動力電池發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)趨勢全面解析

電動化大趨勢愈演愈烈,我國通過政策的引導和扶持,已經(jīng)成為全球最大的新能源汽車市場。眾所周知,新能源汽車的重要瓶頸在于電池的續(xù)航里程。在此背景下,國家出臺了《促進汽車動力電池發(fā)展行動方案》、《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》,鼓勵高能量密度電池的使用,近期《外商投資產(chǎn)業(yè)指導目錄(2017年修行)》政策提出解除純電動汽車合資企業(yè)限制以及取消汽車電子和動力電池股比限制,這也是促進新能源汽車市場推廣應用高能量密度電池的重要舉措?；谡叩贡坪蛣恿﹄姵丶夹g(shù)本身的進步,我們通過三元鋰和固態(tài)鋰電池的產(chǎn)品技術(shù)對標模型分析,對未來動力電池發(fā)展格局進行推演。

一、動力電池發(fā)展現(xiàn)狀分析

目前,國內(nèi)新能源汽車仍然在采用磷酸鐵鋰(BYD為主)和三元鋰電池,車型續(xù)航里程基本上都能夠達到300公里,但是電池系統(tǒng)平均能量密度水平僅為115Wh/Kg。而2017年3月份,國家工信部等四部委聯(lián)合頒布《促進汽車動力電池發(fā)展行動方案》,指出到2020年,要求新型鋰離子動力申池單體比能量超過300Wh/Kg;系統(tǒng)比能量力爭達到260Wh/Kg。

數(shù)據(jù)顯示,我國動力電池能量密度現(xiàn)狀與目標值差距達126%,2020年達到目標值對磷酸鐵鋰電池來說太難了,但是對于以特斯拉為代表的三元鋰電池則是完全可能的,其采用的動力電池性能好,BMS管理系統(tǒng)效率也高;此外,固態(tài)鋰電池也可以將電池系統(tǒng)能量密度提升至260Wh/Kg水平。

1、三元鋰和磷酸鐵鋰電池——當前的中流砥柱

當前,全球新能源車市場進入蓬勃發(fā)展的關(guān)鍵時期,主流汽車企業(yè)紛紛布局新能源汽車,鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈因此快速成熟將進一步推動新能源汽車的規(guī)?；瘧?。從全球角度看,典型車企配套車型主要采用日韓動力電池,以三元鋰為主,續(xù)航里程基本都達到或超過350公里的水平。

表格1全球主流動力電池配套情況

再看國內(nèi),從2017年新能源汽車前6批推廣目錄來看,新車型搭載電池的能量密度也有不同程度地提升。第一批目錄中能量密度超過115Wh/Kg的車型僅占13.11%,到第五批目錄這一比例達到了73%,可以看出動力電池能量密度的提升已是大勢所趨。主流電動車企業(yè)配套的動力電池也逐步向三元鋰轉(zhuǎn)型,續(xù)航里程基本上都能夠達到300公里的水平。

表格2國內(nèi)主流動力電池配套情況

綜合國內(nèi)外動力電池企業(yè)搭載新能源汽車情況看,三元鋰電池成為主流技術(shù)路線的趨勢已經(jīng)不可逆轉(zhuǎn),但整車續(xù)航里程仍有提升的空間。這很可能是由于動力電池能量密度不高、BMS效率提升空間仍有待開拓等多方面原因所致。

2、全固鋰態(tài)動力電池——未來的發(fā)展方向

世界各國先后制訂的高能量密度鋰電池研發(fā)目標,均在積極地布局鋰硫電池、鋰空氣電池或鋰金屬電池等前瞻性技術(shù)。

固態(tài)鋰電池在繼承傳統(tǒng)鋰電池優(yōu)點的基礎上,安全性、能量密度都有了大幅進步。目前,全固態(tài)鋰電池研發(fā)可提供的能量密度基本可達300~400Wh/kg,有望成為下一代高能量密度動力和儲能電池技術(shù)的重要發(fā)展方向,這已是學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的共識。

