產(chǎn)量的提升后,固態(tài)鋰離子電池的成本才得以下降。

整體上來(lái)看,固態(tài)鋰離子電池的生產(chǎn)制備成熟度還亟待加強(qiáng),規(guī)模化、自動(dòng)化的生產(chǎn)線還要進(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(wèn)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(guò)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(wèn)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(guò)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(dòng)力鋰電池市場(chǎng)迎來(lái)機(jī)遇。

三、潛在技術(shù)的替代者依然存在

除了對(duì)當(dāng)前鋰離子電池的改善及固態(tài)電池的布局,在動(dòng)力鋰電池技術(shù)創(chuàng)新中,國(guó)內(nèi)外公司和機(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(dòng)力鋰電池性能的提升供應(yīng)了有力參考。

通過(guò)對(duì)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(guò)100C。在循環(huán)壽命方面,典型創(chuàng)新產(chǎn)品已經(jīng)能夠超過(guò)15000次。

新型電池具備許多優(yōu)勢(shì),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(duì)稀缺資源的依賴,比如鈉離子電池相對(duì)鋰離子電池?fù)碛袃?chǔ)量豐富且成本較低的優(yōu)勢(shì)。

但目前動(dòng)力鋰電池創(chuàng)新性產(chǎn)品一般都是實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品,新型電池在下一步產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中,還面對(duì)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(shí)間很難在車用領(lǐng)域得到應(yīng)用。總的來(lái)說(shuō),目前這些研究雖然處于實(shí)驗(yàn)階段,距離產(chǎn)業(yè)化較遠(yuǎn),是否能夠在一按時(shí)期替換現(xiàn)有體系電池在業(yè)界也存在爭(zhēng)議。但毫無(wú)疑問(wèn)這些電池有望打破當(dāng)前動(dòng)力鋰電池的一些技術(shù)瓶頸、降低電池成本,創(chuàng)造更長(zhǎng)續(xù)航里程,在動(dòng)力鋰電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展過(guò)程中,這些電池不容忽視。

四、小結(jié)

從技術(shù)發(fā)展來(lái)看,當(dāng)前三元和磷酸鐵鋰離子電池已經(jīng)主導(dǎo)了車用動(dòng)力鋰電池市場(chǎng),三元和磷酸鐵鋰離子電池成為主流公司的重要技術(shù)路線,公司并在進(jìn)一步布局這兩種技術(shù)路線。從發(fā)展來(lái)看,三元和磷酸鐵鋰離子電池技術(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(jìng)爭(zhēng)中還將持續(xù)一段時(shí)間。

從新電池技術(shù)布局來(lái)看,固態(tài)電池具有技術(shù)優(yōu)勢(shì),能夠解決當(dāng)前產(chǎn)業(yè)面對(duì)的許多問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外公司爭(zhēng)先布局并取得了技術(shù)突破。但從產(chǎn)業(yè)發(fā)展來(lái)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(wèn)題亟待解決。

另一方面,除了對(duì)當(dāng)前鋰離子電池的改善及固態(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)展供應(yīng)了有利參考。但總的來(lái)說(shuō),這些研究基本處于實(shí)驗(yàn)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(zhēng)議,但不可否認(rèn)的是問(wèn)這些電池有望打破當(dāng)前動(dòng)力鋰電池的一些瓶頸,在產(chǎn)業(yè)發(fā)展中仍不容忽視。

電池公司在提升現(xiàn)有技術(shù)路線產(chǎn)品性能的同時(shí),也應(yīng)該積極布局下一代電池的研發(fā),以便在下一輪競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)主導(dǎo)權(quán)。政府部門(mén)應(yīng)該通過(guò)科技計(jì)劃(專項(xiàng)、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(xiàng)等多種途徑,鼓勵(lì)公司、研究機(jī)構(gòu)及高等院校等在動(dòng)力鋰電池關(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(dòng)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(cè)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(dòng)動(dòng)力鋰電池新技術(shù)新產(chǎn)品在示范推廣工程中的應(yīng)用。