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國內鋰離子動力電池發展現狀及發展趨勢

[日期:2017-11-10] 來源:  作者:admin [字體: ]

          一、動力電池發展現狀

      2016年,在國家政策大力支持及新能源汽車推廣應用進程加快的帶動下,中國車用動力電池需求大幅增長。2016年新能源汽車生產51.7萬輛,銷售50.7萬輛,比上年同期分別增長51.7%和53%。其中純電動汽車產銷分別完成41.7萬輛和40.9萬輛,比上年同期分別增長63.9%和65.1%;插電式混合動力汽車產銷分別完成9.9萬輛和9.8萬輛,比上年同期分別增長15.7%和17.1%。

      新能源乘用車中,純電動乘用車產銷分別完成26.3萬輛和25.7萬輛,比上年同期分別增長73.1%和75.1%;插電式混合動力乘用車產銷分別完成8.1萬輛和7.9萬輛,比上年同期分別增長29.9%和30.9%。

      新能源商用車中,純電動商用車產銷分別完成15.4萬和15.2萬輛,比上年同期分別增長50.2%和50.7%;插電式混合動力商用車產銷分別完成1.8和1.9萬輛,比上年同期分別下降22.5%和19.3%。 據統計,2016年1~11月,我國新能源汽車動力電池配套總量超過198億瓦時,其中純電動車型動力電池配套量為184億瓦時,插電式混動車型動力電池配套量為14億瓦時。如果按全年51.7萬輛計算,預計全年動力電池需求量250-255億瓦時。

      以比亞迪、CATL、沃特瑪、國軒高科、力神、億緯鋰能等企業為代表的國內動力電池企業,通過開展投資擴產、自主創新等,產能和產品質量均得到明顯提升。從動力電池配套類型看,磷酸鐵鋰電池仍然為主力配套電池,配套量占比超過65%;三元材料電池配套量接近30%。由于三元鋰電池能力密度高,續航里程相對較長,國內車企乘用車紛紛轉向使用三元鋰電池,包括北汽、比亞迪、江淮等。但三元鋰電池卻存在安全性差、耐高溫性差、壽命差等缺點,2016年初,還被工信部叫停,暫停三元鋰電池客車列入新能源汽車推廣應用推薦車型目錄。

      相比三元電池,磷酸鐵鋰電池,由于安全性能穩定、高溫性能好、重量輕等優勢,越來越多的活躍在電動客車市場。但因其低溫性能差,正極材料振實密度小等缺陷,在微型電池方面不具有優勢。

      另外還有一種電池,由于格力董明珠對珠海銀隆的欣賞和支持,使得鈦酸鋰電池進入大眾視野。

      我國的鋰離子電池研究項目一直是各個企業以及科研單位的重點項目,經過二十多年的持續支持,大部分材料實現了國產化,由追趕期開始向同步發展期過渡,本土總產能居世界第一,支撐了我國新能源汽車的示范推廣。

      (1)正極采用磷酸鐵鋰材料,負極采用石墨材料,能量密度已經可以達到160Wh/kg;

      (2)正極采用尖晶石錳酸鋰、鎳鈷錳三元混合材料,負極采用人造石墨材料,能量密度達到180Wh/kg;

      (3)正極采用鎳鈷錳三元材料,負極采用天然石墨/人造石墨/中間相碳微球等材料的動力電池,能量密度達到200Wh/kg;

      在系統集成技術及能力方面取得較大進展和突破。采用磷酸鐵鋰材料的動力電池系統的能量密度達到115Wh/kg以上,采用三元材料(18650圓柱形動力電池)的動力電池系統的能量密度達到130Wh/kg以上。

      在前瞻性技術研究方面,中科院先導計劃支持相關研究所研制出能量密度超300Wh/kg的鋰離子電池樣品和能量密度超過500Wh/kg的鋰硫電池樣品,但循環壽命及安全性等性能指標還需進一步提升。

      目前,我國已形成了包括關鍵原材料(正極、負極、隔膜、電解液等)、動力電池、系統集成、示范應用、回收利用、生產裝備、基礎研發等在內的完善的鋰離子動力電池產業鏈體系,掌握了動力電池的配方設計、結構設計和制造工藝技術,生產線逐步從半自動中試向全自動大規模制造技術過渡。