圖1 世界各國對動力電池能量密度的階段目標

圖2 世界鋰電池技術(shù)路線走向

全球動力電池關(guān)聯(lián)企業(yè)也加速布局全固態(tài)鋰電池領域以搶占先機,目前各技術(shù)路徑的產(chǎn)業(yè)化進程不同,其中以聚合物固態(tài)電池發(fā)展較快,由于其高溫工作性能較好,已經(jīng)完成實驗室驗證并有小部分企業(yè)實現(xiàn)了小規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。

固態(tài)鋰電池(聚合物固態(tài)電池)研發(fā)應用現(xiàn)狀

法國Bollore:全固態(tài)二次電池(LMP),負極材料采用金屬鋰,電解質(zhì)采用聚合物(PEO 等)薄膜,目前已經(jīng)批量應用在法國的 EV,共享服務汽車“Autolib”和小型電動巴士“Bluelus,總體應用超過3000 輛。

美國Seeo:全固體二次電池采用大創(chuàng)公司的干聚合物薄膜,提供的樣品電池組能量密度為 130-150Wh/kg,2017 年能量密度能達到300Wh/kg,尚未推廣應用。

CATL:目前已經(jīng)設計制造出了容量為 325 mAh的聚合物電芯,表現(xiàn)出較好的高溫循環(huán)性能,尚未推廣應用。

中科院青島能源所:開發(fā)的大容量固態(tài)聚合物鋰電池“青能 I 號”完成深海科考,其能量密度超過 250 Wh/kg,500次循環(huán)容量保持 80%以上,在多次針刺和擠壓等苛刻測試條件下保持非常好的安全性能。“青能 II號”也已經(jīng)研發(fā)成功,能量密度高達 300 Wh/kg,尚未推廣應用。

此外,固態(tài)鋰電池中,硫化物固態(tài)電池(鋰硫電池)由于具有較高的能量密度和低廉的成本,有著巨大的開發(fā)潛力,豐田、三星、CATL、豐田等國內(nèi)外企業(yè)均紛紛加速布局,這其中以豐田技術(shù)最為領先。豐田在2010年就推出硫化物固態(tài)電池,2014年其實驗原型能量密度達到400Wh/kg,截止到2017年初,豐田固態(tài)電池專利數(shù)量達到30件,遠高于其它企業(yè)。據(jù)豐田高管透露,豐田或?qū)⒃?020年實現(xiàn)硫化物固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化。國內(nèi)企業(yè)CATL在硫化物固態(tài)電池方面相對領先,正加速開發(fā)純電動汽車用的硫化物全固態(tài)鋰金屬電池。

固態(tài)鋰電池(硫化物固態(tài)電池)研發(fā)現(xiàn)狀

豐田:2010年開始推出固態(tài)電池,2014年其實驗原型能量密度達到400Wh/kg。

三星日本研究所:利用硫化物類固體電解質(zhì)試制出2000mAh、175Wh/kg的壓層型全固態(tài)二次電池。

Sakti3(美國):2015年獲得英國家電巨頭戴森1500萬美元的投資,其開發(fā)的固態(tài)電池以陶瓷等為電解質(zhì),金屬鋰或鋰類合金為負極,能量密度達到1000Wh/L,目前仍處于研發(fā)階段。

清陶能源:公司核心在于高固含量的全陶瓷隔膜和無機固體電解質(zhì)的開發(fā)和生產(chǎn)。目前團隊已經(jīng)和北汽開展合作進行中試,未來可能作為北汽電動車的重要組件。

CATL:主要研發(fā)方向是硫化物電解質(zhì),采用正極包覆方法,解決了界面反應問題,熱壓方式降低了界面電阻

二、兩種技術(shù)路線的對比及影響分析

1、三元鋰電池:技術(shù)成熟,當前占據(jù)市場主流

從產(chǎn)品成熟度角度來看,美國特斯拉Model系列車型已經(jīng)實現(xiàn)突破,Model3即將規(guī)?；N量,進一步論證三元鋰動力電池的可行性。Model3采用全新21700電池,相比18650電池在外觀上變長變粗,能量密度也提高了20%,單體電池容量可達3~4.8Ah,大幅提升35%。毫無疑問,當前三元鋰動力電池已然為主流產(chǎn)品。

