磷酸鐵鋰電池為啥性能好?或許是因?yàn)楸旧淼娜毕?/h1>
來源:寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-06 16:13
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11月1日消息,一項(xiàng)最新研究已經(jīng)解答了為何使用磷酸鐵鋰材料作為電池正極通常都會(huì)讓電池性能超出預(yù)期:其中的秘密就源自于它內(nèi)部的缺陷。材料科學(xué)家Ming Tang在一篇新聞稿中稱:“我們都清楚這種材料效果非常好,但是對(duì)于其中的真正原因科學(xué)家們一直爭論不休。這種材料在許多方面并非如此優(yōu)秀,但是有時(shí)候又會(huì)超出人們的預(yù)期。”
研究人員發(fā)現(xiàn),在制造磷酸鐵鋰的過程中,它晶格中的一些原子出現(xiàn)了一種名為反位缺陷的錯(cuò)位現(xiàn)象??茖W(xué)家通過研究發(fā)現(xiàn),這種反位缺陷或許能夠解答這種材料令人敬佩的性能表現(xiàn)。這種缺陷讓正極材料能夠從更大的表面區(qū)域釋放和收集鋰離子。
在此之前,科學(xué)家們假定鋰離子只能夠在單一方向上移動(dòng),這樣就限制了能夠釋放和吸收鋰離子的材料表面大小。顯微成像技術(shù)和計(jì)算機(jī)模型讓科學(xué)家們能夠在電池充電過程中觀察到離子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)??茖W(xué)家們分析表明,反位缺陷的存在讓離子出現(xiàn)了新的運(yùn)動(dòng)方向。
這種缺陷有效的增加了磷酸鐵鋰納米棒的表面活躍區(qū)域,讓正極和電解液之間的鋰離子傳播更加高效。Tang聲稱:“大多數(shù)電池正極都被打造成薄盤的形狀來增加鋰離子的單向運(yùn)動(dòng)。我們的發(fā)現(xiàn)改變了我們對(duì)磷酸鐵鋰最優(yōu)化形狀設(shè)計(jì)的看法。這種缺陷的存在讓鋰離子能夠多方向運(yùn)動(dòng),這意味著我們讓性能最大化的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是完全不準(zhǔn)確的。”
即使是電池研究領(lǐng)域的專家們也并非全部了解鋰離子電池及其部件的電化學(xué)性能和過程。但是隨著更多的科學(xué)家來設(shè)想和分析這些電化學(xué)過程和性能,我們將能夠更多的對(duì)其進(jìn)行完善,讓鋰電池的性能盡可能的高效。
1 中國鋰離子電池行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
1.1 2017年發(fā)展現(xiàn)狀
根據(jù)中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)分析,2017年中國鋰離子電池銷售收入達(dá)到1 589億元,比2016年的1 330億元,同比增長19.5%。鋰離子電池的產(chǎn)量由873億Wh增長到1 009億Wh,同比增長15.6%。主要是由于新能源汽車動(dòng)力電池和儲(chǔ)能用電池市場的快速增長。其中,消費(fèi)類電子產(chǎn)品用鋰離子電池銷售收入由695億元增長到757億元,同比增長約9%,產(chǎn)量由490億Wh,同比增長7%,達(dá)到524億Wh。新能源汽車及電動(dòng)自行車用動(dòng)力鋰離子電池銷售收入由600億元,同比增長30%,達(dá)到780億元;產(chǎn)量由330億Wh,同比增長35%,達(dá)到446億Wh。儲(chǔ)能用鋰離子電池銷售收入由35億元,同比增長48%,達(dá)到52億元,產(chǎn)量由25億Wh,增長到39億Wh,同比增長55%,2014-2017年中國鋰離子電池產(chǎn)銷,如表1所示。
2017年度中國鋰離子電池銷售收入前30強(qiáng)企業(yè)銷售收入合計(jì)達(dá)到1 223.03億元,占2017年中國鋰離子電池銷售收入總和的77%。2017年中國鋰離子電池銷售收入30強(qiáng)企業(yè)如表2所示。
2017年中國鋰離子電池出口量約為17.11億只,2016年出口量約為15.17億只,與上一年相比,同比增長了12.79%。2017年鋰離子電池出口額約為80.48億美元,2016年出口額約為68.41億美元,同比增長了17.64%。2017年中國鋰離子電池出口方向,數(shù)量及出口額如表3所示。2017年中國鋰離子電池出口額20強(qiáng)企業(yè)如表4所示,2017年中國動(dòng)力鋰離子電池裝機(jī)量前20強(qiáng)企業(yè)如表5所示。
