實現(xiàn)500 wh/Kg還要多久？鋰電池材料技術(shù)發(fā)展趨勢概述
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-18 11:21
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得益于新能源汽車的發(fā)展，動力電池處在高速發(fā)展的風(fēng)口，而新能源汽車的發(fā)展也對動力電池的性能不斷提出更高的要求，《促進汽車動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動方案》中提出，到2020年，新型鋰離子動力電池單體比能量要超過300wh／Kg，到2025年，要實現(xiàn)新體系動力電池單體比能量達500 wh／Kg。
在政策和市場雙驅(qū)動下，動力電池必然向著高能量密度、高循環(huán)性能、高安全性能等方向發(fā)展，這就需要研究機構(gòu)和企業(yè)在正極材料、負極材料、電解液方面做出改進。固態(tài)電池、硅碳負極、高鎳三元材料和富鋰錳正極等方向被認為是企業(yè)近年來發(fā)展的主流技術(shù)路線。
富鋰錳基正極：貴金屬含量少的理想材料
2025年單體電池要達到的技術(shù)目標是比能量400Wh／kg，開發(fā)更加高效節(jié)能的新型正極材料來克服和取代現(xiàn)有的存在缺陷的正極材料成為研究的熱點。在已知正極材料中，富鋰錳基正極材料放電比容量達250毫安時／克以上，幾乎是目前已商業(yè)化正極材料實際容量的兩倍左右；同時這種材料以較便宜的錳元素為主，貴重金屬含量少，與常用的鈷酸鋰和鎳鈷錳三元系正極材料相比，不僅成本低，而且安全性好。因此富鋰錳基正極材料被視為下一代鋰動力電池的理想材料。
實現(xiàn)500 wh/Kg還要多久？鋰電池材料技術(shù)發(fā)展趨勢概述
包括當(dāng)升科技、江特電機、中航鋰電在內(nèi)的很多企業(yè)都在加緊研發(fā)富鋰錳基正極材料。中科院物理所改善了富鋰錳基正極循環(huán)的電壓衰減，達到了100周后電壓衰減降至2％以內(nèi)的指標，取得重大進展。北京大學(xué)的團隊首次研制出比容量400mAh／g的富鋰錳基正極，可以達到400Wh／kg的目標。
目前富鋰錳基正極實現(xiàn)全面應(yīng)用還存在降低首次不可逆容量損失、提高倍率性能和循環(huán)壽命、抑制循環(huán)過程的電壓衰減等技術(shù)問題需解決。
高鎳三元材料：2018 年為發(fā)展元年
根據(jù)起點研究預(yù)測，2018鎳鈷錳的產(chǎn)量將達47GWh，將比去年上漲32％，而鈷酸鋰的產(chǎn)量將只有19GWh，僅比去年上漲5％。受制于鈷的稀缺和鈷價的連連上漲，電池企業(yè)積極推動三元材料高鎳化，通過降低電池中鈷的占比來降低成本， NCM811 的鈷分子含量僅為 6．06％。
鎳鈷錳材料能量密度高，電化學(xué)性能穩(wěn)定，具備高容量、低成本等優(yōu)勢，未來將逐步替代磷酸鐵鋰和普通三元電池。目前當(dāng)升科技、杉杉股份、貝特瑞等企業(yè)已經(jīng)具備了 NCM811 的量產(chǎn)條件，而2018年被認為是高鎳三元材料發(fā)展的元年。
固態(tài)電池：固體材料取代隔膜和電解液
全固態(tài)電池在業(yè)界和學(xué)界被公認為是下一步電池發(fā)展的主流方向之一。
實現(xiàn)500 wh/Kg還要多久？鋰電池材料技術(shù)發(fā)展趨勢概述
一方面，全固態(tài)電池技術(shù)是電池小型化，薄膜化的必經(jīng)之路。隔膜和電解液的體積加起來差不多占了電池體積的40％。如果把隔膜和電解液換成固態(tài)材料，正負極之間的距離可以縮短到幾微米，電池厚度大大降低。
另一方面，相比一般鋰電池，全固態(tài)電池的能量密度大幅提升，可以達到300－400Wh／kg，而鋰離子電池一般是100－220Wh／kg。而高安全性也是全固態(tài)電池的發(fā)展的重要驅(qū)動因素之一，從安全的角度來說，傳統(tǒng)鋰電池電解液是有機液體，在高溫下會氧化分解產(chǎn)生氣體，容易發(fā)生燃燒，極大增加了不安全性，如果以固態(tài)材料替代電解液，電池安全性能極大提升。
