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梳理演進史、展望新十年,動力鋰電池新技術革命潛滋暗長

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2021年05月21日  

對我國動力鋰離子電池行業而言,已落下帷幕的2020年或許是一個節點。過去10年,我國新能源汽車產業取得了長足發展,完成了從政策驅動向市場驅動的轉變,在其背后則是整車核心零部件——動力鋰離子電池性能的不斷向上求索。


“一代正極材料,一代動力鋰離子電池”,從錳酸鋰到磷酸鐵鋰和三元鋰,動力鋰離子電池行業從未停止技術創新的腳步。在新能源汽車產業進入新發展階段的當下,動力鋰離子電池的技術創新也正在揭開新的篇章。下一代動力鋰離子電池,正在從根本的材料方面尋求突破。毫無疑問,未來10年將是動力鋰離子電池發生根本性技術變革的10年。


鋰離子電池是電動化中堅力量


石墨作為負極,過渡金屬的氧化物材料作為正極,再加上正負極之間的液體電解液組成了鋰離子電池。“過去是鋰離子電池支撐了新能源汽車的發展。”我國科學院物理研究所研究員黃學杰在我國電動汽車百人會論壇(2021)上如此表示。新能源汽車產業發展至今,一代代鋰離子電池成為了中堅力量。


作為“古老”的第一代正極材料,錳酸鋰已逐步退出汽車的歷史舞臺。黃學杰介紹道,錳酸鋰離子電池從首次被報道至今過去了三十多年,得益于錳酸鋰的低成本、高安全和環境適應性,配裝錳酸鋰離子電池的日產聆風全球累計銷量已突破50萬輛。不過,由于第一代動力鋰離子電池的比能量較低,后來便逐漸被磷酸鐵鋰和三元鋰離子電池所取代。現在,第一代動力鋰離子電池仍舊在電動兩輪車、電動三輪車上釋放著自己的生命力。


在黃學杰看來,磷酸鐵鋰離子電池為我國新能源汽車產業的發展做出了重要貢獻,之后也將為儲能產業的發展做出重要貢獻。磷酸鐵鋰離子電池雖在長壽命和高安全性方面優勢明顯,但同時也具備電壓低、材料密度低、比能量低的不足。不過,近年來,磷酸鐵鋰離子電池的能量密度得到大幅提升。通過優化電池和電池組以及PACK設計,比亞迪配裝磷酸鐵鋰離子電池的電動汽車型續駛里程可達600公里。今年年初,國軒高科公布了磷酸鐵鋰離子電池芯片,單體電池比能量可達210Wh/kg,2022年的目標是230Wh/kg。記者了解到,2020年,我國動力鋰離子電池裝機量累計為63.6GWh,磷酸鐵鋰離子電池裝機量累計為24.4GWh,占總裝機量的38.3%。


目前,占據動力鋰離子電池主流技術路線的則是三元鋰離子電池。三元鋰離子電池由于高比能量的優勢,受到高端乘用車型的青睞。目前頭部公司已在生產、銷售300Wh/kg的三元鋰離子電池,車輛續駛里程可達700公里以上。不過,三元鋰離子電池的安全性問題也讓其發展遇到了一定的瓶頸。


材料和結構創新從未停止


隨著新能源汽車產業的發展,動力鋰電池在材料和結構方面的創新也在不斷推進。為了在能量密度、安全、壽命、快充等方面尋找平衡,行業一直在針對第三代液態鋰離子電池的材料和結構進行創新。我國科學院院士歐陽明高指出,動力鋰離子電池系統結構創新,輔以單體材料改進,成為近年來我國動力鋰離子電池技術創新的鮮明特點。


有關正極材料來講,目前三元鋰離子電池在往“減鈷加鎳”的方向發展。黃學杰認為,今后三元鋰離子電池提升能量密度的大方向不變,前提是要減少鈷的比例和用量,逐漸擺脫對貴金屬的依賴。有關磷酸鐵鋰來講,正極的發展方向則是尖晶石鎳錳酸鋰。磷酸鐵鋰的正極材料得到改變后,最直觀的好處就是可將電壓從平均3.4V提升到平均3.7V。據悉,目前磷酸鐵鋰動力鋰離子電池的性價比最優,單體電池成本已下降至低于0.5元/Wh。在規模擴大之后,磷酸鐵鋰離子電池的成本還能夠進一步降低。


