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三类正极材料主导下的EV电池市场边界

   日期:2019-09-11     来源:电池联盟    浏览:879    评论:0    
导读:动力电池正极材料体系主要包括三类,分别是三元材料、磷酸铁锂材料、锰酸锂材料。

新能源汽车行业作为我国“十三五”重点发展的战略性新兴产业,是国家坚定支持的战略方向。在国家产业政策的支持下,新能源汽车产品不断丰富、配套设施不断完善。

根据中汽协统计数据,2011年至2017年,我国新能源汽车销量年平均复合增长率达到113.7%。

2018年,我国新能源汽车产销分别完成127万辆和125.6万辆,比上年同期分别增长59.9%和61.7%,连续多年位居世界第一。

此外,在全球“电动化”背景的推动下,随着我国各项政策在新能源汽车领域的不断完善,新能源汽车增长空间巨大。预计到2021年,中国新能源汽车产量有望达到286万辆。

在此背景下,动力电池材料的研究,依然是业内专家最关心的话题。

目前,动力电池正极材料体系主要包括三类,分别是三元材料、磷酸铁锂材料、锰酸锂材料。

从国内材料体系来看,目前三元材料占大多数。从国际材料体系来看,NSC、NCM材料占大多数。

三元材料包括镍钴锰(NMC)与镍钴铝(NCA),目前单体能量密度在280Wh/kg,在组合电池(PACK)领域可以超过160Wh/kg。

磷酸铁锂材料目前单体能量密度超过180Wh/kg,目前系统能量密度可以做到145Wh/kg左右。

锰酸锂材料目前能量密度较低、循环性能较差,单体能量密度在123mAh/g左右。不过,从主流来看,不管是国内还是国外,锰酸锂材料能量密度逐渐有所提升。

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三元锂电池作为动力电池,尤其是乘用车领域的主要电池类型,相比与磷酸铁锂电池,拥有更高的比能量和比功率,更符合乘用车需求。

镍锰钴作为最成功的锂离子体系之一的阴极组合,与锰酸锂类似,可以定制用作能量电池或功率电池。

NMC是电动自行车与其他电动动力系统的首选电池,是一种独特的混合物,由于钴含量降低,也降低了原材料成本。阴极组合通常为三分之一镍、三分之一锰和三分之一钴,也被称为1-1-1。

由于钴的高成本,电池制造商从钴系转向镍阴极。镍基系统比钴基电池具有更高的能量密度,更低的成本和更长的循环寿命,但是它们的电压略低。新型电解质和添加剂可以使单只电池充电至4.4V以上,从而提高电量。

随着镍元素含量的升高,三元正极材料的比容量也开始逐渐升高,电芯的能量密度也随之提高。

所以,在正极材料NCM电池中,按照三者含量不同,NCM材料可分为NCM111、NCM523、NCM622、NCM811等,其后面的数字代表的就是三者的比例。

在对续航里程要求越来越高的需求下,电池的比能量需要也越来越高,再加上作为稀有金属的钴价格不断的上涨,高镍体系的NCM811或将成为未来重要的发展方向。

NCA中镍钴铝的常见配比为8:1.5:0.5,铝的含量最少,因此可以理解它接近二元材料,以Al(过渡金属)代替锰,是将镍钴锰酸锂通过离子掺杂和表面包覆进行改性,离子掺杂可以增强材料的稳定性,提高材料的循环性能。但是在制作过程中,由于Al为两性金属,不易沉淀,因此NCA材料制作工艺上存在门槛。

NCA电池在国内还未大量生产,高镍材料荷电状态下的热稳定性较差,导致电池的安全性下降,使得电池生产企业和终端产品用户对NCA电池的安全性心存顾虑,需要从电芯设计、电源系统设计、电源使用等环节进行系统可靠的安全设计。

NCA要求电池生产全过程控制湿度在10%以下,而其他材料目前只需注液工序对湿度进行严格控制,这对国内企业形成了比较大的挑战。

此外,NCA电池充放电过程存在严重的产气,会导致电池鼓胀变形,循环及搁置寿命下降,电池存在安全隐患,所以通常采用耐压的圆柱电池壳制作NCA电池,降低了产气量以控制电池鼓胀变形问题。