目前中科院青島能源所開發(fā)的聚合物固態(tài)電池，能量密度可以達到300Wh／kg，中科院寧波材料所開發(fā)的無機固態(tài)鋰電池，能量密度達到240Wh／kg，此外，該機構(gòu)正與贛鋒鋰業(yè)合作推進其產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)品計劃2019年量產(chǎn)。在行業(yè)內(nèi)，包括豐田、松下、三星、三菱、寧德時代等電池領(lǐng)軍企業(yè)都已經(jīng)投入研發(fā)、展開布局固態(tài)電池。
固態(tài)電池?zé)o疑是未來主流技術(shù)路線之一，不過目前還存在成本偏高、制備工藝復(fù)雜、技術(shù)不夠成熟等問題，電池的倍率性能整體偏低、內(nèi)阻較大、高倍率放電時壓降較大、快充不現(xiàn)實等問題也亟待解決，要實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化還有一段路要走。
硅碳負極：兩三年將迎來爆發(fā)
硅碳材料是目前最具商業(yè)化的高能量密度新型負極材料，SPIR預(yù)計，硅碳材料行業(yè)即將在2018年下半年開始真正大面積登上鋰電池負極材料大舞臺，在未來二到三年內(nèi)也必將迎來大爆發(fā)，行業(yè)前景廣闊。
實現(xiàn)500 wh/Kg還要多久？鋰電池材料技術(shù)發(fā)展趨勢概述
硅碳復(fù)合材料的超高理論能量密度可以顯著提升單體比容量，加上其具有低脫嵌鋰電壓、環(huán)境友好等優(yōu)點，被認為是一下代替代石墨的理想負極材料。隨著新能源汽車的發(fā)展對動力電池的比能量不斷提出更高的要求，未來石墨將逐漸被硅碳負極材料取代。
截至2017年12月份，國內(nèi)前8負極材料企業(yè)基本均在加大擴張硅碳材料產(chǎn)能，且也有多家跨行業(yè)的新進入者涉足布局硅碳負極材料，其新增產(chǎn)能將于2018－2019年開始陸續(xù)投產(chǎn)。比亞迪、寧德時代、國軒高科、貝特瑞、杉杉股份、力神、比克、萬向等都展開了對硅碳負極材料的布局。
盡管目前硅碳負極材料還存在成本高、技術(shù)難度大、配套產(chǎn)業(yè)不完善等問題，但實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的前景依然可期。
受新能源補貼政策影響，技術(shù)要求逐步提升
動力鋰電池可按電解質(zhì)材料、電池外形、外包材料、正/負極材料以及性能用途進行劃分，其中目前最主要的是以正極材料作為劃分動力鋰電池產(chǎn)品的依據(jù)，因為正極材料是電池中鋰離子之源，其性能直接關(guān)系到電池性能，是鋰電能量密度的基礎(chǔ)，是動力鋰電池中最關(guān)鍵的功能材料。動力鋰電池按正極材料分類，主要有三元鋰、磷酸鐵鋰、鈷酸鋰和錳酸鋰這四種，對應(yīng)的負極材料一般都是石墨。
2018年，我國動力鋰電池裝機量按正極材料分類，三元鋰電池的裝機量占比最高，達59%，首次超越磷酸鐵鋰電池，在總裝機量中占比超過一半；其次是磷酸鐵鋰電池，占比為38%；而錳酸鋰和鈦酸鋰電池二者合計3%。
細分新能源汽車具體類型的動力鋰電池裝機量情況來看，2018年我國新能源乘用車的裝機電池中，三元鋰電池占新能源乘用車動力鋰電池裝機量的90.42%，而磷酸鐵鋰電池占9.54%，錳酸鋰電池和鈦酸鋰電池幾乎沒有占據(jù)份額；但在新能源客車的裝機電池中，磷酸鐵鋰占新能源客車動力鋰電池裝機量高達93.25%，錳酸鋰電池和鈦酸鋰電池分別占3.99%和2.76%，三元鋰電池則為0，則是因為我國政府長期以來對三元鋰電池裝機新能源客車的限制，雖然目前目前我國政府已取消了這種限制，但在實踐中出于安全考慮，國內(nèi)所有的客車仍未敢使用三元鋰電池。而在專用車的裝機電池中，主要為三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池平分。
三元鋰電池的發(fā)展勢頭之所以如此迅猛，背后靠的是國家對新能源汽車補貼政策的不斷調(diào)整變更的因素。對比2017年新能源汽車補貼政策，2018年補貼在乘用車方面不僅重新劃分了續(xù)駛里程區(qū)間，還對動力電池的能量密度通過系數(shù)變化和調(diào)檔的方式提出更高的要求，對于百公里電耗量系數(shù)也分檔進行劃分，同時，電池能量密度系數(shù)可以與百公里電耗系數(shù)疊加。
磷酸鐵鋰電池曾是中國新能源汽車市場上的主流，雖然其充放壽命長，但電池系統(tǒng)的能量密度只在100Wh/kg左右，而三元鋰電池能量密度最高能達到330Wh/kg，隨著消費者對電動汽車續(xù)航里程的需求不斷提高，且具有電池能量密度優(yōu)勢的三元鋰電池預(yù)計將進一步取代磷酸鐵鋰電池市場。