2017年各種車型動(dòng)力電池裝機(jī)量合計(jì)為369.1億Wh,其中磷酸鐵鋰(LFP)為180.7億Wh,占總體的49.0%;三元材料(NCM)為 165.6億 Wh,占總體的 44.9%;錳酸鋰(LMO)為15.4億Wh,占總體的4.2%;鈦酸鋰(LTO)為7.4億Wh,占總體的2.1%。2017年各種車型的動(dòng)力電池裝機(jī)量及占比見表6所示。
2017年鋰離子電池正極材料企業(yè)產(chǎn)量排名:根據(jù)對(duì)18家磷酸鐵鋰企業(yè)的統(tǒng)計(jì),磷酸鐵鋰產(chǎn)量為72 918 t,前十家企業(yè)總產(chǎn)量為66 538 t,占比91.3%,磷酸鐵鋰前十大企業(yè)按產(chǎn)量大小順序?yàn)樨愄厝?、湖南升華、比亞迪、安達(dá)科技、北大先行、德方納米、合肥國軒、重慶特瑞、江蘇樂能、斯特蘭;根據(jù)對(duì)29家三元材料企業(yè)的統(tǒng)計(jì),總產(chǎn)量為129 380 t,前十大企業(yè)總產(chǎn)量為81 160 t,占比62.7%。三元材料前十大企業(yè)分別為寧波金和、優(yōu)美科、湖南杉杉、金瑞科技、北京當(dāng)升、深圳振華、湖南瑞翔、廈門鎢業(yè)、無錫凱力克、湖南桑頓。
根據(jù)對(duì)11家鈷酸鋰企業(yè)的統(tǒng)計(jì),總產(chǎn)量為51 750 t,前5家企業(yè)產(chǎn)量為42 000 t,占比81.2%;前3家為33 500 t,占比64.7%。鈷酸鋰前十大企業(yè)分別為天津巴莫、湖南杉杉、廈門鎢業(yè)、盟固利、北大先行、當(dāng)升科技、湖南瑞翔、江門科恒、廣州融捷、湖南美特。
根據(jù)對(duì)2017年13家錳酸鋰材料企業(yè)的統(tǒng)計(jì),總產(chǎn)量為32 500 t,前10家的總產(chǎn)量為 29 200 t,前5家的為 18 300 t,占比56.3%。錳酸鋰材料前十大企業(yè)為湖南桑頓、中信大錳、淄博科源、青島乾運(yùn)、中天光源、江西智鋰、湖南信達(dá)、濟(jì)寧無界、天津通一、河北強(qiáng)能。
2017年鋰離子電池主要正極材料企業(yè)銷售收入如表7所示。
2017年鋰離子電池負(fù)極材料企業(yè)產(chǎn)量排名如表8所示。根據(jù)對(duì)15家負(fù)極材料企業(yè)的統(tǒng)計(jì),總產(chǎn)量為170 500 t,占比為92%。前7家產(chǎn)量都超過1萬t,前3家總產(chǎn)量為95 000 t,占比55.7%。2017年鋰離子電池負(fù)極材料前三大企業(yè)銷售收入:深圳市貝特瑞新能源材料股份有限公司為150 989萬元,上海杉杉科技有限公司為148 223萬元,江西紫宸科技有限公司為147 392萬元。
表7 2017年鋰離子電池主要正極材料企業(yè)銷售收入
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表8 2017年鋰離子電池負(fù)極材料企業(yè)產(chǎn)量排名
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2017年鋰離子電池電解液企業(yè)產(chǎn)量排名如表9所示。根據(jù)對(duì)14家電解液企業(yè)的統(tǒng)計(jì),總產(chǎn)量為110 106 t,前10家企業(yè)總產(chǎn)量為95 595 t,占比86.8%;前 3家企業(yè)總產(chǎn)量為50 880 t,占比為46.2%。主要電解液企業(yè)銷售收入情況如表10所示。
表9 2017年鋰離子電池電解液企業(yè)產(chǎn)量排名
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表10 2017年鋰離子電池主要電解液企業(yè)銷售收入
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2017年鋰離子電池隔膜企業(yè)產(chǎn)量排名如表11所示。根據(jù)對(duì)13家隔膜企業(yè)的統(tǒng)計(jì),總產(chǎn)量為13.76億m2,前10家總產(chǎn)量為12.79億m2,占比92.9%,前8家總產(chǎn)量都超過1億m2。2017年鋰離子電池主要隔膜企業(yè)銷售收入如表12所示。