NCA和NCM811性能上比较接近,但在价格上NCM811略微便宜。且NCA体系电池也并非尽善尽美,如果要进一步提升能量密度,需要在21700基础上不断地做大体积,这对电池安全管理提出了更大的挑战。

NCM与NCA都是高镍的三元锂电池,最大的优势就是比能量高,能够为车辆提高更加充足的电量。

从能量需求来看,NCA电池更有优势,不过从制造工艺、成本、以及目前技术条件等综合来考虑,国内电池企业当下主要还是集中在生产NCM。

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在蔚来、特斯拉等新能源电动汽车先后自燃带来的恐慌下,磷酸铁锂电池以其安全性能较高,有望卷土重来的态势。

8月初,工信部发布的《新能源汽车推广应用推荐车型目录(2019年第7批)》指出,磷酸铁锂电池配套237款车型,占比达67%;三元电池配套64款,占比18%。

目前,磷酸铁锂已到了单晶化与纳米化,在实验室可做到比容量为160mAh/g以上,具有非常好的循环稳定性。

磷酸铁锂的热失控温度普遍在500度以上,而三元锂电池则低于300度,一些高镍三元锂电池更是低至200度。

众所周知,磷酸铁锂电池曾是比亚迪秘密武器。近日,比亚迪宣布将在2020年推出全新一代铁锂电池。比亚迪重拾曾经的研发技术,也许正是看到了这一点。

此外,比亚迪曾表示磷酸铁锂单体能量密度165Wh/kg,系统能量密度140Wh/kg。未来两年规划单体能量密度提升至180Wh/kg以上,相比之前提升9%。系统能量密度提升至160Wh/kg。

磷酸铁锂电池最大的优点在于安全性和成本,但是最大的缺点是能量密度比较低,续航里程比较短。

磷酸铁锂电池技术的进步,将有可能打破其原有续航里程的瓶颈,除了安全性能外,还在两方面优势比较明显。

一是循环充电次数达到3500次,几乎三元锂电池2000次的2倍,这将大大降低用户更换电池成本。

二是电池制造无需贵金属材料,尤其是不会用稀有金属钴,这让其制造成本相当低廉,将大大降低用户购车成本,这在新能源车补贴取消后至关重要。

如今比亚迪宣布全新一代的磷酸铁锂电池即将面市,那么比亚迪或许在今后自己的纯电动汽车上会重新使用磷酸铁锂电池。

2019年,磷酸铁锂电池电芯的市场报价已降至0.7元/Wh以下,三元电池电芯的报价则在0.9元/Wh左右,两者差距开始扩大。

今年国家新能源汽车补贴政策发布后,行业毛利承压。乘用车领域取消地方补贴,总体的退坡幅度约为60%-67%。考虑到磷酸铁锂的安全性以及长循环性带来的经济性,补贴退坡下磷酸铁锂需求将边际回暖。

在行业发展层面来看,磷酸铁锂电池凭借高安全、低成本的优势,将在客车、专用车、乘用车等新能源汽车及储能市场得到更广泛的应用。二

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2017年,中国电动自行车对锂离子电池的需求总量为4GWh,其中,对三元电池与锰酸锂电池的需求占比分别为40%、60%。

2018年,在新能源汽车补贴退坡与市场化推广双重作用下,锰酸锂的价格优势表现较为明显,国内锰酸锂产量达5.4万吨,同比增长31%。

目前,电动自行车对锂电池的需求主要集中在锰酸锂电池、三元电池或是两类电池掺杂使用。

未来电动自行车市场锂电池或将取代铅酸电池、镍氢电池等是大势所趋,而锰酸锂电池凭借其性能、价格多重优势容易占取先机。

由于目前电动自行车市场保有量巨大,在新国标正式实施后,电动自行车对锂离子电池的需求将会逐年增长,预计在2021年达到20GWh。

此外,锰酸锂电池在电动自行车中的应用比例也会逐年增加,到2021年,锰酸锂电池的应用比例或将达到80%。 
 

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