國內動力鋰電池市場格局漸成 三元材料成開發(fā)重點
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-31 12:34
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霧霾成災，大氣污染治理已經迫在眉睫，提倡綠色出行，發(fā)展新能源汽車是實現(xiàn)節(jié)能減排大目標的有效途徑之一，所以國家政策非常鼓勵新能源汽車的發(fā)展，年初以來出臺了數(shù)十項中央和地方新能源汽車相關政策。國內新能源汽車市場受此利好，9月銷量創(chuàng)歷史新高，年內肯定超過5萬輛，拉動下游動力鋰電池需求快速增長，在磷酸鐵鋰電池理論能量密度有限情況下，為提升車輛續(xù)航里程，高能量密度的三元材料動力鋰電池被市場普遍看好。
中國新能源汽車市場迎來拐點
2014年中國新能源汽車的銷量預計將會達到7萬輛，即將迎來拐點。
2014年中國新能源汽車利好政策頻出，發(fā)展新能源汽車逐步上升為國家戰(zhàn)略。自2013年以來中國新一輪的新能源汽車政策頻出，直接推動了國內新能源汽車市場的快速發(fā)展，本輪的產業(yè)政策呈現(xiàn)了國家和地方兩個層面互補，基礎設施建設實質推動，國家部委多部門聯(lián)動的特點。
在此基礎上，國內的新能源汽車蓬勃發(fā)展，2014年1~9月新能源汽車累計產量達到41331輛，同比增長4倍。國內新能源汽車產業(yè)政策呈現(xiàn)以下游應用市場開拓為主，以稅收刺激政策為輔，意在通過下游產業(yè)規(guī)模擴張從而帶動新能源汽車產業(yè)突破的態(tài)勢。新能源汽車產業(yè)政策還呈現(xiàn)兩大特點：一是新能源汽車發(fā)展戰(zhàn)略成為節(jié)能環(huán)保大戰(zhàn)略的重要組成部分。二是各地方新能源汽車政策和措施進一步細化，產業(yè)進入實質啟動階段。
新能源汽車已經成為節(jié)能環(huán)保大戰(zhàn)略的重要組成部分。2013年7月，國務院常務會議提出節(jié)能環(huán)保產業(yè)成為中國產業(yè)發(fā)展的支柱產業(yè)，指出政府公務用車、公交車要率先推廣使用新能源汽車，同步完善配套設施。同年9月，國務院發(fā)布《大氣污染防治行動計劃》，京津冀、長三角、珠三角等區(qū)域成為大氣污染治理的重點區(qū)域，新能源汽車作為強化污染源污染防治的重要舉措，受到各地政府的重視。同期的北京、上海、深圳等地方政府提出的新能源汽車推廣計劃也是基于大氣污染防治行動計劃目標而制定的。
伴隨國家層面新能源汽車產業(yè)政策在2013年的密集推出，各地方政府陸續(xù)推出了新能源汽車推廣計劃以及相應的政策措施。由于本輪國家新能源汽車推廣設定較高的推廣門檻，客觀上鼓勵了有產業(yè)技術和經濟基礎的地方政府參與。從參與的40多個城市和地區(qū)看，深圳、上海和北京成為新能源汽車大型城市推進的領頭地區(qū)。本輪的推廣在地方層面還出臺了很多地方政策措施，主要在私人充電樁建設、企業(yè)充電站運營等領域制定了細則和優(yōu)惠政策。以商業(yè)模式創(chuàng)新為契機，新能源汽車發(fā)展呈現(xiàn)蓬勃之勢。
在政策強力助推下，國內新能源汽車發(fā)展迅速，今年新能源汽車年銷量肯定超過5萬輛，從國外經驗看，新能源汽車年銷量突破5萬輛的水平，市場將從量變到質變，新能源汽車有望真正走向商業(yè)化運營，以美國新能源汽車市場發(fā)展為例，2012年美國新能源汽車銷量突破5萬輛，2013年增長達到80%。2014年以來美國電動汽車銷量持續(xù)火爆，上半年新能源汽車累計銷量5.5萬輛，同比增長44.5%，預計2014年美國新能源汽車銷售量可以達到16.5萬輛。
