电池化学关键技术趋势

创新和大规模工业化是围绕电池展开的关键趋势,主要体现在以下一些方面:

电池组拆解

阴极:之前阴极化学侧重于相对安全的技术,如LFP(磷酸铁锂)或LMO(锂锰氧化物),但由于其在能量密度上的限制,已转向镍基材料为主,特别是NCA(锂镍钴铝氧化物)和NMC(锂镍锰钴氧化物)。预计未来三到五年内,当前的NMC532和NMC622将被更高能量密度的阴极(如NMC811)所取代。镍通常会增加电池的能量密度,而钴则用于稳定系统。通过提高阴极活性材料的均匀性和纯度以及先进的电芯热稳定性管理,可以实现向更高镍含量的过渡。

阳极:目前应用的主要阳极材料是石墨。其主要优点包括它与锂的电位相似,可以实现高电池电位,因此,电池的成本低,制造过程简单、安全、环保。为了增加阳极的能量密度,加入了少量硅(大约5%)。预计到2025年,添加剂的用量将增加到20%,从而使能量密度提高三倍,约为1000毫安时/克。

电解质:下一代电解质的发展重点是液体电解质的改进和固体电解质的引入。由于液体电解质的高可燃性、毒性和有限的稳定性,目前禁止使用高压阴极材料来提高能量密度,因此液体电解质面临着安全问题的关键挑战。为应对这些挑战,一些添加剂正在研发中,其中一些可能在未来几年上市。讨论最多的技术之一是固态电池,它不同于当前的电池技术,因为使用固体电解质,在能量密度、安全性、温度稳定性和成本方面具有最大的潜力。它有助于显著减少充电时间,这将改变电动汽车的游戏规则。较短充电时间可减少长途充电需求,也楷体使用更小的电池。然而,固态电池的发展和商业化时间表仍不确定,在2025年之前扩大规模的可能性不大。“固态”材料包括聚合物、硫化物、氧化物、磷酸盐等,各有各的优缺点。目前,最有前途的技术是硫化物,它允许高电流密度(即快速充电)、高温稳定性(即需要较小的冷却系统)和良好的可制造性。固体电解质的另一个优点是其电位,允许使用双极电极进行叠层电池设计。与冷却系统相结合,可以显著降低电池组的重量、体积和成本。然而,这类材料面临的最大挑战是易受水的影响,需要在惰性气体下生产。

电压:电池组电压正从平均400V增加到800V,将提高充电速度,还可以降低成本,因为较低的电流密度可以减少母线和电缆的尺寸和重量。

其他组件:多层次管理控制器将降低成本和提高效率;电池管理系统模块化程度的提高可能会降低成本,实现更精确的测量,从而提高系统性能(如更快充电);通过使用更紧凑的几何结构和优化材料(铜与铝、机械继电器与半导体),降低过热风险,同时消除机械部件,使配电模块得到改进,延长使用寿命;用碳化硅(SiC)取代硅MOSFET,可以使电池充电器具有更高的耐压和耐高温性能,实现更快的充电。

供应商如何成功?

电池主要是由电池生产商供应,封装仍将是主机厂的重头戏;电池管理系统将主要由供应商提供,应用软件则由主机厂控制。作为电池供应商有几个因素对成功至关重要:

技术领先:主机厂、电池制造商和阴极、阳极、隔膜、电解质和专用材料制造商之间的新联盟正在形成。供应商需要通过内部创新和与价值链的头部企业合作,了解快速变化的电池技术。

规模成本:对于电池制造业而言,实现成本竞争力的一个主要驱动力是规模,这将减少生产的资本支出,降低销售管理费用和研发成本。而购买力的增加有助于确保供应,并改善与下游的谈判地位。

原材料/供应商协议:最关键的原材料是钴和镍,通常由为电池生产厂家生产活性材料的公司收购。选择合适的合作伙伴,甚至纵向整合上游,对缓解供应链的影响可能越来越重要。

汽车级认证:与消费类电子产品(锂离子电池的起源)不同,用于汽车应用的电池必须具有汽车级质量。这意味着故障率仅为百万分之几,并且具有恶劣环境条件下的可靠性。

接近主机厂:趋势是电池供应商和主机厂之间密切合作,以确保相关的承购量,并快速适应不断变化的需求,后者可能从选定的供应商处购买电池并内部封装。此外,未来供应商需要能够提供主机厂要求的完整的48V系统。

循环经济与可持续发展:电池制造业的可持续发展正受到越来越多的关注,决策者正在讨论电池生命周期评估、分类和行业环境标准。与此同时,主机厂正在寻找既能避免电池回收成本,又能回收有价值原材料的方法。在产品设计、回收技术、甚至新的循环商业模式等方面的创新,都可能成为电池制造商和供应商大有可为的途径。

价值链透明度:电池价值链的迅速扩大(到2030年将增长14倍)意味着对某些关键原材料的需求迅速增长,并带来若干环境和社会风险(如钴矿的童工)。能够针对这些风险提高透明度和合规标准的供应商,将拥有更好的卖点。

备战电动出行

电动出行(E-mobility)正处于一个重要转折点,二氧化碳排放法规的增加,消费者对清洁运输解决方案的偏好,以及电池成本下降,所需基础设施的日益可用性将加速电动汽车在20世纪20年代初在主要市场的推广。这些趋势的规模和范围正在颠覆供应链。

作为未来出行的终极模式,BEV最终将为客户提供比ICE或混合动力汽车更低的TCO(总拥有成本)。随着电池成本的持续下降以及密集充电基础设施网络的部署,未来十年内BEV将大规模普及。对此,您做好准备了吗?