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永利网址锂电池材料技术发展趋势概述

作者:永利网址    发布时间:2020-01-30 18:40     浏览次数 :116

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3月1日,四部委印发了《促进汽车动力电池产业发展行动方案》通知,明确指出了当前动力电池存在的不足和今后的发展方向。通知中将提高电池比能量作为今后的重点发展目标之一,关键指标和时间节点如下:

得益于新能源汽车的发展,动力电池处在高速发展的风口,而新能源汽车的发展也对动力电池的性能不断提出更高的要求,《促进汽车动力电池产业发展行动方案》中提出,到2020年,新型锂离子动力电池单体比能量要超过300wh/Kg,到2025年,要实现新体系动力电池单体比能量达500 wh/Kg。 在政策和市场双驱动下,动力电池必然向着高能量密度、高循环性能、高安全性能等方向发展,这就需要研究机构和企业在正极材料、负极材料、电解液方面做出改进。固态电池、硅碳负极、高镍三元材料和富锂锰正极等方向被认为是企业近年来发展的主流技术路线。 富锂锰基正极:贵金属含量少的理想材料 2025年单体电池要达到的技术目标是比能量400Wh/kg,开发更加高效节能的新型正极材料来克服和取代现有的存在缺陷的正极材料成为研究的热点。在已知正极材料中,富锂锰基正极材料放电比容量达250毫安时/克以上,几乎是目前已商业化正极材料实际容量的两倍左右;同时这种材料以较便宜的锰元素为主,贵重金属含量少,与常用的钴酸锂和镍钴锰三元系正极材料相比,不仅成本低,而且安全性好。因此富锂锰基正极材料被视为下一代锂动力电池的理想材料。 包括当升科技、江特电机、中航锂电在内的很多企业都在加紧研发富锂锰基正极材料。中科院物理所改善了富锂锰基正极循环的电压衰减,达到了100周后电压衰减降至2%以内的指标,取得重大进展。北京大学的团队首次研制出比容量400mAh/g的富锂锰基正极,可以达到400Wh/kg的目标。 目前富锂锰基正极实现全面应用还存在降低首次不可逆容量损失、提高倍率性能和循环寿命、抑制循环过程的电压衰减等技术问题需解决。 高镍三元材料:2018 年为发展元年 根据起点研究预测,2018镍钴锰的产量将达47GWh,将比去年上涨32%,而钴酸锂的产量将只有19GWh,仅比去年上涨5%。受制于钴的稀缺和钴价的连连上涨,电池企业积极推动三元材料高镍化,通过降低电池中钴的占比来降低成本, NCM811 的钴分子含量仅为 6.06%。 镍钴锰材料能量密度高,电化学性能稳定,具备高容量、低成本等优势,未来将逐步替代磷酸铁锂和普通三元电池。目前当升科技、杉杉股份、贝特瑞等企业已经具备了 NCM811 的量产条件,而2018年被认为是高镍三元材料发展的元年。 固态电池:固体材料取代隔膜和电解液 全固态电池在业界和学界被公认为是下一步电池发展的主流方向之一。 一方面,全固态电池技术是电池小型化,薄膜化的必经之路。隔膜和电解液的体积加起来差不多占了电池体积的40%。如果把隔膜和电解液换成固态材料,正负极之间的距离可以缩短到几微米,电池厚度大大降低。 另一方面,相比一般锂电池,全固态电池的能量密度大幅提升,可以达到300-400Wh/kg,而锂离子电池一般是100-220Wh/kg。而高安全性也是全固态电池的发展的重要驱动因素之一,从安全的角度来说,传统锂电池电解液是有机液体,在高温下会氧化分解产生气体,容易发生燃烧,极大增加了不安全性,如果以固态材料替代电解液,电池安全性能极大提升。 目前中科院青岛能源所开发的聚合物固态电池,能量密度可以达到300Wh/kg,中科院宁波材料所开发的无机固态锂电池,能量密度达到240Wh/kg,此外,该机构正与赣锋锂业合作推进其产业化,产品计划2019年量产。在行业内,包括丰田、松下、三星、三菱、宁德时代等电池领军企业都已经投入研发、展开布局固态电池。 固态电池无疑是未来主流技术路线之一,不过目前还存在成本偏高、制备工艺复杂、技术不够成熟等问题,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、快充不现实等问题也亟待解决,要实现大规模商业化还有一段路要走。 硅碳负极:两三年将迎来爆发 硅碳材料是目前最具商业化的高能量密度新型负极材料,SPIR预计,硅碳材料行业即将在2018年下半年开始真正大面积登上锂电池负极材料大舞台,在未来二到三年内也必将迎来大爆发,行业前景广阔。 硅碳复合材料的超高理论能量密度可以显著提升单体比容量,加上其具有低脱嵌锂电压、环境友好等优点,被认为是一下代替代石墨的理想负极材料。随着新能源汽车的发展对动力电池的比能量不断提出更高的要求,未来石墨将逐渐被硅碳负极材料取代。 截至2017年12月份,国内前8负极材料企业基本均在加大扩张硅碳材料产能,且也有多家跨行业的新进入者涉足布局硅碳负极材料,其新增产能将于2018-2019年开始陆续投产。比亚迪、宁德时代、国轩高科、贝特瑞、杉杉股份、力神、比克、万向等都展开了对硅碳负极材料的布局。 尽管目前硅碳负极材料还存在成本高、技术难度大、配套产业不完善等问题,但实现大规模应用的前景依然可期。