從目前我國各地推廣應用的情況看，2014年中國新能源汽車的銷量預計將會達到7萬輛，即將迎來拐點。
國內動力鋰電池市場格局漸成
今年國內動力鋰電池的需求量將達到1.4GWh，產值規(guī)模約40億元。
新能源汽車銷量向好拉動了國內動力鋰電池需求快速增長，多方預測今年新能源汽車銷量有望達到7萬輛，按照單車平均配備20kWh計算，今年國內動力鋰電池的需求量將達到1.4GWh，產值規(guī)模約40億元。
目前中國動力鋰電池主要生產企業(yè)有：比亞迪股份有限公司，2014年年初產能1.6GWh左右，年底前產能有望再擴大3GWh，產品為磷酸鐵鋰電池，2014年上半年，公司新能源汽車業(yè)務實現(xiàn)收入約27.48億元，同比增長1216.67%，占集團總收入的10.29%，拉動動力鋰電池需求約0.37GWh；天津力神電池股份有限公司，動力電池年產能約0.7GWh，目前也在尋求產能擴大，公司主要客戶有康迪、眾泰、江淮等，2013年公司總營業(yè)收入31.5億元，2014年上半年公司動力鋰電池出貨量約79.7MWh；合肥國軒高科動力能源股份公司，是目前國內唯一一家僅從事動力鋰電池業(yè)務的企業(yè)，公司產能0.32GWh，目前公司主要客戶為南京金龍、江淮等，2013年公司營業(yè)收入7.34億元，凈利潤2.21億元，2014年上半年營業(yè)收入3.52億元，凈利潤6981.19萬元，2014年上半年公司動力鋰電池出貨量約0.11GWh左右；東莞新能源科技有限公司，目前公司動力鋰電池產能約0.6GWh，主要為北汽、宇通等供貨，2013年公司動力鋰電池銷量約95.9MWh，創(chuàng)造銷售收入約3.4億元，2014年上半年公司動力鋰電池銷量約0.1306GWh。
三元材料成未來重點開發(fā)產品
磷酸鐵鋰電池穩(wěn)定性高、價格便宜，但能量密度提升空間有限。
從市場用量、技術的成熟度等方面看，目前國內動力鋰電池以磷酸鐵鋰正極材料的鋰電池為主，該材料具備穩(wěn)定性高、安全可靠、價格便宜、技術成熟等特點，但是理論能量密度提升空間有限，最大為150Wh/kg。
從國內主要動力鋰電池企業(yè)的產品情況來看：比亞迪一直以來堅持磷酸鐵鋰電池路線，電池單體能量密度達到130Wh/kg以上，基本接近理論極限，公司也在積極開發(fā)能量密度更高的磷酸鐵錳鋰材料新型動力鋰電池；天津力神產品以磷酸鐵鋰電池為主，目前在小批量生產三元材料動力鋰電池；國軒高科一直以來也是堅持在做磷酸鐵鋰動力鋰電池，主要為江淮汽車iEV系列純電動汽車配套，不過公司也開始在進行三元材料動力鋰電池方面的開發(fā)工作；ATL、哈爾濱光宇電源股份有限公司、深圳沃特瑪、中航鋰電(洛陽)有限公司等的產品也都主要是磷酸鐵鋰電池，不過也都紛紛開始關注三元材料動力鋰電池的開發(fā)，其中中航鋰電也開始小批量生產三元材料動力鋰電池。
由于市場比較看好三元材料動力鋰電池，作為國內唯一一家僅做三元材料動力鋰電池的波士頓電池有限公司，今年上半年公司獲得了大量的訂單，但公司橢圓形的電芯結構設計，與松下的18650圓柱電池、比亞迪的大型方殼動力鋰電池等主流電池形狀不同，贏得整車廠普遍認可存在一定難度。
未來在動力電池方面除三元材料將作為重點開發(fā)產品之外，為提高電池的能量密度，還將開發(fā)高能量密度的富鋰錳基正極材料、高電壓電解液、硅-碳負極材料、石墨烯材料等材料。
三元材料動力鋰電池主要有鎳鈷鋁酸鋰電池、鎳鈷錳酸鋰電池等，優(yōu)勢是高溫穩(wěn)定性好，抗電解質腐蝕性好，理論能量密度180kW/kg以上，但產品安全性、一致性方面有待提升。
這車能跑多少公里?。?rdquo;“充一次電要多長時間？”“電池是否安全？”
近日，在北京的一家新能源汽車4S店里，前來買車的一家人圍著銷售經理劉利不停地問著自己關心的問題。“現(xiàn)在大家在買新能源汽車時，詢問最多的就是有關續(xù)航里程、充電時間、冬天好不好充電的問題。”劉利說。