2、固態(tài)鋰電池:技術(shù)潛力大,有望成為未來的主流產(chǎn)品

從技術(shù)潛力角度來看,三元鋰動力電池能量密度提升相對困難,全固態(tài)鋰電池能量密度提升,從理論上講更具可行性。一是全固態(tài)鋰電池電壓平臺提升,固態(tài)電解質(zhì)比有機電解液普遍具有更寬的電化學窗口,有利于進一步提升電池的能量密度;二是固態(tài)電解質(zhì)能阻隔鋰枝晶生長,材料應用體系范圍大幅提升,為具有更高能量密度空間的新型鋰電技術(shù)奠定基礎。三是全固態(tài)鋰電池當前能量密度約400Wh/Kg,預估最大潛力值達900Wh/Kg,有超過100%的提升空間。固態(tài)鋰電池必將是未來的主流產(chǎn)品。

表格5三元鋰電池與固態(tài)鋰電池技術(shù)性能對比

3、固態(tài)鋰電池:安全性高,可大幅降低車輛自燃率

近年來國內(nèi)外多次出現(xiàn)新能源汽車自燃事故,新能源汽車的使用越來越關(guān)注。其主要原因在于動力電池(三元鋰為主)的問題,三元鋰電池的電氣安全、功能安全、化學安全、機械安全方面控制仍不給力。一般而言,三元鋰電池液態(tài)電解質(zhì)易燃易爆,在長期使用過程中容易觸發(fā)“熱失控”,在充放電過程中鋰枝晶的生長容易刺破隔膜,引起電池短路,造成安全隱患。但是全固態(tài)鋰電池則具有極高的安全性,其固態(tài)電解質(zhì)不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不漏液,同時也克服了鋰枝晶現(xiàn)象,搭載全固態(tài)鋰電池的汽車的自燃概率會大大降低。

綜合上述產(chǎn)品、技術(shù)、安全等方面的比較,全固態(tài)鋰電池在使用安全和技術(shù)潛力方面具有絕對的優(yōu)勢,但是三元鋰電在產(chǎn)品成熟度、市場滲透方面具有相當?shù)膬?yōu)勢。綜合來看,當前采用三元鋰電是純電動汽車最為明智的選擇。但是,一旦全固態(tài)鋰電池解決金屬鋰穩(wěn)定性差等問題后,將爆發(fā)強大的產(chǎn)品替代力,或?qū)㈩嵏矂恿﹄姵禺a(chǎn)業(yè)格局。

4、高能量動力電池發(fā)展格局預判

前文提到,國家的政策導向已經(jīng)非常明確,大力支持高能量密度的新型鋰離子動力電池的發(fā)展,并已經(jīng)有相應的政策細則體現(xiàn)。主要表現(xiàn)在三個方面:一是2017年6月份國家工信部發(fā)布的雙積分政策,通過高能量密度降低電池質(zhì)量而獲得低的百公里電能消耗量Y時,可以獲得1.2倍積分;二是去年年底補貼政策,強調(diào)了高能量密度(乘用車電池能量密度>120Wh/Kg)時,可獲得1.1~1.2倍補貼;三是從獲取補貼必須進入的新能源汽車推廣目錄來看,乘用車三元鋰電車型占比持續(xù)提升,今年第6批車型份額占比超過70%,已然促進了高能量密度電池的發(fā)展。

然而,雖然國內(nèi)新能源汽車推廣應用方面取得了良好成績,但是面向私人消費者的純電動乘用車產(chǎn)品仍受制于“里程焦慮”的影響,尚未實現(xiàn)大規(guī)模應用。私人需求端市場的突破與滿足要求動力電池的能量密度有進一步提升,就目前情況而言,僅三元鋰動力電池和固態(tài)鋰動力電池可能達成2020年目標。這將引發(fā)國內(nèi)動力電池技術(shù)新格局。