1. 到2020年,锂离子动力电池单体比能量〉300Wh/kg;系统比能量争取达到260Wh/kg;成本<1元/瓦时;使用环境达-30℃到55℃;具备3C充电能力

  1. 到2025年,单体比能量达500Wh/kg

3. 力争实现单体电池350Wh/kg、系统260Wh/kg的锂离子电池产品产业化和整车应用

4. 新型动力电池方面,积极推进锂硫电池、金属空气电池、固态电池的研究和工程化开发,2020年单体比能量>400Wh/kg、2025年达到500Wh/k

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从指标的文字描述中可以看到:第1项指标是要求在锂离子电池体系下实现的,第3项指标应该是在锂离子电池体系下再往前冲一冲,所以提出了“力争实现”。至于第2、4项指标,锂离子电池体系估计无能为力了,必须要开发新的电池体系。

尽管锂硫电池、金属空气电池、固态电池的研究历史已经很长,但是其技术进步还是比较缓慢。如今各种交叉学科发展已经有了较大进步,这将有助于继续开发这些电池体系,期待能有突破。

经常看到很多媒体报道把“比能量”和“能量密度”混淆了。通常,使用“比能量”来描述单位质量的能量水平,用“能量密度”来描述单位体积的能量水平。

这里我们来主要看一下在锂离子电池体系下的比能量发展途径。

锂离子电池单体比能量

2016年发布的《节能与新能源汽车技术路线图》提到了纯电动汽车动力电池的比能量目标是2020年350Wh/kg, 2025年是400Wh/kg, 2030年是500Wh/kg。该目标与四部委提出的指标很接近,也在业内引发了热议。我们梳理一下2016年媒体报道的各大电池企业的比能量目标和实现路径:

比亚迪:三元电池希望在2018年做到240Wh/kg,2020年大概做到300Wh/kg。正极采用高镍三元材料,负极采用氧化亚硅或纳米硅,

宁德时代:2016年可以做到200-250Wh/kg,“十三五”期间希望实现350Wh/kg目标,材料体系为高镍三元/硅碳材料

国轩高科:2020年目标是300-350Wh/kg,采用高镍三元正极材料,硅基负极材料,5V高电压电解液

比克:18650圆柱第四代产品普遍可以达到220-230Wh/kg,2017年第五代产品的比能量预计可以达到250Wh/kg。比克是较早锁定三元材料路线的企业。

力神:正在开发200-250Wh/kg的产品,圆柱电池已经可以达到250Wh/kg,2020年争取达到300Wh/kg,采用第三代富锂锰基层状材料和硅负极材料

三星SDI:2016年水平为250Wh/kg,预计2030年达到350Wh/kg(可能采用了其他电池体系了)

值得注意的是,宁德时代、天津力神、国轩高科三家电池企业在2016年还入围了科技部重点专项,该项目的考核指标为:

动力电池新材料新体系:考核指标:新型锂离子电池样品能量密度≥400Wh/kg,新体系电池样品能量密度≥500Wh/kg

高比能量锂离子电池技术(重大共性关键技术类):考核指标:电池单体能量密度≥300Wh/kg,循环寿命≥1500次,成本≤0.8元/Wh,安全性等达到国标要求;年生产能力≥2亿瓦时,产品累计销售≥3000万瓦时或装车数量≥1000套。

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