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磷酸铁锂/三元/固态锂:谁是动力电池未来?

导读: 如今,在电动汽车大发展的带领下,动力电池的进步亦是有目共睹。现如今在市面上的电池主要是两种,即三元锂电池与磷酸铁锂电池,此外潜力巨大的固态电池也被人们越来越重视。

如今,在电动汽车大发展的带领下,动力电池的进步亦是有目共睹。现如今在市面上的电池主要是两种,即三元锂电池与磷酸铁锂电池,此外潜力巨大的固态电池也被人们越来越重视。

2017年1-7批新能源车汽车推荐目录电池占比分析:

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国家在大力扶持新能源汽车,仅2017年国家便出台了16项相关政策。而新能源汽车也趁着这股顺风迅猛发展。市场预计今年将产销70万辆新能源汽车,以此带动的动力电池需求将进一步放大。但在下游原材料价格暴涨以及上游整车厂价格打压的双重压力下,市场预计,在短暂的火爆期之后,成本和技术导向将令动力电池行业将进入洗牌期。 

新能源汽车的重要瓶颈之一在于电池的续航里程。在此背景下,国家《促进汽车动力电池发展行动方案》、《节能与新能源汽车技术路线图》等纷纷鼓励高能量密度电池的使用,近期《外商投资产业指导目录(2017年修行)》提出解除纯电动汽车合资企业限制以及取消汽车电子和动力电池股比限制,也是促进国内新能源汽车市场推广应用高能量密度电池的重要举措。

目前,国内新能源汽车大部分在采用磷酸铁锂(BYD为主)和三元锂电池,乘用车续航里程基本上都能够达到200公里,但是电池系统平均能量密度水平仅为115 Wh/Kg。

2017年3月份,国家工信部等四部委联合颁布《促进汽车动力电池发展行动方案》,指出到2020年,要求新型锂离子动力申池单体比能量超过300 Wh/Kg;系统比能量力争达到260Wh/Kg。

磷酸铁锂

磷酸铁锂电池采用磷酸铁锂(LiFePO4)作为正极材料。

磷酸铁锂晶体中的P-O键稳固,因此在零电压存放时并不会有泄漏,高温条件下或过充时安全性非常高,可快速充电,高放电功率,无记忆效应,循环寿命高,缺点为低温性能差,正极材料振实密度小,能量密度较低,产品的成品率和一致性也饱受质疑。

磷酸铁锂电池所需原材料无需进口,供应充足,价格稳定,成本相对较低。磷酸锂电池的循环寿命要远远大于三元锂电池。

缺点:低温条件下(气温低于-10℃以下),磷酸锂电池衰减得非常快,经过不到100次充放电循环,电池容量将下降到初始容量的20%,基本与寒冷地区的使用绝缘了。正极材料振实密度小,能量密度较低,产品的成品率和一致性也饱受质疑。

磷酸铁锂电池单体能量密度为140Wh/kg,已经接近理论极致170Wh/kg。

三元锂电池

三元锂电池全称是“三元材料电池”,一般是指采用镍钴锰酸锂(Li(NiCoMn)O2,NCM)或镍钴铝酸锂(NCA)三元正极材料的锂电池,把镍盐、钴盐、锰盐作为三种不同的成分比例进行不同的调整,所以称之为“三元”。

优点:三元锂电池的低温性能优异,在-30℃条件下可保持正常电池容量,更适应北方低温地区的使用条件。三元电池的能量密度180Wh/kg,今后还有很大的提升空间。

其标称电压可达到3.6-3.8V,能量密度比较高,电压平台高,振实密度高,续航里程长,输出功率较大。

缺点:高温条件下,三元锂电池的三元材料会在200℃时发生分解,在高温作用下极易发生燃烧或爆炸的现象。

从制造成本上来看,三元锂电池所必需的钴元素在我国储量较少,大部分靠海外进口,受到市场波动影响非常大,所以三元锂电池的成本居高不下。

三元锂电池产品已经趋于成熟,美国特斯拉Model系列车型已经实现突破,其Model 3即将规模化销量,进一步论证三元锂动力电池的可行性。Model 3采用全新21700电池,相比18650电池在外观上变长变粗,能量密度也提高了20%,单体电池容量可达3~4.8Ah,大幅提升35%。毫无疑问,当前三元锂动力电池已然为主流产品。

固态锂电池

除了现在市场上主流的三元锂电池与磷酸铁锂电池之外,越发被人重视的固态锂电池则被称为未来的电池新星。

传统的液态锂电池被称为“摇椅式电池”,摇椅的两端为电池的正负两极,中间为液态电解质。锂离子像一个运动员,在摇椅两端来回奔跑,锂离子从正极到负极再到正极的运动过程中,电池的充放电过程就完成了。而固态电池的电解质为固态,具有的密度以及结构可以让更多带电离子聚集在一端,传导更大的电流,进而提升电池容量。

从技术潜力角度来看,三元锂动力电池能量密度提升相对困难,全固态锂电池能量密度提升,从理论上讲更具可行性。一是全固态锂电池电压平台提升,固态电解质比有机电解液普遍具有更宽的电化学窗口,有利于进一步提升电池的能量密度;二是固态电解质能阻隔锂枝晶生长,材料应用体系范围大幅提升,为具有更高能量密度空间的新型锂电技术奠定基础。三是全固态锂电池当前能量密度约400 Wh/Kg,预估最大潜力值达900 Wh/Kg,有超过100%的提升空间。

固态锂电池在继承传统锂电池的优点基础上,安全性、能量密度等方面有了大幅进步。目前,目前全固态锂电池研发可提供的能量密度基本可达 300~400Wh/kg,其有望成为作为下一代高能量密度动力和储能电池技术的重要发展方向,为学术界和产业界的共识。

总而言之,磷酸铁锂技术路线正在被替代,三元锂电池技术路线已经成为主流,全固态锂电池或新锂离子电池技术路线将逐步替代三元锂。

未来,新能源汽车的健康与规模化推广应用,很大程度上取决于高安全、高续航里程的动力电池的支撑力度。当前,新能源汽车动力电池技术进步将受国家政策、外部竞争的双重压力驱动,这就要求现有三元锂动力电池技术持续提升,同时也需要新的锂离子电池的技术攻关和突破,以实现颠覆性的革新。对动力电池企业说,现在是最好的时期,也是最坏的时期。

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