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锂电池技术演进方向及其对电池材料的影响

  • 阅读数: 3151
  • 作者:天籁无寂
  • 2021-03-01 09:40:53
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中国金属矿业经济研究院陈俊全

摘要锂电池下一步升级研发的主流方向是全固态锂电池。对电池材料而言,正极领域中三元材料(高镍型)有望占据压倒性优势,从而有望在15年内稳居主流地位;负极材料下一代发展的主流方向是硅基负极,远期可能采用锂金属做负极,带来颠覆性影响;电池包装领域,铝电池箔有望显著受益。

2020年7月以来,新能源汽车行业走出了补贴大幅退坡的阵痛,迎来强势复苏。据统计,2020年四季度,全球新能源汽车月度产销量同比连续实现超过一倍的增长,成为全球各大产业中一枝独秀的风景。2020年全年全球实现新能源乘用汽车销售312.5万辆,同比增长41%。

1全球新能源汽车市场月度销量情况

数据来源EV Sales Blog、Insideevs、五矿经研院

全球新能源汽车有望自此开启15年以上的高速增长,直至基本实现对燃油车的替代。未来锂电池技术演进方向成为下一步行业关注的重问题。

一、“十四五”期间锂电池将朝着固态电池的方向升级

经过市场竞争大浪淘沙,锂电池已经战胜氢燃料电池成为动力电池的绝对主流技术路线。就锂电池的技术发展方向而言,根据各国及各大企业的路线图规划,下一代锂电池升级研发的主流方向是全固态锂电池,更远的未来可能进一步向锂空气电池发展。

实际上,全固态锂电池并不是锂电池的替代品,而是锂电池的升级版。其主要的变化是电解质的固态化、同时取消电池隔膜。升级的主要目的是为了提升锂电池的安全性和稳定性,进而有利于进一步提高电压、提升电池能量密度。

2动力电池发展技术路线图

数据来源国家《节能与新能源汽车技术路线图》、宁德时代

全固态锂电池可以继续沿用目前的正负极材料体系。同时,由于电池安全性的提高,对正负极材料稳定性的要求也不再那么苛刻,从而更有利于采用更高能量密度的正负极材料。如,正极更有利于采用高镍的三元材料,负极则更有利于采用硅碳负极乃至锂金属等高能量密度材料。

从全固态锂电池的实际研发进程,目前宁德时代、三星、松下等龙头企业都已经纷纷研制出了全固态锂电池的实验室产品,乐观估计可能在2025年左右投入商业化使用。2021年1月9日,蔚来汽车宣布,计划在2022年四季度率先推出装配固态电池包的电动车,电池单体能量密度达到360kw/kg,相比目前的高镍三元电池有近30%的提升。但据分析,该电池实际是半固态锂电池。

在主流技术路线外,锂硫电池(锂做负极、硫做正极)是固态电池的一个特殊分支,但它并不适合用于汽车动力电池。其主要因是锂硫电池的体积能量密度小,需要占用比较大的空间;同时,其充放电过程中体积变化大,循环寿命也很有限。因此锂硫电池并不适合作为汽车动力电池,仅用于无人机等特殊领域。

从远期,锂空气电池可能是锂电池的进一步升级,其负极采用锂金属,正极则是空气。但这项技术还非常不成熟,其研发应用还有很大的不确定性。

由此可见,在未来5年内,锂离子电池仍将占据主流地位。到2025年左右,全固态锂电池有望实现商业化应用。此后,按照以往的技术发展经验,预计全锂固态电池将有10年左右的黄金期。

二、正极领域三元材料主流地位15年内基本稳固

(一)磷酸铁锂的回暖具有阶段性

三元材料由于能量密度更高,是全球锂动力电池的主流选择。但随着补贴大幅退坡,磷酸铁锂迎来回暖,并对三元电池再次发起挑战。特别是比亚迪推出“刀片电池”以及国产特斯拉Model 3 采用磷酸铁锂电池,引起了行业巨大反响。

但实际上磷酸铁锂的回暖主要是凭借短期的成本优势,迎合了补贴大幅退坡后降成本的需要;其能量密度偏低、低温续航大打折扣且稳定性较差等劣势依然突出。尽管短期(2-3年内)磷酸铁锂会有回暖,但随着市场对续航里程要求的不断提高,以及三元电池安全性的提升和成本的下降,三元电池的高能量密度优势将更加受到市场重。尤其是近期宁德时代推出“永不起火”的三元电池,备受行业瞩目。三元电池将始终保持中高端市场的主流地位。

