数据显示,我国动力电池现状与目标值差距达126%。这对这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,固态锂电池也是可以将电池系统能量密度提升至 260Wh/Kg水平。

一、政策背景

电动化大趋势愈演愈烈,我国通过系列化政策的引导和扶持,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《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》等纷纷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,这也是促进国内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的进步,智电汽车通过三元锂和固态锂电池的产品技术对标模型分析,来推演未来动力电池发展格局。

二、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为115 Wh/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300 Wh/Kg;系统比能量力争达到260Wh/Kg。

政策倒逼引发蝴蝶效应 动力电池技术革新将塑新格局

数据显示,我国动力电池现状与目标值差距达126%。这对这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,固态锂电池也是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•中流砥柱

当前,全球新能源车市场迎来蓬勃发展的关键时期,主流汽车企业纷纷布局新能源汽车战略,锂电池产业链快速成熟将进一步推动新能源汽车的规模化应用。从全球的角度看,典型车企配套车型主要采用日韩动力电池,以三元锂为主体,续航里程基本上都达到或超过350公里的水平。

政策倒逼引发蝴蝶效应 动力电池技术革新将塑新格局

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%到第五批目录中的73%,应该说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。

政策倒逼引发蝴蝶效应 动力电池技术革新将塑新格局

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已经不可逆转,但整车续航里程仍有提升的空间。这很可能在于动力电池能量密度、BMS效率提升等多方面原因所致。

2、全固锂态动力电池发展•共识

世界各国先后制订了高能量密度锂电池的研发目标,均在积极地进行锂硫电池、锂空气电池或锂金属电池等电池的前瞻性研究。固态锂电池在继承传统锂电池的优点基础上,安全性、能量密度等方面有了大幅进步。目前,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,其有望成为作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,为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

聚合物固态电池•商业化

全球动力电池关联企业加速布局全固态锂电池领域以抢占先机,目前各个技术路径呈现出不同产业化特点。目前,固态锂电池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小规模产业化。

政策倒逼引发蝴蝶效应 动力电池技术革新将塑新格局

 

硫化物固态电池•能量密度高+成本低

由于锂硫电池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、丰田等国内外企业纷纷加速布局。以丰田技术最为领先,其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。

 

政策倒逼引发蝴蝶效应 动力电池技术革新将塑新格局

三、两种技术路线的对比及影响分析

1、三元锂电池•成熟

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,其Model 3即将规模化销量,进一步论证三元锂动力电池的可行性。Model 3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。

政策倒逼引发蝴蝶效应 动力电池技术革新将塑新格局

2、固态锂电池•潜力

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400 Wh/Kg,预估最大潜力值达900 Wh/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。

政策倒逼引发蝴蝶效应 动力电池技术革新将塑新格局

3、固态锂电池•安全

近年来国内外多次出现新能源汽车自燃事故,新能源汽车的使用越来越关注。其主要原因在于动力电池(三元锂为主)的问题,动力电池电气安全、功能安全、化学安全、机械安全方面控制仍不给力。一般而言,三元锂电池液态电解质易燃易爆,在长期使用过程中容易触发“热失控”,在充放电过程中锂枝晶的生长容易刺破隔膜,引起电池短路,造成安全隐患。

政策倒逼引发蝴蝶效应 动力电池技术革新将塑新格局

但全固态锂电池具有极高的安全性,其固态电解质不可燃、无腐蚀、不挥发、不漏液,同时也克服了锂枝晶现象。

4、固态锂电池•明日之星

综合上述产品、技术、安全等方面的比较,全固态锂电池在使用安全和技术潜力方面具有绝对的优势,但是三元锂电在产品成熟度、市场渗透方面具有相当的优势。综合来看,当前三元锂电为纯电动汽车最为明智的选择。

政策倒逼引发蝴蝶效应 动力电池技术革新将塑新格局

但是,一旦全固态锂电池解决金属锂稳定性差等问题后,将爆发强大的产品替代力,或将颠覆动力电池产业格局。

5、高能量动力电池•发展动力

前面提到了,国家政策导向已经非常明确,大力支持高能量密度的新型锂离子动力电池

的发展,并已经有相应的政策细则体现。主要表现在三个方面:一是2017年6月份国家工信部发布的双积分政策,通过高能量密度降低电池质量而获得低的百公里电能消耗量 Y 时,可以获得1.2 倍积分;二是去年年底补贴政策,强调了高能量密度(乘用车电池能量密度>120 Wh/Kg)时,可获得1.1~1.2倍补贴;三是从获取补贴必须进入的新能源汽车推广目录来看,乘用车三元锂电车型占比持续提升,今年第6批车型份额占比超过70%,已然促进了高能量密度电池的发展。

