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汽车动力电池技术路线图——固态风口,核能终结!

导读: 中国制造 2025 要求 2020 年 300 Wh/Kg,2025 年 400 Wh/Kg,目前量产动力电池单体能量密度在 230±20 Wh/Kg。

中国制造 2025 要求 2020 年 300 Wh/Kg,2025 年 400 Wh/Kg,目前量产动力电池单体能量密度在 230±20 Wh/Kg,对目前各类电池技术体系全面分析后,我们提出汽车动力电池技术路线图:

2020 年高镍正极+准固态电解质+硅碳负极实现 300 Wh/Kg;

2025 年富锂正极+全固态电解质+硅碳/锂金属负极电池实现 400 Wh/Kg;

2030 年燃料/锂硫/空气电池实现 500 Wh/Kg;

核聚变是人类社会终极能源方式;

动力电池命名体系——正极-中间层-负极命名体系。

汽车动力电池技术路线图——固态风口,核能终结!

目标与现状

1. 中国制造 2025 要求 2020 年 300 Wh/Kg,2025 年 400 Wh/Kg

工信部、发改委、科技部 2017 年 4 月印发《汽车产业中长期发展规划》提出:到 2020 年,新能源汽车动力电池单体比能量(能量密度)达到 300 Wh/kg以上,力争实现 350 Wh/kg,系统比能量力争达到 260 Wh/kg;到2025年,动力电池系统比能量达到 350 Wh/kg。

按照《中国制造2025》确定的技术目标,2020年锂电池能量密度达到 300 Wh/kg,2025 年能量密度达到 400 Wh/kg,2030 年能量密度达到 500 Wh/kg。

汽车动力电池技术路线图——固态风口,核能终结!

2. 目前量产 200 Wh/Kg,实验室实现 300 Wh/Kg

基于国产高镍正极材料,尤其 NCM622 材料,目前方壳电池单体能量密度超过200 瓦时/公斤,全部电池单体能量密度在 230±20 瓦时/公斤,系统能量密度接近 160 瓦时/公斤。

宁德时代、力神、国轩承担新型锂离子动力电池项目,采用高镍三元正极和硅碳负极,软包电池能量密度都达到 300 瓦时/公斤。

我们认为,基于高镍三元+硅碳负极材料,现有体系的锂电池的能量密度很难突破 300 Wh/kg。

汽车动力电池技术路线图——固态风口,核能终结!

未来电池技术分析

3. 2020 年高镍正极+准固态电解质+硅碳负极实现 300 Wh/Kg

技术原理

三元正极材料通过 NiCo-Mn/Al 的协同作用,结合了钴酸锂循环性能好,镍酸锂高比容量和锰酸锂成本低安全性能好的优点。在三元材料的各个组分中镍决定电量,钴决定充放电速度,锰决定稳定性,随着镍含量的增加,电池的放电比容量也随之增加,热稳定性和容量保持率有所降低,但随着三元电池安全性得到提高与工艺演进,更高镍三元材料是大势所趋。

汽车动力电池技术路线图——固态风口,核能终结!

传统石墨负极克容量较低(372mAh/g),硅理论比容量高达 4200 mAh/g,是石墨的10倍以上,但其在嵌脱锂循环过程中具有严重的体积膨胀和收缩,造成材料结构的破坏和机械粉碎,从而导致电极表现出较差的循环性能。

结合碳材料和硅材料的优缺点,将两者复合为硅碳负极使用,以最大化提高其实用性。

汽车动力电池技术路线图——固态风口,核能终结!

准固态电解质采用硫化物、氧化物、聚合物等固态电解质部分替代当前有机电解液和隔膜,可提升电压平台,内部串联可提高系统能量密度。

汽车动力电池技术路线图——固态风口,核能终结!

优势

能量密度高:层状结构 NCM中,镍是主要的氧化还原反应元素,提高镍含量可以有效提高 NCM的比容量,高镍含量 NCM 材料(Ni的摩尔分数≥0.6) 具有高比容量,硅理论比容量高达4200mAh/g,能量密度非常高;

成本低:镍价格远低于钴;

高电压:固态电解质比有机电解液普遍具有更宽的电化学窗口,有可能达到5V,适应于高电压型电极材料。

技术难点

循环性能差:Ni元素含量较高,晶格结构不稳定,Ni主要以+2价为稳态,循环过程中Ni离子在+2、+3、+4价之间进行氧化还原反应,Ni会缓慢的趋向+2价从而导致结构坍塌,Li+不能正常嵌插与脱出,结果使得电池电化学性能衰减较快;

高温性能差:振实密度低,表面包覆改性等技术可有效减少副反应,改善其电化学性能和热稳定性;

工艺控制难:高镍 NCM材料的性能和结构与制备工艺紧密相关,不同的制备过程与条件直接影响产品的最终结构和性能;

硅体积膨胀问题:硅在嵌锂过程中体积膨胀效应高达340%倍,目前主要从硅的改性、硅的合金化、硅的多孔化、硅的纳米化、电池结构设计、硅的核壳结构、三明治结构等方面进行改进;

固态电解质电导率较低,电极/电解质固固界面问题等。

目前进展

汽车动力电池技术路线图——固态风口,核能终结!

2017 年中国锂电池硅碳负极材料产量已经超过 1500 吨,同比增长超过 130%,其中前五企业市场集中度占比超过 90%,在全年锂电负极材料总产量中占比 1%。

汽车动力电池技术路线图——固态风口,核能终结!

高镍正极+硅碳负极部分锂电企业已实现量产,预计 2020 年将大规模产业化。

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