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实现500 wh/Kg还要多久?锂电池材料技术发展趋势概述

2018-03-26 10:50
科技记事
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得益于新能源汽车的发展,动力电池处在高速发展的风口,而新能源汽车的发展也对动力电池的性能不断提出更高的要求,《促进汽车动力电池产业发展行动方案》中提出,到2020年,新型锂离子动力电池单体比能量要超过300wh/Kg,到2025年,要实现新体系动力电池单体比能量达500 wh/Kg。

在政策和市场双驱动下,动力电池必然向着高能量密度、高循环性能、高安全性能等方向发展,这就需要研究机构和企业在正极材料、负极材料、电解液方面做出改进。固态电池、硅碳负极、高镍三元材料和富锂锰正极等方向被认为是企业近年来发展的主流技术路线。

富锂锰基正极:贵金属含量少的理想材料

2025年单体电池要达到的技术目标是比能量400Wh/kg,开发更加高效节能的新型正极材料来克服和取代现有的存在缺陷的正极材料成为研究的热点。在已知正极材料中,富锂锰基正极材料放电比容量达250毫安时/克以上,几乎是目前已商业化正极材料实际容量的两倍左右;同时这种材料以较便宜的锰元素为主,贵重金属含量少,与常用的钴酸锂和镍钴锰三元系正极材料相比,不仅成本低,而且安全性好。因此富锂锰基正极材料被视为下一代锂动力电池的理想材料。

包括当升科技、江特电机、中航锂电在内的很多企业都在加紧研发富锂锰基正极材料。中科院物理所改善了富锂锰基正极循环的电压衰减,达到了100周后电压衰减降至2%以内的指标,取得重大进展。北京大学的团队首次研制出比容量400mAh/g的富锂锰基正极,可以达到400Wh/kg的目标。

目前富锂锰基正极实现全面应用还存在降低首次不可逆容量损失、提高倍率性能和循环寿命、抑制循环过程的电压衰减等技术问题需解决。

高镍三元材料:2018 年为发展元年

根据起点研究预测,2018镍钴锰的产量将达47GWh,将比去年上涨32%,而钴酸锂的产量将只有19GWh,仅比去年上涨5%。受制于钴的稀缺和钴价的连连上涨,电池企业积极推动三元材料高镍化,通过降低电池中钴的占比来降低成本, NCM811 的钴分子含量仅为 6.06%。

镍钴锰材料能量密度高,电化学性能稳定,具备高容量、低成本等优势,未来将逐步替代磷酸铁锂和普通三元电池。目前当升科技、杉杉股份、贝特瑞等企业已经具备了 NCM811 的量产条件,而2018年被认为是高镍三元材料发展的元年。

固态电池:固体材料取代隔膜和电解液

全固态电池在业界和学界被公认为是下一步电池发展的主流方向之一。

一方面,全固态电池技术是电池小型化,薄膜化的必经之路。隔膜和电解液的体积加起来差不多占了电池体积的40%。如果把隔膜和电解液换成固态材料,正负极之间的距离可以缩短到几微米,电池厚度大大降低。

另一方面,相比一般锂电池,全固态电池的能量密度大幅提升,可以达到300-400Wh/kg,而锂离子电池一般是100-220Wh/kg。而高安全性也是全固态电池的发展的重要驱动因素之一,从安全的角度来说,传统锂电池电解液是有机液体,在高温下会氧化分解产生气体,容易发生燃烧,极大增加了不安全性,如果以固态材料替代电解液,电池安全性能极大提升。

目前中科院青岛能源所开发的聚合物固态电池,能量密度可以达到300Wh/kg,中科院宁波材料所开发的无机固态锂电池,能量密度达到240Wh/kg,此外,该机构正与赣锋锂业合作推进其产业化,产品计划2019年量产。在行业内,包括丰田、松下、三星、三菱、宁德时代等电池领军企业都已经投入研发、展开布局固态电池。

固态电池无疑是未来主流技术路线之一,不过目前还存在成本偏高、制备工艺复杂、技术不够成熟等问题,电池的倍率性能整体偏低、内阻较大、高倍率放电时压降较大、快充不现实等问题也亟待解决,要实现大规模商业化还有一段路要走。

硅碳负极:两三年将迎来爆发

硅碳材料是目前最具商业化的高能量密度新型负极材料,SPIR预计,硅碳材料行业即将在2018年下半年开始真正大面积登上锂电池负极材料大舞台,在未来二到三年内也必将迎来大爆发,行业前景广阔。

硅碳复合材料的超高理论能量密度可以显著提升单体比容量,加上其具有低脱嵌锂电压、环境友好等优点,被认为是一下代替代石墨的理想负极材料。随着新能源汽车的发展对动力电池的比能量不断提出更高的要求,未来石墨将逐渐被硅碳负极材料取代。

截至2017年12月份,国内前8负极材料企业基本均在加大扩张硅碳材料产能,且也有多家跨行业的新进入者涉足布局硅碳负极材料,其新增产能将于2018-2019年开始陆续投产。比亚迪、宁德时代、国轩高科、贝特瑞、杉杉股份、力神、比克、万向等都展开了对硅碳负极材料的布局。

尽管目前硅碳负极材料还存在成本高、技术难度大、配套产业不完善等问题,但实现大规模应用的前景依然可期。

来源:锂电大数据

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