表11 2017年鋰離子電池隔膜企業(yè)產(chǎn)量排名
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表12 2017年鋰離子電池主要隔膜企業(yè)銷售收入
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2017年鋰離子電池部分設(shè)備企業(yè)銷售收入如表13所示。2017年鋰離子電池組主要企業(yè)銷售收入如表14所示。
表13 2017年鋰離子電池部分設(shè)備企業(yè)銷售收入
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表14 2017年鋰離子電池組主要企業(yè)銷售收入
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1.2 2018年發(fā)展現(xiàn)狀
(1)2018年1-11月中國動(dòng)力鋰離子電池裝機(jī)量統(tǒng)計(jì)
2018年1-11月中國動(dòng)力鋰離子電池裝機(jī)量前20強(qiáng)企業(yè)如表15所示,占同期動(dòng)力鋰離子電池總裝機(jī)量的93.4%。2018年1-11月中國動(dòng)力鋰離子電池裝機(jī)量統(tǒng)計(jì)中磷酸鐵鋰(LFP)為 161.1億 Wh,36.6%;三元 (NCM)為 269.6億 Wh,61.2%;錳酸鋰(LMO)為 6.6億 Wh,1.5%;鈦酸鋰(LTO)為 3.3億Wh,0.74%;合計(jì)440.6億Wh。2018年1-11月各種車型動(dòng)力電池裝機(jī)量如表16所示。
表15 2018年1-11月中國動(dòng)力鋰離子電池裝機(jī)量前20強(qiáng)企業(yè)
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表16 2018年1-11月各種車型動(dòng)力電池裝機(jī)量
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三元電池:裝機(jī)量為269.6億Wh,占裝機(jī)量61.2%。從配套車輛類型來看,主要配套在新能源乘用車上,占比92.1%。磷酸鐵鋰電池:裝機(jī)量為161.1億Wh,占裝機(jī)量36.6%;從配套車型類別來看,磷酸鐵鋰電池主要配套在新能源客車上,市場占有率為72.2%,主要集中在10 m以上的新能源客車中。錳酸鋰電池:裝機(jī)量為6.6億Wh,占裝機(jī)量的1.5%;主要應(yīng)用在新能源客車上,占比62.1%。鈦酸鋰電池:裝機(jī)量為3.3億Wh,占裝機(jī)量的0.74%;主要作為快充電池應(yīng)用在新能源客車上。
在各類動(dòng)力電池方面,目前市場主要以三元電池和磷酸鐵鋰電池占據(jù)主導(dǎo)地位;從發(fā)展趨勢來看,三元電池占比將快速提升。
2018年1-11月各種形狀電池配套量及在各種車輛的占比如表17所示。
表17 2018年1-11月各種形狀電池配套量及在各種車輛的占比
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總體來說,方型、圓柱型和軟包三種封裝類型的動(dòng)力電池各有優(yōu)勢,也各有不足,每種電池都有自己主導(dǎo)的領(lǐng)域,方型三元電池主要應(yīng)用在新能源乘用車上,方型磷酸鐵鋰電池主要應(yīng)用在新能源客車上。
隨著補(bǔ)貼政策對(duì)整車技術(shù)越來越高的要求,系統(tǒng)比能量成為重要的考核指標(biāo)。相同材料的單體電池,由于不同的封裝形式,單體系統(tǒng)比能量有著一定的差距。由鋁塑復(fù)合膜封裝的軟包電池比起鋁殼封裝的方型電池和鋼殼封裝的圓柱型電池質(zhì)量都要輕,而且內(nèi)阻小,安全保障高等優(yōu)勢吸引了一大批制造商的目光。預(yù)計(jì)未來軟包動(dòng)力電池在新能源汽車市場比重有望達(dá)到50%。
(1)動(dòng)力電池行業(yè)特點(diǎn):市場集中度顯著提高
2016年以來,動(dòng)力鋰離子電池行業(yè)呈現(xiàn)產(chǎn)能結(jié)構(gòu)性過剩。隨著國家政策的深度調(diào)整,動(dòng)力電池行業(yè)集中度將持續(xù)提升。