動力鋰電池已經成為電動汽車性能對比的標桿。然而，很多人不知道，決定鋰電池性能的關鍵是正極材料。
“正極材料才是動力鋰電池最為關鍵的原材料，它的性能直接決定了鋰電池的主要性能指標，在總成本中占據(jù)30%以上的比例。”北京當升材料科技股份有限公司副總經理陳彥彬告訴記者。
長期以來，缺乏高性能的正極材料是我國新能源汽車及其動力鋰電池產業(yè)發(fā)展的“痛點”。作為國內專注于鋰電正極材料研發(fā)的上市公司技術創(chuàng)始人，陳彥彬率領研發(fā)團隊于2014年在國內率先開發(fā)成功并量產的車用動力鋰電正極材料，其具有比容量高、循環(huán)壽命長、壓實密度高、低溫性能優(yōu)異等四大性能優(yōu)勢，相應的動力電池單體能量密度達到230Wh/kg，循環(huán)壽命達到4000次，低溫充放電性能優(yōu)勢也十分突出，已成為國內外高端電動車用動力鋰電池的首選正極材料。在2017年度北京市科學技術獎評選中，該項目榮獲二等獎。
高鎳型高能量，電動汽車長續(xù)航
據(jù)了解，目前已經商業(yè)化應用的鋰電池正極材料包括鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和NCM(鎳鈷錳)三元材料等產品。國內電動汽車發(fā)展初期，動力電池由采用磷酸鐵鋰正極材料的電池主導，雖然這種正極材料制作的電池的循環(huán)壽命較好，但能量密度比較低，這就導致電動汽車的續(xù)航里程相對較短。
“能量密度、循環(huán)壽命、高溫存儲穩(wěn)定性、低溫特性、安全性、成本是動力鋰電池的幾項關鍵指標。”陳彥彬說。
隨著乘用車對長續(xù)航里程的需求越來越迫切，必須開發(fā)更高能量密度的鋰電池正極材料。
“高鎳三元材料可以顯著提升鋰電池的能量密度,在單位體積或單位重量的電池中可儲存的電量更多,因而逐漸成為乘用車動力電池市場的主流。”陳彥彬說，從技術角度來看，三元材料能量密度、輸出特性、循環(huán)壽命、存儲穩(wěn)定性、安全性等主要性能指標相對而言比較均衡，因此是未來動力電池正極材料的主流方向。
與常規(guī)三元材料NCM111、NCM523相比，NCM622比容量高，用其制作的電池能量密度可達到230Wh/kg以上。
“更高鎳含量的NCM811和NCA盡管能量密度高，但制備難度大、生產成本高、安全風險大，目前主要用于小尺寸的圓柱電池（5Ah以下），應用于大型的方形電池和鋁塑膜軟包裝電池（50Ah以上）還面臨諸多的技術挑戰(zhàn)。”陳彥彬說，“因而NCM622是當前乃至未來幾年內高端大型動力電池的首選正極材料。”
相關資料顯示，2018年大眾、寶馬在其配套的動力電池選擇上，采用了高鎳NCM622，未來會采取更高鎳含量的三元材料。動力電池企業(yè)中，包括松下、LG、SK、三星等國際企業(yè)都在向高鎳三元材料動力鋰電池進軍。
在國內市場，無論是北汽新能源、比亞迪、吉利、眾泰等主流電動車企，還是寧德時代、孚能、卡耐、捷威動力等主流的動力電池企業(yè)，都在加大高鎳三元電池的開發(fā)和應用。
“從未來市場趨勢來看，電池單體的能量密度要達到280Wh/kg，甚至300Wh/kg以上，所以高鎳三元材料的應用將會成為一個長期的主流趨勢。”陳彥彬說道。
攻難關破瓶頸，掌握關鍵技術
然而，NCM622材料的開發(fā)并不容易。
“做高能量密度的三元材料，通過高鎳化或者提高工作電壓，把能量密度做上去很容易，但是它的循環(huán)壽命、高溫存儲特性會比較差，同時它的安全風險也在加大，要解決這些問題的技術難度很大。”陳彥彬說。
目前國際上只有少數(shù)技術領先的公司進行了動力鋰電高鎳三元NCM622的開發(fā)，現(xiàn)在也僅有三五家實現(xiàn)量產。國內大部分公司開發(fā)的NCM622材料堿性雜質含量高、循環(huán)性能差、熱存儲穩(wěn)定性差，尚不能用于高端動力鋰電池的生產。
