动力电池技术发展形势分析

1、三元和磷酸铁锂电池为企业布局重点

在车用动力电池领域,锂电池已经成为主流。目前国际主流动力电池企业主要电池类型基本为磷酸铁锂和三元锂电池。

图1 2017年全球前十动力电池企业主要电池类型

从中国市场来看,磷酸铁锂和三元电池当前依然是车用动力电池的主流,2016年和2017年装机占市场总量的94.5%和93.3%。

图2 2016年(左)和2017年(右)中国不同材料动力电池装机量占比23

2、磷酸铁锂和三元锂电池还有一段发展期

经过一段时间的发展,磷酸铁锂和三元锂电池的技术水平得到明显提升。在成本方面,磷酸铁锂电池组价格从2017年年初的1.8-1.9元/Wh下降到年底的1.45-1.55元/Wh。三元动力电池包价格从年初的1.7-1.8元/Wh下降到年底的1.4-1.5元/Wh。

图3 动力锂电池电芯成本44(单位:元/Wh)

在能量密度方面,2017年底,基于NCM622材料电池单体能量密度超过200Wh/kg,系统能量密度160Wh/kg,2018年预计电池单体能量密度可达到230~250Wh/kg。

图4 动力电池能量密度44(单位Wh/kg)

这两种电池还有一定的提升空间,尤其是新一代材料对电池性能的提升作用,比如正极材料811、硅碳负极的研发,将会进一步提升锂动力电池的能量密度,单体能量密度有望达到300Wh/kg,加上这两种电池产业基础强大,在产业中的竞争还将存在一定时期。

从技术潜力角度来看,磷酸铁锂体系理论能量密度约为170Wh/kg,三元锂电池理论能量密度是300-350Wh/kg,同时存在热分解温度低、易燃烧爆炸等安全性问题,二者能量密度提升空间相对较小。然而全固态锂电池的能量密度提升潜力大,从理论上讲更具可行性。

1、固态锂电池的潜在技术优势

固态锂电池,与传统锂电池相比的最大特点在于其使用了固态电解质材料,当使用的电极和电解质材料均为固态、不含任何液态组分时,则为全固态锂电池。固态电解质改变了锂电池的传统结构,隔膜、液态电解液等不再是必要组件,带来巨大的技术优势潜力。

图5 固态锂电池与传统锂电池的技术原理示意图

固态锂电池的主要技术优势体现在,一是安全性高,不含易燃易挥发有毒性的有机溶剂,不存在漏液问题,有望避免锂枝晶的产生,大幅度降低电池燃烧、爆炸的风险。二是循环寿命长,不存在液态电解质在充放电循环过程中产生固体电解质界面膜的问题,目前研发的预期寿命是15000-20000次。三是能量密度高,传统锂电池中隔膜和电解液体积占比40%,固态电解质能大幅缩减电池正负极间距离,提高体积比能量,全固态锂电池能量密度预估最大潜力值达900Wh/kg。四是系统比能量密度高,固态电解质无流动性,可实现内串联组成高电压单体,利于提升动力电池系统成组效率和能量密度。五是正负极材料选择范围宽,可同时兼用金属锂负极和高电势正极材料等新技术,全固态金属锂电池是未来新型电池的研发方向。除此之外,固态电池的工作温度范围、电化学稳定窗口宽,并且具备薄膜化、柔性化的潜力。

2、全球企业纷纷布局固态电池,争夺先机

由于当前磷酸铁锂和三元锂电池自身的瓶颈,以及固态电池的潜在优势,欧美、日韩、中国等国家的涉及动力电池、汽车及能源方面的产业链上众多企业正在积极布局和研发固态电池。

图6 国内外固态电池布局典型案例

总体上,欧美国家主要是立足于固态电池技术的创业型公司,日本主要以传统车企、机械企业为主的电池技术创新。中国的企业相对来说进入固态锂电池领域的时间较晚,且主要以科研机构或院校为支撑,产业化进程较慢。

研发方面,国内主力为中科院的科研机构,有一定积累并与国外基本处于同一水平,但能量密度距离理论值仍有较大的提高空间,离子导电率、循环寿命也亟待进一步提升。固态锂电池根据固态电解质分为三条技术路线,分别为聚合物、氧化物与硫化物固态电解质,各科研机构采用的技术路线并不相同。其中,中科院青岛能源所与中科院化学所两家主攻聚合物固态锂电池,前者的实验样品能量密度达300Wh/kg,并首次完成深海测试,后者则突破了聚合物固态电解质室温下低导电率的瓶颈;中科院物理研究所的研究特色在于掌握原位形成技术,研制的10Ah软包电池能量密度达310-390Wh/kg,体积比能量达800-890Wh/L;中科院宁波材料所、上海硅酸盐研究所分别聚焦于无机固态锂电池和复合固态锂电池的研究。

