动力电池发展现状与技术趋势全面解析

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Bollore: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 325 mAh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 250 Wh/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 300 Wh/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

3、固态锂电池:安全性高,可大幅降低车辆自燃率

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,三元锂电池的电气安全、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。但是全固态锂电池则具有极高的安全性,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,搭载全固态锂电池的汽车的自燃概率会大大降低。

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,当前采用三元锂电是纯电动汽车最为明智的选择。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。

4、高能量动力电池发展格局预判

前文提到,国家的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>120Wh/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。

然而,虽然国内新能源汽车推广应用方面取得了良好成绩,但是面向私人消费者的纯电动乘用车产品仍受制于“里程焦虑”的影响,尚未实现大规模应用。私人需求端市场的突破与满足要求动力电池的能量密度有进一步提升,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,以CATL为代表。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325mAh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,以国轩高科、力神等为代表。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,称其以“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281Wh/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,以比亚迪、万向等为拜拜。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A123Systems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,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。

三、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。