2016年前20強(qiáng)企業(yè)裝機(jī)量占比為83.1%,前5家企業(yè)裝機(jī)量占比為64.5%。
2017年前20家企業(yè)裝機(jī)量為320.9億Wh,占比87%;前5家企業(yè)裝機(jī)量為223.43億Wh,占60.5%。
2018年前11個(gè)月前20家企業(yè)裝機(jī)量為411.72億Wh,占比為93.5%;前5家企業(yè)裝機(jī)量占比為75.7%。前2家占63.1%。
2018年各個(gè)企業(yè)面臨著補(bǔ)貼大幅度下滑、比能量及續(xù)航門檻大幅提高、企業(yè)資金鏈緊張等多重壓力,無論是二三線梯隊(duì)企業(yè),還是被邊緣化的動(dòng)力電池企業(yè),均有被淘汰出局的風(fēng)險(xiǎn)。
2018年三元?jiǎng)恿﹄姵卣急让黠@提升,從市場需求看,乘用車將是未來新能源汽車增長的主力。由于補(bǔ)貼政策的引導(dǎo)和三元電池本身的高密度特性更能滿足新能源乘用車市場的需求,從國內(nèi)主流電池生產(chǎn)企業(yè)的數(shù)據(jù)看,三元電池已成為電池技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。盡管磷酸鐵鋰電池在電動(dòng)大客車領(lǐng)域擁有廣闊的市場,但隨著技術(shù)的進(jìn)步,三元電池的成本逐步降低,以及安全性的逐步提高,其對(duì)磷酸鐵鋰電池的市場份額將造成明顯沖擊。隨著三元電池的安全性逐步得到驗(yàn)證,加之消費(fèi)市場對(duì)于續(xù)航里程的需求提升,國家政策又傾向扶持高比能量動(dòng)力電池,高鎳三元材料電池被業(yè)界普遍看好,吸引眾多動(dòng)力電池企業(yè)的積極布局。三元電池企業(yè)多在集中布局高鎳三元電池的研發(fā),技術(shù)路線從目前主流的NCM523體系向NCM622、NCM811和NCA快速地推進(jìn)。2020年補(bǔ)貼取消后,磷酸鐵鋰電池、三元電池和錳酸鋰電池將會(huì)擁有各自的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展空間。
(2)電池安全性應(yīng)引起企業(yè)高度重視
三元正極材料的高鎳低鈷化在提升電池比能量、降低材料成本等方面具有明顯優(yōu)勢,但安全性和穩(wěn)定性問題卻較為突出。由于高鎳三元正極材料的技術(shù)壁壘較高,在制備工藝、設(shè)備及生產(chǎn)環(huán)境等方面的要求都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通三元材料,國產(chǎn)高鎳三元材料走向成熟仍需要克服多項(xiàng)技術(shù)難題。企業(yè)為得到更高的補(bǔ)貼,在提高系統(tǒng)比能量的要求下,降低了電池系統(tǒng)的熱管理要求,存在很大的安全風(fēng)險(xiǎn)。另外,大部分企業(yè)在三元電池生產(chǎn)方面還缺乏足夠的經(jīng)驗(yàn)積累,電池的安全性和壽命都有待檢驗(yàn)。企業(yè)應(yīng)高度重視電池單體和系統(tǒng)的安全性。
(3)補(bǔ)貼下調(diào)敦促全產(chǎn)業(yè)降成本
預(yù)計(jì),2019年補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)將進(jìn)一步降低、門檻進(jìn)一步提高,直到2020年后補(bǔ)貼完全取消。補(bǔ)貼下調(diào)使得動(dòng)力電池環(huán)節(jié)首先受到?jīng)_擊,同時(shí),上游鈷、鎳等原材料價(jià)格的上漲,動(dòng)力電池企業(yè)的利潤空間正在一點(diǎn)點(diǎn)被吞噬,電池企業(yè)短期內(nèi)壓縮成本的意愿十分強(qiáng)烈。
電池企業(yè)將通過向上游隔膜、電解液、負(fù)極、正極等環(huán)節(jié)壓價(jià)等“降本”措施及提高比能量、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化生產(chǎn)等“增效”措施來盡可能彌補(bǔ)。
2 中國鋰離子電池市場發(fā)展趨勢
2.1 新能源汽車成為國內(nèi)未來重點(diǎn)發(fā)展方向
2015年10月30 日,工業(yè)和信息化部正式發(fā)布《〈中國制造2025〉重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)路線圖(2015年版)》?!吨袊圃?025》提出純電動(dòng)和插電式混合動(dòng)力汽車、燃料電池汽車、節(jié)能汽車、智能網(wǎng)聯(lián)汽車是國內(nèi)未來重點(diǎn)發(fā)展的方向,并分別提出了2020年、2025年的發(fā)展目標(biāo)。
