從動力電池看電動汽車快充發(fā)展方向
來源：寶鄂實業(yè)
2019-04-03 14:15
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我們定義慢充<1.6C，小快充1.6C~3C，快充≥3C，2017年快充客車產(chǎn)量6486輛，市場規(guī)模50億，磷酸鐵鋰、鈦酸鋰快充電池適合客車，三元快充電池適合乘用車、物流車，錳酸鋰快充電池適合PHEV插電混動汽車，2018年快充汽車市場預(yù)計百億。
百億市場
1.快充定義：慢充<1.6C，小快充1.6C~3C，快充≥3C
要理解快充，一個專業(yè)術(shù)語是逃脫不掉的。C!C是什么？C可以簡單理解為充、放電的速率。
鋰離子電池的充放電倍率，決定了我們可以以多快的速度，將一定的能量存儲到電池里面，或者以多快的速度，將電池里面的能量釋放出來。
舉個例子，1C的電流，從滿電到放電完全是用1/1=1小時，2C=1/2小時，也就是30分鐘，4C，則耗時15分鐘。
根據(jù)2018年新能源汽車補(bǔ)貼政策，充電倍率小于3C的屬于非快充類純電動客車，充電倍率高于(含)3C則屬于快充類純電動客車類，但補(bǔ)貼政策只針對新能源客車，無乘用車和物流車標(biāo)準(zhǔn)。
根據(jù)業(yè)界及CATL定義，電動汽車快充是指充電電流大于1.6C的充電方式，也就是從0%充電到80%時間小于30分鐘的技術(shù)。
筆者綜合兩方意見，提出<1.6C為慢充，1.6C~3C為小快充，3C以上為快充。
2.2017年快充客車產(chǎn)量6486輛，市場規(guī)模50億
根據(jù)電池中國數(shù)據(jù)，2017年我國快充客車產(chǎn)量6486輛，裝機(jī)量597.52MWh，占新能源客車總量的6%，市場容量約50億。
在2017年快充客車中，最高倍率為6.42C。倍率在3C-5C車型產(chǎn)量為4771輛，裝機(jī)量為480.68MWh；倍率在5C-10C車型產(chǎn)量為1715輛，裝機(jī)量為116.84MWh。目前快充客車快充倍率主要集中在3C-5C之間。
電池帶電量在80-120kwh的裝機(jī)量為488.88Mkwh，占比82.15%，比重最高。
從材料來看，2017年快充客車材料主要以鈦酸鋰為主，裝機(jī)量為571.54Mwh，占比95.65%，磷酸鐵鋰、錳酸鋰、超級電容和鎳氫電池材料均可實現(xiàn)快充功能，但技術(shù)應(yīng)用尚不成熟，所占比重極小。
3.2017年小快充市場約50億
根據(jù)2017年4種類型動力電池出貨量，1.54GWh錳酸鋰主要用于PHEV插電混動汽車，部分滿足小快充要求，16GWh三元電池汽車部分滿足小快充要求，綜合估算小快充汽車市場約50億。
技術(shù)路線
4.快充技術(shù)原理
如果我們把鋰離子電池形象地比喻為一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子就像優(yōu)秀的運動健將，在搖椅的兩端來回奔跑。
充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過電解液運動到負(fù)極。作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，以供到達(dá)負(fù)極的鋰離子嵌入。嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。