“對三元材料來講，很大的一個問題就是因團聚體顆粒的斷裂、粉化所產生的‘孤島’不能參與充放電過程，形成的裂縫新界面還會發(fā)生更多的副反應，這些會導致鋰電池綜合性能的下降。要想有穩(wěn)定的顆粒結構和優(yōu)秀的綜合性能，就要從前驅體開始進行全流程系統(tǒng)設計。”陳彥彬說。
陳彥彬帶領研發(fā)團隊，系統(tǒng)開發(fā)了高鎳材料制備的諸多關鍵技術，包括前驅體沉淀技術、燒結工藝、摻雜技術、表（界）面協(xié)同修飾技術，增強了顆粒體相結構、表面與內部界面穩(wěn)定性，使材料的循環(huán)壽命、存儲性能和安全性有一個大幅度的提升。
通過對關鍵工藝技術的不斷改進，陳彥彬帶領團隊攻克了高鎳三元材料產品的眾多行業(yè)關鍵難題，建立了一整套處于行業(yè)領先水平的產品設計及其清潔高效制造技術。
首先采用硫酸鹽體系連續(xù)法合成一定規(guī)格的高密度球形前驅體，所得的前驅體具有特定的粒度分布，良好的球形度、結晶度、內部結構和顆粒強度，有利于制備綜合性能優(yōu)異的三元材料。
進一步，將前驅體與碳酸鋰通過高效混合設備快速混合，在一定的燒結溫度曲線以及氣氛條件下進行高溫燒結，使鋰鹽與前驅體充分接觸并完全反應。燒結料經過粉碎、分級，制備出微米級的超細粉體，再經過多元素、多物相的表（界）面協(xié)同改性處理，大幅提升了材料的穩(wěn)定性，有效抑制了電解液在正極表面的氧化分解和對正極材料的侵蝕溶解等副反應，達到提升材料結構穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性的目的，最終制備出綜合性能優(yōu)異的NCM622材料。
對于企業(yè)而言只有將實驗室的研究成果產業(yè)化才能實現(xiàn)其商業(yè)價值。當升科技的研發(fā)團隊通過不斷優(yōu)化改進制備工藝技術及設備，率先設計并建立了全自動大產能全密閉的前驅體清潔高效生產線和正極材料生產線。
“這是國內首條大產能、自動化、無斷點、全密閉的前驅體生產線和正極材料生產線，設備流程采用立體布局，最大程度的利用重力作用來減少物流成本和人工；堿液、洗水實現(xiàn)了梯次利用，生產單耗大幅度降低；燒結窯爐單線產能比原來翻了倍，單位產品的能耗、人工等大幅度降低。”陳彥彬說。
工程化產業(yè)化，成果轉化促發(fā)展
我國鋰電正極材料行業(yè)從起步到現(xiàn)在才不過十余年的時間。在鋰電正極材料的制備技術方面，整個行業(yè)的技術水平不高。
項目團隊所研發(fā)的高能量密度NCM622正極材料，實用電池的常溫充放電壽命可達4000次以上，遠高于國際同行2200次的水平，高低溫性能、安全性也大幅提高，該產品在2014年研發(fā)成功并出口國際高端鋰電市場，并在中高端電動汽車上大規(guī)模應用。
該項技術的產業(yè)化不僅滿足了高端鋰電材料的市場需求，同時也推動了國內鋰電正極材料工藝技術從傳統(tǒng)制造向清潔高效自動化智能化的方向發(fā)展。目前，當升科技已擁有國際前十大鋰電客戶，是全球同時向中、日、韓高端鋰電池企業(yè)提供高品質鋰電正極材料的兩家供應商之一，對促進行業(yè)整體水平的提高起到了示范引領作用。
項目的研發(fā)歷程也是近年來北京市高新技術企業(yè)科技創(chuàng)新的一個縮影，在北京市“10+3”高精尖產業(yè)發(fā)展政策的指引下，這些科技型企業(yè)緊密結合首都發(fā)展新形勢和產業(yè)發(fā)展新趨勢，把技術創(chuàng)新作為發(fā)展戰(zhàn)略的核心，不斷增強創(chuàng)新能力和核心競爭力，為北京建設具有全球影響力的全國科技創(chuàng)新中心貢獻了重要力量。