(二)在全固态锂电池时代,高镍三元材料将具有压倒性优势

全固态锂电池由于采用固态电解质,其稳定性和安全性大幅提高,从而可以规避高镍三元材料安全性偏低的劣势,充分发挥其高能量密度的优势,而高镍三元材料的能量密度还有较大的提升空间。而磷酸铁锂正极材料不仅能量密度受限,其活性也相对较差,这一劣势在与固态电解质搭配的情况下将更为凸显,从而导致充放电效率、电池性能也大打折扣。因此,进入全固态锂电池时代,高镍三元材料将具有压倒性优势。届时磷酸铁锂的应用空间将更加局限于低端动力和储能市场。

3我国动力电池装机情况——乘用车领域

数据来源全国乘用车联合会秘书长崔东树、五矿经研院

4我国动力电池装机情况——总体情况

数据来源全国乘用车联合会秘书长崔东树、五矿经研院

三、负极材料大方向明确,但存在颠覆的可能

(一)负极材料的现状人造石墨为主

锂电池负极材料主要分为碳材和非碳材两类。其中,碳材料包括石墨类负极材料、石墨烯负极材料、无定形碳材料等;非碳材料则包括硅基材料、钛酸锂等。石墨类负极又包括天然石墨和人造石墨。其中,天然石墨是采用天然鳞片石墨资源制备的球化石墨,人造石墨则是通过石油焦或针状焦转换而来。

5负极材料的种类示意图

数据来源行业公开资料

石墨类负极是当前性价比最高、也是应用最广的负极材料,其中又以人造石墨为主。根据GGII统计,2019年我国负极材料出货量为26.5万吨,其中人造石墨约占78.5%,天然石墨约占18.5%,其他材料占比不足3%。中国产量占全球的80%。

6我国各类型负极材料出货量情况(万吨)

数据来源高工锂电、五矿经研院

(二)所谓的硅基负极仍将以石墨材料为骨干

下一代负极发展的主流方向是硅基负极,但在硅基负极中石墨材料仍将发挥骨干作用。硅的理论能量密度是目前石墨类负极材料的10倍以上,且硅储量丰富,成本较低,因此硅基负极是公认的非常具有潜力的下一代高能量密度锂电池负极材料。

但是硅在充电过程中膨胀率可达300%(碳材料只有16%),放电时体积收缩,反复的体积变化导致循环性能较差,因此需要掺在石墨负极中使用。在目前大规模商用的硅基负极中,石墨依然占大部分比重(90%以上)。未来石墨材料的比重将会有所降低,但依然会起到骨干作用。

(三)未来天然石墨和人造石墨的比重有可能发生逆转

人造石墨的成本比天然石墨低20%以上,但目前人造石墨的应用比重远远高于天然石墨。这是因为天然石墨表面缺陷较多,与电解液相容性较差,导致循环寿命、安全性、快充性能等相对较差。但这一问题有望通过技术的突破得到解决,从而使成本更低的天然石墨得到更广泛的应用。

进入全固态锂电池时代,由于电解质发生了根本性改变,天然石墨的劣势将被进一步忽略,而其能量密度高、成本低的优势会进一步凸显,因而有望得到更大的应用。此外,在低端动力和储能等领域,天然石墨则将凭借成本优势大行其道。

(四)未来全固态锂电池负极也可能会有重大颠覆

为进一步提升电池整体的能量密度,未来全固态锂电池有可能直接用锂金属作为负极,从而有可能彻底颠覆以石墨为主的负极材料体系。目前相关技术仍然不够成熟,尤其是锂反复充放电的稳定性问题还没得到解决,因此未来技术走向有待进一步观察。

总体而言,负极领域人造石墨占主流的局势必将发生根本性变化。“十四五”期间硅基负极(以石墨为主、掺硅基材料)有望逐渐成为主流,同时天然石墨的占比有望得到显著提升。但此后,锂金属有可能带来颠覆性的改变。

四、铝电池箔在全固态锂电池时代的前景更佳

进入全固态电池时代,铝电池箔或将显著受益。这是因为全固态电池无需使用液体电解质,其外壳组装工艺有望得到简化,用铝塑膜做外包装有望成为普遍的选择。铝塑膜主要由表层尼龙层、铝箔和聚丙烯(树脂层)三层材料构成,其中,铝箔是核心的材料之一,厚度约40微米左右。

7软包电池铝塑膜结构示意图

资料来源中国电池联盟


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