3、技术和产业壁垒亟待突破

经过企业与研究机构的攻关,目前固态电池技术已经得到突破,能量密度超过300Wh/kg,但基本都是实验室产品,距离产业化还有一定的距离。

在技术层面,固态电解质离子导电率、固/固界面相容性和稳定性仍是两大制约问题。聚合物电解质的导电性在常温下较低,一般需要加热至60oC以上才能正常工作,如法国Bolloré则采用聚合物电解质与电池加热的技术路线;硫化物电解质的导电率目前与传统锂电池的水平相当,但仍需突破界面相性问题,主要通过材料合成和纳米层技术增大活性物质的量、降低界面层电阻。同时,金属锂负极、新型复合正极材料仍在研发中,有望实现全固态锂金属电池的应用,届时能量密度、容量、倍率性能、安全性能及循环寿命将有巨大的突破。

在产业化层面,未能实现规模化生产的困境主要在于生产设备、生产工艺与生产线环境。比如固态电池制备中的叠片、涂布、封装工艺需要定制化的高精度设备,并且生产线环境也需要保持更高级别的干燥间。只有当规模化生产实现产量与产能的提升后,固态锂电池的成本才得以下降。

整体上来看,固态锂电池的生产制备成熟度还亟待加强,规模化、自动化的生产线还需要进一步研发,目前仍处于行业积累期。固态电池总体发展路径为,受制于固/固界面稳定性问题,液态电解质的含量逐步减少,由液态→半固态→固液混合→固态→全固态电池过渡;在全固态锂金属电池发展上,受制于金属锂负极可充性问题,负极材料将从石墨→合金化负极(如Si/C)→金属锂负极进行过渡。随着研发技术和工业生产方面的发展,固态电池的性能与生产将逐步优化,在动力电池市场迎来机遇。

除了对当前锂电池的改善及固态电池的布局,在动力电池技术创新中,国内外企业和机构/大学纷纷进行了不同尝试,一些指标较目前水平有较大改善,为动力电池性能的提升提供了有力参考。

图7 国内外新型电池研发情况

通过对收集的典型创新案例技术指标梳理,可以发现,目前一些产品的关键指标已经得到提升。在能量密度方面,铝空气电池能量密度达到780Wh/kg,锂硫电池达到350Wh/kg,固态电池达到360Wh/kg;在充电倍率方面,典型创新性产品最高充电倍率已经超过100C。在循环寿命方面,典型创新产品已经能够超过15000次。

图8 典型创新产品能量密度(单位:Wh/kg)

图9 典型创新材料和产品充电倍率49(单位:C)

图10 典型创新产品循环寿命49(单位:次)

新型电池具备许多优势,一是技术方面,比如锂硫电池利用硫作为正极材料,电池理论比能量最高可达2600Wh/kg,锂空气电池也是一种非常有潜力的高比容量电池技术,其利用锂金属与氧气的可逆反应,理论能量密度上限达到11000Wh/kg,二是产业方面能够减少对稀缺资源的依赖,比如钠离子电池相对锂离子电池拥有储量丰富且成本较低的优势。

但目前动力电池创新性产品一般都是实验室产品,新型电池在下一步产业化进程中,还面临许多挑战。比如锂硫电池安全性低、体积比能量低、放电倍率低、能量转换效率低和循环次数低,短时间很难在车用领域得到应用。总的来说,目前这些研究虽然处于实验阶段,距离产业化较远,是否能够在一定时期替换现有体系电池在业界也存在争议。但毫无疑问这些电池有望打破当前动力电池的一些技术瓶颈、降低电池成本,创造更长续航里程,在动力电池产业发展过程中,这些电池不容忽视。

从技术发展来看,当前三元和磷酸铁锂电池已经主导了车用动力电池市场,三元和磷酸铁锂电池成为主流企业的主要技术路线,企业并在进一步布局这两种技术路线。从发展来看,三元和磷酸铁锂电池技术已经取得了突破,但是技术还有进一步提升的空间,在产业竞争中还将持续一段时间。

从新电池技术布局来看,固态电池具有技术优势,能够解决当前产业面临的许多问题,国内外企业争先布局并取得了技术突破。但从产业发展来看,固态电池现处于行业积累期,还有技术和产业配套诸多问题亟待解决。

另一方面,除了对当前锂电池的改善及固态电池的布局,许多研究机构也在研发锂硫、锂空气电池等新一代电池,并且在某些技术方面取得突破,为电池产业的发展提供了有利参考。但总的来说,这些研究基本处于实验阶段,距离产业化较远,并且在产业界也存在许多争议,但不可否认的是问这些电池有望打破当前动力电池的一些瓶颈,在产业发展中仍不容忽视。

电池企业在提升现有技术路线产品性能的同时,也应该积极布局下一代电池的研发,以便在下一轮竞争中占据主导权。政府部门应该通过科技计划(专项、基金)、相关创新工程及高新技术产业发展专项等多种途径,鼓励企业、研究机构及高等院校等在动力电池关键材料、电池单体和系统关键技术的研发,并积极推动固态电池、锂硫电池、金属空气电池等新产品及新材料的制备、生产工艺、检测等关键技术和装备的工程化和产业化,推进全产业链工程技术能力建设,并推动动力电池新技术新产品在示范推广工程中的应用。