快充時，鋰離子需要加速瞬時嵌入到負(fù)極。這對負(fù)極的快速接收鋰離子的能力挑戰(zhàn)很大。普通化學(xué)體系的電池在快充時負(fù)極會出現(xiàn)副產(chǎn)物，影響電芯的循環(huán)和穩(wěn)定性。
能量密度與快充性能，在同一只電池中，可以說是不相容的兩個方向，不可兼得。
電池能量密度的追求，目前看是主流。當(dāng)能量密度足夠高，一臺車裝載電量足夠大，足以避免所謂“里程焦慮”，電池倍率充電性能的需求就會降低。
但是，電量大了，如果電池度電成本不夠低，那么是否要可丁可卯的購買足以“不焦慮”的電量，就需要消費者做出選擇，這么一想，快充就有存在的價值。
5.磷酸鐵鋰快充電池適合客車
磷酸鐵鋰快充電池是在技術(shù)最為成熟的磷酸鐵鋰體系內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化和潛力挖掘，材料成本相對較低，再結(jié)合成熟的技術(shù)背景及穩(wěn)定的產(chǎn)品性能，發(fā)展?jié)摿薮蟆４砥髽I(yè)有寧德時代(CATL)和沃特瑪?shù)取?/div>
寧德時代采用“超級鐵鋰+高能量密度快充石墨”體系快充電池，5C產(chǎn)品系統(tǒng)能量密度在70Wh/kg以上，3C型產(chǎn)品在115Wh/kg以上，循環(huán)壽命可達(dá)10000次。
正極方面開發(fā)了“超電子網(wǎng)”技術(shù)，增強(qiáng)磷酸鐵鋰的電子導(dǎo)電性能，可達(dá)三元材料的1000倍
負(fù)極石墨表面采用“快離子環(huán)”技術(shù)，相當(dāng)于在石墨表面打造一圈高速跑道，極大地加快鋰離子在石墨層的嵌入，修飾后的石墨兼顧超級快充和高能量密度的特性。
熱管理系統(tǒng)充分識別固定化學(xué)體系在不同溫度和SOC下的“健康充電區(qū)間”，做到“全氣候”快充。
沃特瑪在正極材料方面，使用粒徑更小的100nm~300nm磷酸鐵鋰，而市場上普遍的磷酸鐵鋰粒徑在300~600nm之間，這樣鋰離子將擁有更快的遷移速度，能夠更大倍率的電流進(jìn)行充放電。
在負(fù)極材料方面，沃特碼也是采用粒徑更小的人造石墨進(jìn)行碳包覆：小粒徑有利于鋰離子的脫離和嵌入;碳包覆能對電池的循環(huán)壽命進(jìn)行優(yōu)化改善;微孔的碳結(jié)構(gòu)有利于電解液的吸附和保液從而起到改善循環(huán)壽命的作用。
受限于理論能量密度的極值限制，磷酸鐵鋰未來在能量密度方面的發(fā)揮空間不大。但對于客車、物流車、專用車等商用車現(xiàn)已選用磷酸鐵鋰體系而言，快充則越來越體現(xiàn)出其重要性。
6.三元快充電池適合乘用車、物流車
三元體系快充體系，因其有更高的能量密度使該體系更受到重視，代表企業(yè)有寧德時代等。
寧德時代研發(fā)的“超導(dǎo)電子網(wǎng)”和“快離子環(huán)”技術(shù)在三元體系應(yīng)用更佳，實現(xiàn)15分鐘內(nèi)SOC從5%充電到85%，能量密度190Wh/kg，循環(huán)壽命超過2500次，預(yù)計在2018年內(nèi)具有批量生產(chǎn)能力，主要應(yīng)用領(lǐng)域為乘用車。
7.錳酸鋰快充電池適合PHEV插電混動汽車
錳酸鋰電池具備功率性能、放電倍率性能、低溫性能好，電壓頻率高的特點，且在三元上游原材料瘋漲的態(tài)勢下，錳酸鋰的成本優(yōu)勢正在逐步突顯。
但采用此種負(fù)極材料所導(dǎo)致的缺點也是很明顯的，首先是循環(huán)壽命不夠長，另外在能量密度、高溫性能等方面仍然需要重點關(guān)注，并需要不斷通過實踐來檢驗。
