动力电池技术趋势全面解析

电动化大趋势愈演愈烈,我国通过政策的引导和扶持,已经成为全球最大的新能源汽车市场。众所周知,新能源汽车的重要瓶颈在于电池的续航里程。在此背景下,国家出台了《促进汽车动力电池发展行动方案》、《节能与新能源汽车技术路线图》,鼓励高能量密度电池的使用,近期《外商投资产业指导目录(2017年修行)》政策提出解除纯电动汽车合资企业限制以及取消汽车电子和动力电池股比限制,这也是促进新能源汽车市场推广应用高能量密度电池的重要举措。基于政策倒逼和动力电池技术本身的进步,我们通过三元锂和固态锂电池的产品技术对标模型分析,对未来动力电池发展格局进行推演。

一、动力电池发展现状分析

目前,国内新能源汽车仍然在采用磷酸铁锂(BYD为主)和三元锂电池,车型续航里程基本上都能够达到300公里,但是电池系统平均能量密度水平仅为115Wh/Kg。而2017年3月份,国家工信部等四部委联合颁布《促进汽车动力电池发展行动方案》,指出到2020年,要求新型锂离子动力申池单体比能量超过300Wh/Kg;系统比能量力争达到260Wh/Kg。

数据显示,我国动力电池能量密度现状与目标值差距达126%,2020年达到目标值对磷酸铁锂电池来说太难了,但是对于以特斯拉为代表的三元锂电池则是完全可能的,其采用的动力电池性能好,BMS管理系统效率也高;此外,固态锂电池也可以将电池系统能量密度提升至260Wh/Kg水平。

1、三元锂和磷酸铁锂电池——当前的中流砥柱

当前,全球新能源车市场进入蓬勃发展的关键时期,主流汽车企业纷纷布局新能源汽车,锂电池产业链因此快速成熟将进一步推动新能源汽车的规模化应用。从全球角度看,典型车企配套车型主要采用日韩动力电池,以三元锂为主,续航里程基本都达到或超过350公里的水平。表格1全球主流动力电池配套情况

再看国内,从2017年新能源汽车前6批推广目录来看,新车型搭载电池的能量密度也有不同程度地提升。第一批目录中能量密度超过115Wh/Kg的车型仅占13.11%,到第五批目录这一比例达到了73%,可以看出动力电池能量密度的提升已是大势所趋。主流电动车企业配套的动力电池也逐步向三元锂转型,续航里程基本上都能够达到300公里的水平。

表格2国内主流动力电池配套情况

综合国内外动力电池企业搭载新能源汽车情况看,三元锂电池成为主流技术路线的趋势已经不可逆转,但整车续航里程仍有提升的空间。这很可能是由于动力电池能量密度不高、BMS 效率提升空间仍有待开拓等多方面原因所致。

2、全固锂态动力电池——未来的发展方向

世界各国先后制订的高能量密度锂电池研发目标,均在积极地布局锂硫电池、锂空气电池或锂金属电池等前瞻性技术。

固态锂电池在继承传统锂电池优点的基础上,安全性、能量密度都有了大幅进步。目前,全固态锂电池研发可提供的能量密度基本可达300~400Wh/kg,有望成为下一代高能量密度动力和储能电池技术的重要发展方向,这已是学术界和产业界的共识。

图1世界各国对动力电池能量密度的阶段目标

图2世界锂电池技术路线走向

全球动力电池关联企业也加速布局全固态锂电池领域以抢占先机,目前各技术路径的产业化进程不同,其中以聚合物固态电池发展较快,由于其高温工作性能较好,已经完成实验室验证并有小部分企业实现了小规模产业化。

固态锂电池(聚合物固态电池)研发应用现状

法国Bolloré:全固态二次电池(LMP),负极材料采用金属锂,电解质采用聚合物(PEO等)薄膜,目前已经批量应用在法国的EV,共享服务汽车“Autolib”和小型电动巴士“Bluelus,总体应用超过3000辆。

美国Seeo:全固体二次电池采用大创公司的干聚合物薄膜,提供的样品电池组能量密度为130-150Wh/kg,2017年能量密度能达到300Wh/kg,尚未推广应用。

CATL:目前已经设计制造出了容量为325mAh的聚合物电芯,表现出较好的高温循环性能,尚未推广应用。

中科院青岛能源所:开发的大容量固态聚合物锂电池“青能I号”完成深海科考,其能量密度超过250Wh/kg,500次循环容量保持80%以上,在多次针刺和挤压等苛刻测试条件下保持非常

好的安全性能。“青能II号”也已经研发成功,能量密度高达300Wh/kg,尚未推广应用。

此外,固态锂电池中,硫化物固态电池(锂硫电池)由于具有较高的能量密度和低廉的成本,有着巨大的开发潜力,丰田、三星、CATL、丰田等国内外企业均纷纷加速布局,这其中以丰田技术最为领先。丰田在2010年就推出硫化物固态电池,2014年其实验原型能量密度达到400Wh/kg,截止到2017年初,丰田固态电池专利数量达到30件,远高于其它企业。据丰田高管透露,丰田或将在2020年实现硫化物固态电池的产业化。国内企业CATL在硫化物固态电池方面相对领先,正加速开发纯电动汽车用的硫化物全固态锂金属电池。

固态锂电池(硫化物固态电池)研发现状

丰田:2010年开始推出固态电池,2014年其实验原型能量密度达到400Wh/kg。

三星日本研究所:利用硫化物类固体电解质试制出2000mAh、175Wh/kg的压层型全固态二次电池。

Sakti3(美国):2015年获得英国家电巨头戴森1500万美元的投资,其开发的固态电池以陶瓷等为电解质,金属锂或锂类合金为负极,能量密度达到1000Wh/L,目前仍处于研发阶段。

清陶能源:公司核心在于高固含量的全陶瓷隔膜和无机固体电解质的开发和生产。目前团队已经和北汽开展合作进行中试,未来可能作为北汽电动车的重要组件。

CATL:主要研发方向是硫化物电解质,采用正极包覆方法,解决了界面反应问题,热压方式降低了界面电阻。

二、两种技术路线的对比及影响分析

1、三元锂电池:技术成熟,当前占据市场主流

从产品成熟度角度来看,美国特斯拉Model系列车型已经实现突破,Model3即将规模化销量,进一步论证三元锂动力电池的可行性。Model3采用全新21700电池,相比18650电池在外观上变长变粗,能量密度也提高了20%,单体电池容量可达3~4.8Ah,大幅提升35%。毫无疑问,当前三元锂动力电池已然为主流产品。

2、固态锂电池:技术潜力大,有望成为未来的主流产品

从技术潜力角度来看,三元锂动力电池能量密度提升相对困难,全固态锂电池能量密度提升,从理论上讲更具可行性。一是全固态锂电池电压平台提升,固态电解质比有机电解液普遍具有更宽的电化学窗口,有利于进一步提升电池的能量密度;二是固态电解质能阻隔锂枝晶生长,材料应用体系范围大幅提升,为具有更高能量密度空间的新型锂电技术奠定基础。三是全固态锂电池当前能量密度约400Wh/Kg,预估最大潜力值达900Wh/Kg,有超过100%的提升空间。固态锂电池必将是未来的主流产品。

表格5三元锂电池与固态锂电池技术性能对比