第一類,技術(shù)領先型,以CATL為代表。CATL企業(yè)本身已經(jīng)具備了三元鋰電技術(shù)沉淀,其產(chǎn)品將采用硅碳材料作為負極,“十三五”期間有望實現(xiàn)350Wh/kg目標;同時CATL在固態(tài)鋰電池(鋰硫電池、聚合物電芯)均取得了突破,如CATL設計制造的容量為325mAh的聚合物電芯高溫循環(huán)性能表現(xiàn)良好。技術(shù)的領先和提前布局,能夠保證企業(yè)在新技術(shù)的應用推廣時占據(jù)制高點。

第二類,技術(shù)跟隨型,以國軒高科、力神等為代表。國軒高科、力神等企業(yè)具備較強的市場基礎,都在加速研發(fā)具有高電池能量密度的三元鋰電技術(shù)。如科技部官網(wǎng)關(guān)于國軒高科三元鋰電技術(shù)的突破情況,稱其以“高鎳正極+硅基負極”為電池材料,實驗室電池能量密度水平達281Wh/kg。但是這類企業(yè)很少或者基本上沒有涉及到固態(tài)鋰電池技術(shù)儲備,該類企業(yè)或?qū)⒓涌焱侨毡狙芯克?、Sakti3(美國)、清陶能源等具有全固態(tài)鋰電池技術(shù)的企業(yè)合資合作。

第三類,技術(shù)轉(zhuǎn)型類,以比亞迪、萬向等為拜拜。比亞迪、萬向等企業(yè),其核心產(chǎn)品磷酸鐵鋰電池能量密度上升空間有限,逐步降低磷酸鐵鋰電池的影響,加速轉(zhuǎn)型三元鋰電池技術(shù)路線。其中,萬向旗下A123Systems磷酸鐵鋰產(chǎn)品能量密度止步于140Wh/kg左右;比亞迪計劃在2018年三元鋰電池能量密度達到240Wh/kg左右,2020年達到300Wh/kg左右。該類企業(yè)具有較強的技術(shù)積累和研發(fā)支撐,且有較強的技術(shù)嗅覺,或?qū)⒓訌娡锌圃呵鄭u能源所、國能電池研究院等科研院所的合作,加快全固態(tài)動力電池的研發(fā)。

總而言之,磷酸鐵鋰技術(shù)路線正在被替代,三元鋰電池技術(shù)路線已經(jīng)成為主流,未來全固態(tài)鋰電池或新鋰離子電池技術(shù)路線將逐步替代三元鋰。

三、發(fā)展建議

未來,新能源汽車的健康與規(guī)模化推廣應用很大程度上取決于高安全、高續(xù)航里程的動力電池的支撐力度。當前,新能源汽車動力電池技術(shù)進步受國家政策、外部競爭的雙重壓力驅(qū)動,這就要求現(xiàn)有三元鋰動力電池技術(shù)持續(xù)提升,同時也需要新的鋰離子電池的技術(shù)攻關(guān)和突破,以實現(xiàn)顛覆性的革新。對動力電池企業(yè)說,現(xiàn)在是最好的時期,也是最壞的時期。智電汽車認為,電池能量密度的“攻堅戰(zhàn)”已經(jīng)打響,動力電池行業(yè)格局將洗牌。未來企業(yè)要進入競爭力梯隊,需要重點做好兩點:一是要轉(zhuǎn)變思維方式和“居安思?！?由粗放規(guī)?；l(fā)展向“技術(shù)和規(guī)模化”并重的發(fā)展模式轉(zhuǎn)型,加速全固態(tài)鋰電池或新鋰離子電池技術(shù)儲備;二是要注重產(chǎn)品的安全性,既要加強與整車企業(yè)的合作,同時要規(guī)避“高田氣囊”事件在動力電池行業(yè)上演。