近年來，錳酸鋰快充電池在插電式混動客車領(lǐng)域占比增長顯著，代表企業(yè)為中信國安盟固利、億鵬新能源、微宏動力。
中信國安盟固利：從技術(shù)上講，盟固利錳酸鋰體系快充電池主要是從管理系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面來解決。從管理系統(tǒng)輸入解決電池?zé)崾Э貑栴}，到電池安全閥設(shè)計，再到電池結(jié)構(gòu)設(shè)計解決散熱問題等。
億鵬能源：主打快充類軟包錳酸鋰技術(shù)路線，主要應(yīng)用于插電式混合動力大巴領(lǐng)域，目前產(chǎn)品以18Ah、26Ah為主。
微宏動力：微宏動力2017年4月底，發(fā)布新一代MpCO高能量密度電池，采用了高容量高功率錳酸鋰正極材料，單體能量密度達(dá)到170wh/kg，較上一代產(chǎn)品提升41.7%，實現(xiàn)15分鐘快充，在保持快充與長壽命能力的基礎(chǔ)上更具成本優(yōu)勢。
然而，錳酸鋰電池高溫條件下循環(huán)性能不好是電池企業(yè)需要長期攻關(guān)的問題，通過正極摻雜可以改善錳酸鋰電池高溫性能，然而改性后的錳酸鋰材料已非“原來的錳酸鋰”了。
8.鈦酸鋰快充電池適合客車
鈦酸鋰動力電池是以負(fù)極材料命名，正極采用三元材料，以珠海銀隆、微宏動力、天津捷威為典型企業(yè)。
從性能來看，鈦酸鋰電池的低溫性能優(yōu)越、安全性和循環(huán)使用性能較好，作為快充電池的倍率性能也得到業(yè)界的肯定。但是鈦酸鋰目前突出的問題有兩點：
其一，能量密度相對較低，在政策、市場均要求不斷提升能量密度的壓力下，當(dāng)前鈦酸鋰的市場份額在整個動力電池市場中占比較低。
其二，受高成本的小金屬材料如鈦、鎳、鈷的影響，鈦酸鋰電池成本明顯要高于其他體系。
珠海銀隆：2011年，銀隆戰(zhàn)略收購全球最先進(jìn)的鈦酸鋰電池材料和儲能系統(tǒng)生產(chǎn)廠商——美國奧鈦納米科技主要股權(quán)，奧鈦鈦酸鋰材料一次顆粒才是實際意義上的納米級鈦酸鋰，一次顆粒40-60nm，而國內(nèi)其他企業(yè)所生產(chǎn)的鈦酸鋰材料一次顆粒均在150-350nm，基于鈦酸鋰材料本征導(dǎo)電性差，一次顆粒越小，電子通過路徑變得更短，因此導(dǎo)電性相對更好，更能實現(xiàn)大倍率充放電。
微宏動力：鈦酸鋰快充電池是微宏動力最早研發(fā)的一款，采用改性鈦酸鋰材料技術(shù)，被稱為第一代LpTO鈦酸鋰電池，LpTO鈦酸鋰電池從材料本身化學(xué)特性上，與普通鋰電池有較大區(qū)別，專門針對重型商用車輛與儲能應(yīng)用的需求設(shè)計。
采用微宏專利技術(shù)的改進(jìn)鈦酸鋰材料作為負(fù)極材料，有效防止電解液于電極之間發(fā)生反應(yīng)，同時保障安全，能有效地抑制普通鈦酸鋰電池常常遇到的脹氣問題，充分發(fā)揮其超長循環(huán)壽命。LpTO鈦酸鋰電池?fù)碛?0分鐘快速充滿電、25000次循環(huán)壽命。
天津捷威：捷威動力在鈦酸鋰電池材料體系設(shè)計、產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)制造核心技術(shù)方面擁有完全獨立的自主知識產(chǎn)權(quán)，并且采用國際最先進(jìn)的鋰離子電池制備技術(shù)和工藝，以及當(dāng)前世界上最先進(jìn)、自動化程度最高的電池生產(chǎn)線。
