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輕量化+高鎳三元+單體尺寸增大 動力電池能量密度提升三大路徑
新聞類型: 行業情報 來 源: 高工鋰電 點 擊: 2086 日 期: 2017-04-14

摘要:多位鐵鋰電池企業高層表示,實際上通過改進材料性能以提升鐵鋰電池單體比能量的作用比較有限,更直接的方法還是做大電池尺寸、增加電池容量、減輕電池包重量,通過物理方式提升電池系統能量密度。

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在補貼金額與電池系統能量密度掛鉤的壓力之下,國內動力企業都加緊了研發新一代高性能動力電池的步伐。除了改進原材料屬性提升電芯單體比能量之外,做大電芯規格增加容量成為了電池企業提升能量密度最直接的方式。

 

2017鋰電供應鏈好產品全國巡回調研活動中,高工鋰電網了解到,當前所有的電池企業都在通過導入新材料、改進制造工藝、優化PACK結構方案、進行系統輕量化等方式提升電池能量密度,同時有多家電池企業宣稱已有更高能量密度的電池實現量產,系統能量密度可以滿足最高補貼系數要求。

 

高工鋰電網通過梳理發現,目前電池企業在提升電池能量密度方面的方式都大同小異。其中,磷酸鐵鋰電池主要通過物理方式提升能量密度,而三元電池則正在向高鎳體系邁進,而做大電芯單體尺寸增加容量成兩者共同選擇。

 

輕量化處理成普遍選擇

 

作為當前國內占據主要市場份額的兩大技術路線,磷酸鐵鋰電池和三元電池已經分別在純電動大巴、純電動乘用車及專用車領域占據主導位置。由于新補貼政策將電池系統能量密度與補貼金額直接掛鉤,能量密度越高則獲得的補貼越多,這直接倒逼著電池企業盡快提升能量密度。

 

由于磷酸鐵鋰電池在能量密度上存在較大短板,短期內將系統能量密度提升到115wh/kg-120wh/kg的難度比較大,這直接給磷酸鐵鋰電池企業產生了極大的壓力。

 

“磷酸鐵鋰電池系統能量密度要達到115wh/kg以上,單體電芯的質量能量密度至少要達到150wh/kg以上,這對鐵鋰電池企業是個不小的壓力,對其材料供應商在提升磷酸鐵鋰材料壓實密度和克容量方面也提出了更高的要求。”多位鐵鋰電池企業高層表示,實際上通過改進材料性能以提升鐵鋰電池單體比能量的作用比較有限,更直接的方法還是做大電池尺寸、增加電池容量、減輕電池包重量,通過物理方式提升電池系統能量密度。

 

高工鋰電網了解到,目前包括比亞迪、國能電池、寧德時代、億緯鋰能、國軒高科等多家電池企業的鐵鋰電池系統能量密度都超過了115wh/kg達到最高補貼系數,但上述企業均表示通過減輕電池包重量,進行輕量化處理等方式提升能量密度的作用更明顯。

 

在巡回調研中,包括鵬輝能源、桑頓新能源、湖南三迅、沃特瑪等電池企業也在采取相似的措施給電池包減重以提升能量密度,效果顯著。

 

“通過輔材(鋼殼、箔材)輕量化技術和電芯空間利用率優化設計結合,在保證機械強度的同時,可提升5%的能量密度。”沃特瑪電池研究院技術總監李路偉在“2017鋰電供應鏈好產品巡回”華南站沙龍的演講中表示,沃特瑪通過采用納米級正極磷酸鐵鋰及分選配級技術、表面包覆和化學改性技術、結構設計優化、極片制造技術,全面提升公司磷酸鐵鋰電池的能量密度。

 

值得注意的是,盡管做大電池尺寸提升容量、對電池包進行輕量化處理可以提升系統能量密度,但業內人士強調該方法依然有難度,對電池的安全性和一致性會產生直接影響,甚至會犧牲部分性能,因此需要特別謹慎。

 

“電池殼體不能做的太大、輕量化設計一定要以保證電池的安全性和一致性為前提。”湖南三迅新能源科技有限公司技術副總梁世碩對高工鋰電網表示,三迅的磷酸鐵鋰產品未來將主打五個型號,電池容量會不斷提升,目前也在進行輕量化處理,但不會犧牲電池的安全性。

 

密集布局高鎳三元電池

 