隨著新能源汽車在家庭用車、公務(wù)用車和公交客車、出租車、物流用車等領(lǐng)域的大量普及,2020年中國新能源汽車的年銷量將達(dá)到汽車市場需求總量的5%以上,2025年增至20%左右。在國家碳排放總量目標(biāo)和一次能源替代目標(biāo)需求下,2030年新能源汽車年銷量占比將繼續(xù)大幅提高,規(guī)模超過千萬輛。
2016年10月26 日發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》指出:隨著新能源汽車在家庭用車、公交客車、出租車、物流用車、公務(wù)用車等領(lǐng)域的大量普及,至2030年,新能源汽車逐漸成為主流產(chǎn)品,汽車產(chǎn)業(yè)初步實(shí)現(xiàn)電動(dòng)化轉(zhuǎn)型。至2020年,新能源汽車銷量占汽車總體銷量的比例達(dá)到7%以上。至2025年,新能源汽車銷量占汽車總體銷量的比例達(dá)到20%以上。至2030年,新能源汽車銷量占汽車總體銷量的比例達(dá)到40%以上。
國家對(duì)動(dòng)力電池提出明確發(fā)展目標(biāo)為:
(1)《節(jié)能與新能源汽車國家規(guī)劃(2012-2020)》
電池模塊的比容量達(dá)到300 Wh/kg以上,成本降至1.5元/Wh以下。
(2)“十三五”計(jì)劃-新能源汽車重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)(2016-2020)
產(chǎn)業(yè)化的鋰離子電池比能量達(dá)到300 Wh/kg以上,成本降至0.8元/Wh以下;電池系統(tǒng)比能量達(dá)到200 Wh/kg以上,循環(huán)壽命達(dá)到1 200次以上,成本降至1.2元/Wh以下;新型鋰離子電池比能量達(dá)到400 Wh/kg以上,新體系電池比能量達(dá)到500 Wh/kg以上。
(3)《中國制造 2025》
2020年:電池比能量達(dá)到300 Wh/kg;2025年:電池比能量達(dá)到400 Wh/kg;2030年:電池比能量達(dá)到500 Wh/kg。
(4)汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃
2020年:電池比能量達(dá)到300 Wh/kg以上,力爭實(shí)現(xiàn)350 Wh/kg,系統(tǒng)比能量力爭達(dá)到260 Wh/kg、成本降至1元/Wh以下;2025年:電池系統(tǒng)比能量達(dá)到350 Wh/kg。
2.2 雙積分政策實(shí)施,外資車企將加速在華新能源汽車布局
《乘用車企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》自2018年4月1日起施行,2019年起正式考核。根據(jù)辦法,2019-2020年,車企銷售車輛中新能源汽車積分比例分別為10%和12%。雙積分政策的推出,外資車企為了適應(yīng)政策要求,加快與國內(nèi)新能源汽車企業(yè)的合資步伐,這將推動(dòng)海外(尤其是歐洲)傳統(tǒng)車企加緊電動(dòng)汽車在華布局,合資與自主的較量將在電動(dòng)車領(lǐng)域再次上演,國內(nèi)核心零部件供應(yīng)商迎來歷史性發(fā)展機(jī)遇。雙積分政策是一把“雙刃劍”,會(huì)有力地促進(jìn)新能源汽車總規(guī)模的擴(kuò)張,但是自主品牌新能源汽車的市場空間會(huì)有較大的壓縮。雙積分政策實(shí)施的力度越大,對(duì)自主品牌的空間壓縮程度就越大。
2.3 全球智能手機(jī)市場增長平穩(wěn),中國廠商市場份額擴(kuò)大
2017年全球智能手機(jī)出貨量15.5億部,同比增長2%,前十大廠商獲得了77%的市場份額。前十大廠商中國占據(jù)6家。2017年國內(nèi)市場出貨量為4.91億部,同比下降12.3%。4G手機(jī)升級(jí)浪潮退去,性能提升帶來的剛性換機(jī)需求走弱,致使國內(nèi)市場出貨量結(jié)束兩年來的增長趨勢。當(dāng)前國內(nèi)市場趨近飽和,海外成為了國產(chǎn)品牌手機(jī)廠商極為重要的目標(biāo)市場。
