記者還了解到,在三元鋰離子電池能量密度不斷提升的同時,要從現有的重量比能量(Wh/kg),進一步考量體積比能量(Wh/L),以滿足在有限空間內布置電池的實際需求。“電動汽車發展到今天,有關乘用車和商用車來講,更重要的不是減重,而是縮小電池體積。”黃學杰表示,行業更應關注動力鋰離子電池的體積能量密度,而非比能量密度。


隨著材料的改變,動力鋰離子電池行業也逐漸出現了很多“熱詞”。針對“無鈷”的爭議,黃學杰指出,無鈷正極有兩層意思,一是指磷酸鐵鋰、鎳錳酸鋰這類完全無鈷的材料,一是說鈷含量低于1%。此前,廣汽集團也公布通告解釋了新亮相的兩項動力鋰離子電池技術。石墨烯基超級快充電池與長續航硅負極電池是兩種不同的技術,分別解決“充電速度慢”、“續駛里程短”這兩個動力鋰離子電池應用中的不同“痛點”。其中,石墨烯基超級快充電池已按計劃進入實車測試階段,預計年內首次配裝現有AIONV車型;硅負極電池也已按計劃進入實車測試階段,預計年內首次配裝現有AIONLX車型。


如今,第三代傳統液態鋰離子電池也已在動力鋰離子電池市場應用整整10年,但其熱失控、低溫衰減等問題卻始終未被完全解決,安全與能量密度相互矛盾。2020年,為推動新能源汽車快速發展,CTP技術、刀片電池、果凍電池等最新技術陸續公布,動力鋰離子電池已然進入新的技術變革周期。


將迎固態電池破壁的10年


新一代電池的研究方向,正在從最根本的材料方面做出突破,逐漸過渡到全固態電池。我國工程院院士陳立泉表示,固態鋰離子電池的負極材料可以是納米硅和石墨的復合負極,正極可以是高電壓錳酸鋰、也可以是富鋰錳基材料或不含鋰的正極材料,電解質是固體電解質,比能量可以達到300~450Wh/kg。


據介紹,固態電池帶來的革命,將不僅是電解質材料的升級,還涉及動力鋰離子電池的材料、制造方法及系統結構。電解質材料從有機可燃的液態(電解液)到無機不可燃的固態,不僅適用于鋰離子電池,同樣還能在鈉離子電池、鋰空氣電池(以空氣中的氧氣作為正極反應物,結構類似于干電池)等產品中應用。


最近,蔚來汽車公布了150Wh的固態電池,在行業內引起了軒然大波。記者了解到,國內有關固態電池的研究一直在進行中。陳立泉提到,中科院物理研究所自1976年起就開始研究固體電解質材料,并在2016年成立了衛藍新能源公司,2018年比能量達到300Wh/kg的固態電池進行了樣車試驗,現在固態電池產品已供給無人機使用。


其實,有關固態電池核心材料,現在預鋰化要的鋰箔和涂固體電解質粉料的隔膜都已實現產業化。日前,寧德時代公開了“一種固態電解質的制備方法”、“一種硫化物固態電解質片及其制備方法”兩種固態電池相關專利。比亞迪也公布了“一種正極材料及其制備方法、一種固態鋰離子電池”、“一種鋰離子電池固態電解質及其制備方法和固態鋰離子電池”兩項專利。一場有關固態電池的技術和產業化競爭已拉開帷幕。


在陳立泉看來,再下一代動力鋰離子電池就是遠期的鋰硫電池或鋰空氣電池。黃學杰認為,液態的鋰硫電池有最高的比能量,未來10年預計也會走向固態化。“未來10年將是固態電池破壁的10年。”黃學杰表示,“到2030年,電動汽車在經濟性上可以戰勝燃油車,比能量500Wh/kg以上的固態電池將走向適用。”


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