相比于磷酸鐵鋰電池能量密度提升的困難,三元電池的能量密度提升方式顯得更靈活,提升空間也更大。隨著三元電池的安全性逐步得到驗證,加之消費市場對于續航里程的需求提升,國家政策又傾向扶持高能量密度動力電池,高鎳三元材料電池被業界普遍看好,吸引眾多動力電池企業的積極布局。

 

高工鋰電在巡回調研中了解到,幾乎所有的三元電池企業都將高鎳三元電池作為公司下一代產品的主力,技術路線正在從目前主流的NCM523體系向NCM622、NCM811NCA快速推進。其中已有多家電池企業開始量產高鎳NCM622產品,能量密度較此前大幅提升。

 

例如,天勁股份稱目前三元單體量產比能量達215wh/kg,今年將量產230Wh/kg產品,近期重點發展高鎳三元材料電池;比克18650圓柱第三代2.9Ah產品已經實現量產,能量密度約218Wh/Kg,目前重點開發高鎳811/NCA體系;鵬輝能源2.8AH18650電池比能量將達到230wh/kg以上,高鎳三元電池下半年實現量產;振華新能源年內將量產250wh/kg三元電池;桑頓新能源230wh/kg三元電池可實現量產;妙盛動力三元軟包電池單體比能量達200wh/kg以上;三迅新能源220wh/kg三元電池可實現量產;遠東福斯特218wh/kg三元電池已經批量生產;孚能科技220wh/kg三元軟包電池已批量生產等。

 

值得注意的是,盡管三元電池企業基本上都將NCM811NCA作為下一代的主要產品,并且宣稱可以在年內實現量產,但總體來看高鎳三元電池的大規模產業化還存在一定的距離。

 

業內人士指出,三元正極材料的高鎳低鈷化在提升電池能量密度、降低材料成本等方面具有明顯優勢,但安全性和穩定性問題卻較為突出。由于高鎳三元正極材料的技術壁壘較高,在制備工藝和設備以及生產環境等方面的要求都遠遠高于普通三元材料,國產高鎳三元材料走向成熟還需克服多項技術難題。

 

受下游市場明顯需求拉動和技術工藝升級,國內包括當升科技、寧波金和、河南科隆、杉杉能源、格林美等材料企業都在積極布局NCM811/NCA材料,加快實現產業化。

 

更改電池尺寸提升能量密度

 

除了導入高鎳材料提升三元電池比能量之外,更改電池尺寸提升電池容量依然是有效的方式。

 

特斯拉選擇18650技術路線的成功吸引了國內眾多電池企業的追隨,近年來國內對動力18650的投資熱情持續升溫,且主要集中在三元電池領域。

 

高工產研鋰電研究所(GGII)初步統計,國內涉足18650電池的企業目前已經超過20家。

 

不過,由于18650電芯單顆容量小,普遍在2-4Ah左右,串并聯數量太多,單體失效風險概率較大,導致其在主流乘用車和客車領域的應用受到一定的限制。18650電池的市場正遭遇來自方形電池、軟包電池等其它電池型號的挑戰,18650的投資擴產潮也伴隨一定的市場風險

 

一個明顯的信號是,率先使用18650電池的特斯拉已將目光轉向了21700電池。

 

據了解,特斯拉與松下合作生產的21700電池已經實現量產。特斯拉CEO馬斯克介紹,當Model3汽車出來之后,將會重新審核是否選用21700電池制造ModelSModelX型號汽車。一旦審核通過,21700電池很有可能全面替代特斯拉汽車上的18650電池。

 

“新電池將會擁有最佳的能量密度,成本也將是最低的。”隨著產能的有序提升,馬斯克表示希望通過大規模量產電池將每輛Model3的成本降低30%左右,同時解決特斯拉交貨緊張的問題。

 

據了解,特斯拉采用21700電池后,由于同等能量下,所需電池的數量可減少約1/3,這將帶來整個Pack內部金屬連接件數量的減少,從而進一步降低電池Pack的重量,整車的能量密度將得到部分提升。而這種方式也為國內18650電池企業在提升能量密度和降成本方面提供了參考。

 

高工鋰電網了解到,目前國內18650電池企業基本上都對特斯拉的方式表示認可,并且也在進行相關布局。其中,深圳比克、遠東福斯特、猛獅新能源等圓柱電池企業都明確宣稱將在未來產能擴充中投產21700電池。

 

 

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