電池性能方面，6C放電容量保持率達(dá)到95%，且-20℃放電容量保持率達(dá)到77%。捷威動力具備生產(chǎn)大容量單體鈦酸鋰電池的技術(shù)及能力，單體電池容量達(dá)到60Ah，是世界上容量最大的大尺寸鈦酸鋰電池。并且其生產(chǎn)鈦酸鋰鋰電池的技術(shù)管控最高，從工藝設(shè)計及制作管控上解決了鈦酸鋰脹氣問題。
鈦酸鋰電池在循環(huán)壽命方面明顯優(yōu)于其他體系快充型電池，這因材料本省特性，即“零應(yīng)變”特性決定。
但其劣勢明顯，能量密度較低，能量密度只有三元體系的一半左右。再加之價格偏高，目前大多是在快充公交上應(yīng)用，后續(xù)亟需尋求更高電壓正極材料及匹配電解液來解決此缺陷。
9.快充新方向——鈦鈮氧化物負(fù)極材料
鈦鈮氧化物是基于鈦酸鋰的基礎(chǔ)上研發(fā)產(chǎn)生的，主要優(yōu)勢在于相對于鈦酸鋰?yán)碚撊萘?75mAh/g，鈦鈮氧化物的理論容量在280mAh/g左右，且具有較高的首效。其優(yōu)勢在于從材料本征克容量高彌補(bǔ)了其工作對鋰電壓高的缺陷。
2017年10月，東芝官方宣布已成功研發(fā)新一代車用鋰離子電池，有望在2019年商用。該電池采用鈦鈮氧化物陽極材料，相對目前三元、磷酸鐵鋰等技術(shù)，實現(xiàn)顛覆性進(jìn)步。新電池具備能量密度高、充電效率快等優(yōu)點，只需充電6分鐘就能達(dá)到90%的電量。
產(chǎn)業(yè)推進(jìn)
10.對比分析——客車快充、乘用車物流車小快充
能量密度高，能快充，價格便宜，這是用戶最期待的理想型動力電池產(chǎn)品。然而“魚與熊掌不可兼得”，在現(xiàn)有的鋰離子電池體系下，倍率性能、能量密度、壽命、安全性、價格等動力電池最重要的五個指標(biāo)都固定在比較穩(wěn)定的雷達(dá)圖里面，提高任何一個指標(biāo)，其他的指標(biāo)相對來說都會受到損失。
綜合考慮各方面，后續(xù)發(fā)展趨勢為客車快充化、乘用車物流車小快充化。
11.典型項目——北京大1路
目前快充型動力電池主要應(yīng)用于城市公交等客車領(lǐng)域，因其對城市及受眾單位選擇性強(qiáng)，即有相對財力支持的城市或單位，比較傾向于快充型電池客車。
2014年9月，珠海銀隆生產(chǎn)的12輛純電動仿古觀光旅游巴士抵達(dá)北京，這一家全新的新能源客車企業(yè)才開始進(jìn)入公眾視線；
2016年7月，北京公交公司采購了400輛銀隆新能源公交，如今，在北京二環(huán)線（44路環(huán)二環(huán)行駛）上，已經(jīng)是隨處可見銀隆大巴了。
十九大召開的前幾天，珠海銀隆中標(biāo)90臺北京公交1路18米純電動巴士，批量交付上線。
北京公交1路，是行駛在長安街的“國線”，北京公交公司財力雄厚，主要要求對電池性能使用便利化，選用銀隆鈦酸鋰快充動力電池組客車替代原有車型。
該車型充電車輛長度達(dá)到18米，行駛用電量每公里約1.5度電，車輛從老山站出發(fā)到達(dá)終點站四惠站，全長27.1公里，往返需要85度電。“大1路”車輛配置了高安全、高穩(wěn)定的鈦酸鋰快充動力電池組，15分鐘即可完成整車充電，最大續(xù)航里程可達(dá)130公里。
12.珠海銀隆——投資換市場路線不可取
5月30日，廣東證監(jiān)局披露了最新一期的廣東轄區(qū)已報備擬上市公司輔導(dǎo)工作進(jìn)度表顯示，珠海銀隆的輔導(dǎo)進(jìn)度欄顯示的是“輔導(dǎo)終止”，最新進(jìn)度時間為2018年1月17日。這意味著，在距離招商證券進(jìn)入輔導(dǎo)僅8個月后，珠海銀隆沖刺上市之旅已戛然而止。