6、高能量动力电池•新格局

虽然国内新能源汽车推广应用方面取得了良好成绩,但是主要面向私人消费者的纯电动乘用车产品受制于“里程焦虑”影响尚未实现大规模使用。这要求动力电池有着更高的能量密度,就目前情况而言,仅三元锂动力电池和固态锂动力电池可能达成2020年目标。这将引发国内动力电池技术新格局。

第一类,技术领先型。CATL企业本身已经具备了三元锂电技术沉淀,其产品将采用硅碳材料作为负极,“十三五”期间有望实现350Wh/kg目标;同时CATL在固态锂电池(锂硫电池、聚合物电芯)均取得了突破,如CATL设计制造的容量为325 mAh的聚合物电芯高温循环性能表现良好。技术的领先和提前布局,能够保证企业在新技术的应用推广时占据制高点。

第二类,技术跟随型。国轩高科、力神等企业具备较强的市场基础,都在加速研发具有高电池能量密度的三元锂电技术。如科技部官网关于国轩高科三元锂电技术的突破情况,其以“高镍正极+硅基负极”为电池材料,实验室电池能量密度水平达281 Wh/kg。但是这类企业很少或者基本上没有涉及到固态锂电池技术储备。该类企业或将加快同三星日本研究所、Sakti3(美国)、清陶能源等具有全固态锂电池技术的企业合资合作。

第三类,技术转型类。比亚迪、万向等企业,其核心产品磷酸铁锂电池能量密度上升空间有限,逐步降低磷酸铁锂电池的影响,加速转型三元锂电池技术路线。其中,万向旗下A123

Systems磷酸铁锂产品能量密度止步于140Wh/kg左右;比亚迪计划在2018年三元锂电池能量密度达到240Wh/kg左右,2020年达到300Wh/kg左右。该类企业具有较强的技术积累和研发支撑,且有较强的技术嗅觉感,或将加强同中科院青岛能源所、国能电池研究院等科研院所的合作,加快全固态动力电池的研发。

总而言之,磷酸铁锂技术路线正在被替代,三元锂电池技术路线已经成为主流,未来全固态锂电池或新锂离子电池技术路线将逐步替代三元锂。

四、发展建议

未来,新能源汽车的健康与规模化推广应用很大程度上取决于高安全、高续航里程的动力电池的支撑力度。当前,新能源汽车动力电池技术进步将受国家政策、外部竞争的双重压力驱动,这就要求现有三元锂动力电池技术的持续提升,同时也需要新的锂离子电池的技术攻关和突破,以实现颠覆性的革新。对动力电池企业说,现在是最好的时期,也是最坏的时期。智电汽车认为,电池能量密度的“攻坚战”已经打响,动力电池行业格局将洗牌。未来企业要进入竞争力梯队,需要重点做好两点:一是要转变思维方式和“居安思危”,由粗放规模化发展向“技术和规模化”并重的发展模式转型,加速全固态锂电池或新锂离子电池技术储备;二是要注重产品的安全性,既要加强与整车企业的合作,同时要规避“高田气囊”事件在动力电池行业上演。

中国电池网(微号:mybattery)主站、微博、微信、手机客户端及电池智库(邮件直投)等全媒体平台及资源,每日精选电池产业链主流新闻、信息、数据等内容,每天覆盖国内外近百万用户或读者,咨询热线:400-6197-660,投稿信箱:zlhz@itdcw.com。

中国电池网微信
[责任编辑:赵卓然]

免责声明:本文仅代表作者个人观点,与中国电池网无关。其原创性以及文中陈述文字和内容未经本网证实,对本文以及其中全部或者部分内容、文字的真实性、完整性、及时性本站不作任何保证或承诺,请读者仅作参考,并请自行核实相关内容。

凡本网注明 “来源:XXX(非中国电池网)”的作品,均转载自其它媒体,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。

如因作品内容、版权和其它问题需要同本网联系的,请在一周内进行,以便我们及时处理。电话:400-6197-660-2 邮箱:119@itdcw.com

动力电池
锂电池
中国电池网