      在產業布局方面,中國形成了珠江三角洲、長江三角洲、中原地區和京津冀區域為主的四大動力電池產業化聚集區域。據統計,目前有近100家動力電池企業開展動力電池的研發及產業化工作,有近1000億元產業資金投入,形成近40GWh年產能,技術研發、產業化進展顯著,有力地支撐了新能源汽車產業的快速發展。

      二、新能源汽車發展展望

      動力電池能量密度的逐步提升和成本的持續下降,依然是制約新能源汽車發展的“絆腳石”,亟需電池廠家與材料廠家通過密切合作來解決。

      2016年10月26日,《節能與新能源汽車技術路線圖》在上海發布。該路線圖描繪了我國汽車產業技術未來15年發展藍圖。總體目標是:至2030年,新能源汽車逐漸成為主流產品、汽車產業初步實現電動化轉型。

      至2020年,新能源汽車銷量占汽車總體銷量的比例達到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到40%以上。

      三、新能源汽車發展思路及總體目標

      1.純電動車/插電式混合動力汽車-總體思路

      以中型及以下車型規模化發展純電動乘用車為主,實現純電動技術在家庭用車、公務用車、租賃服務以及短途用車等領域的推廣應用。以緊湊型及以上車型規模化發展插電式混合動力乘用車為主,實現插電式混合動力技術在私人用車、公務用車領域推廣應用。

      2.動力電池總體思路

      近中期:在優化現有體系鋰離子動力電池技術滿足新能源汽車規模化發展需求的同時,以開發新型鋰離子動力電池為重點,提升其安全性、一致性和壽命等關鍵技術,同步開展新體系動力電池的前瞻性研發。

      中遠期:在持續優化提升新型鋰離子動力電池的同時,重點研發新體系動力電池,顯著提升能量密度,大幅降低成本,實現新體系動力電池實用化和規模化應用。

      四、動力電池技術發展方向

      為了支撐新能源汽車的發展,需要持續提升電池單體能量密度和降低單體成本。鋰離子電池技術進步,主要來自關鍵電池材料創新研究與應用進展,通過新材料的開發進一步提高電池性能,提高質量,降低成本,改善安全性。為滿足下游應用對電池能量密度提升的要求,一方面通過采用高比能量的材料,另一方面可通過提高充電電壓,采用高電壓材料。正極材料研發重點:高鎳含量NCM材料的產業化技術研究與應用;橄欖石結構MnPO4、LMFP等的產業化技術研究與應用;新型高電壓/高比容量正極材料制備、改性與應用;現有正極材料性能提升、成本降低與實用電池應用。

      負極材料研發重點:硅基負極材料研究與應用;碳材料性能提升、成本降低與實用電池應用;LTO材料性能提升、成本降低與實用電池應用研究;金屬鋰的可充性改善與可應用性研究等;其他新型負極材料(如高比容量TiO2等負極材料等)。

      電極材料添加物,如導電材料、粘合劑等石墨烯材料制備、特性、應用研究;各類新型(含改進)碳材料添加劑的功能及其應用。 鋰離子電池電解液和隔膜對提升電池性能與安全越來越凸顯出重要性,電解液添加劑和隔膜涂層是配合鋰離子電池提升電壓(提升能量密度)、維持壽命和保障安全的重要措施。電解液領域重點圍繞著功能電解液展開,對添加劑的選擇是當今電解液研究發展的焦點所在,尤其以高電壓功能電解液為焦點。涂覆(或復合)隔膜則是當今隔膜應用發展的焦點所在,隔膜表面采用涂覆層可以帶來明顯的好處,首先是提高了隔膜的熱穩定性;其次是提高隔膜對電解液的浸潤性,有利于電池內阻降低、放電功率提升;再有是可阻止或降低隔膜氧化,有利于配合高電壓正極的操作以及延長電池循環壽命等。

      本文由宇航汽車張杰工程師提供。歡迎大家交流、批評、指正!

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