在大環境下,作為新能源汽車“心臟”的動力電池,經過幾年的高速發展,目前也正經歷著陣痛,產業高度集中,產能結構性過剩、產品同質化嚴重。競爭態勢日趨激烈迫使行業不斷尋求新的突破方向。

當前中國新能源汽車產業正在從政策驅動向市場主導轉變,新能源行業進入后補貼時代,產業鏈企業面臨資金、技術、市場多方面的空前壓力。在大環境下,作為新能源汽車“心臟”的動力電池,經過幾年的高速發展,目前也正經歷著陣痛,產業高度集中,產能結構性過剩、產品同質化嚴重。競爭態勢日趨激烈迫使行業不斷尋求新的突破方向。

在11月21—23日ABEC 2018第6屆中國(青島)鋰電新能源產業國際高峰論壇會上,高鎳材料高比能量、安全性、低成本、可回收成為大會熱議的話題。

論壇現場

論壇現場

正極材料能量密度很大程度上決定了一個電池的能量密度,因此國內(523、622、811)為代表的高鎳三元正極材料越來越受到人們的關注。高鎳三元正極搭配硅碳負極,動力電池單體比能量可達300wh/kg,目前已經取得了實質性突破。但鎳含量越高,熱穩定性越差,而熱穩定性直接關系到電池的安全性。

北京大學教授其魯在演講報告中提到,高鎳材料基本是鎳酸鋰、鈷酸鋰,將鈷元素有比例計算以后得到的是新化學結構,物理性能并沒有多大變化的材料,高鎳材料的安全性也是由此而來。層狀巖的結構,在充電狀態下它的結構是不穩定的,實驗表明,在脫鋰的狀態下,大概200-300度之間,非常容易分解,分解就要放出大量熱量。所以在使用過程中,這個電池比錳酸鋰、磷酸亞鐵鋰的材料更容易釋放大量熱量。三元材料作為純電動汽車的電池,使用的時候一定要注意它的發熱問題。

另外,三元材料材料中鎳元素呈堿性,暴露在空氣中容易吸水,需要將高鎳材料水份控制在10%以內,鎳材料PH值越高,其電化學性能和存儲性能越差,在高水份的環境中,電池的衰減就會很快。另外,高鎳材料的電池安全性相比磷酸鐵鋰等電池安全性有所下降,因此,要在電池設計層面要進行改善。

高鎳熱穩定性較差但為什么在競爭中有一席之地呢?寧波容百新能源科技股份有限公司戰略管理中心總經理趙軍認為這與國家主推政策有一定關系。具有高能量密度,另外實際使用811或者NCA這種材料,綜合成本并沒有提高,反而是下降的。且隨著高鎳正極能量密度提升,綜合成本還會降低。

雖然,811高鎳材料存在一些問題,比如熱穩定性差,安全性會下降,這是電芯廠商普遍遇到的問題。但現在正式上車的811材料是比克公司生產的一款汽車,像江淮汽車、小鵬汽車都已經正式亮相?,F在方型和軟包方面的技術方案還是有一定難度,但是國內已經跨越了這道門檻。

容百開發的定向結晶技術提高了循環壽命,常規循環超過2500周。同時在摻雜和包覆方面有所提高。同時開發了高鎳粒徑級配技術,提高了能量密度。同時這個行業最終在正極材料領域,還是要大規模自動化。從投料的環節到相應的工藝、最終的包裝,全規模自動化才能實現整個產業的快速發展。

青島藍科途膜材料有限公司研究所的所長劉鵬說,在提高安全的前提下,提升能量密度。首先高鎳體系肯定有更高的能量才有更好的性能。但本身存在著結構問題和化學穩定性的問題,安全性大打折扣。我們今天從隔膜材料的角度講,看看能不能給高鎳體系提供安全的輔助。

鎳含量的增高,首先對容量有明顯提升,當然帶來的問題就是安全性問題。鈷的存在主要提高結構的穩定性,但成本會有提升。錳屬于非活性物質,起到了穩定反應,提高安全性的作用??傮w上講,活性金屬成分含量越高,材料比容量越大,但是鎳含量越高,安全性問題越突出。隨著鎳含量的增多,電池材料的具有更高的比容量。所以從隔膜的安全角度,給高鎳體系提供安全的輔助。隔膜因具有良好的機械性能、化學穩定性和高溫自閉性能,故而可以從隔離電池正負極、允許鋰離子通過防止高溫引起的電池爆炸等方面提高鋰離子電池綜合性能。

有藍科開發的新型芳綸涂覆隔膜,本身耐熱型達到400度以上,使用芳綸復合材料對隔膜進行涂覆以后,可以在本身耐溫性不強的情況下,提升耐溫性以及部分提升強度。整體上提高對電解液的浸潤性,有效降低電池內阻。使隔膜耐熱性能大幅提升,另外,芳綸涂覆隔膜優異的抗氧化性,有助于實現高電位化,從而提高能量密度。

針對負極材料,蜂巢能源科技有限公司副總經理馬忠龍表示,石墨作為較為成熟的負極材料,其能量密度已經被充分發揮,業界普遍認為硅碳負極是接替石墨的最佳負極材料,他認為硅材料的問題也不少。首先,硅材料存在很嚴重的體積膨脹問題。在充放電過程中,硅的體積會膨脹100%~300%,不斷的收縮、膨脹會造成硅碳負極材料的粉末化,嚴重影響電池壽命;其次,硅的不斷膨脹,在電池內部產生很大的應力,這種應力對極片造成擠壓,循環多次后可能出現極片斷裂的情況;再次,由于電池內部應力的原因,很有可能造成電池內部孔隙率的降低,減少鋰離子移動通道,造成鋰金屬的析出,影響電池安全性。馬忠龍同時還強調開發無鈷正極電芯很重要。他說,三元材料用到的是鎳、鈷、錳,這里面最高價格的是鈷,未來需求較高,鈷又是比較緊缺的。從材料成本的角度看,鈷用少一點,電池成本就會降下來。

論壇會上業內專家還指出,正極材料中鎳的比例不斷提升以及硅碳負極的使用,給電解液的研發和生產帶來新的困擾,隨著動力電池的能量密度的提升,電壓也會隨之升高,電壓越高,電解液的分解能力也越強。溶出的過渡金屬離子在負極被還原析出后,會破壞負極表面的SEI膜,另外提高電壓還會明顯增大漏電流。面對新的形式,如果企業沒有足夠的研發實力很難做好與高鎳材料相匹配的電解液產品。電解液就像人的血液,一個人是否健康,把血液化驗一下就差不多知道了。所以電解液企業要像做血液一樣做電解液。但做企業的,要考慮成本,一定要把產品成本做得越來越低,滿足市場需要。

奇瑞新能源汽車技術有限公司副總經理兼研究院院長倪紹勇分析說,目前有磷酸鐵鋰電池,有三元電池,也有即將大量使用的高鎳三元和硅碳負極鋰電池,未來還有一系列的固態鋰電池、固態鋰锍電池、燃料電池等等,對整車廠而言,未來到底用哪一個?未來到底用能量密度的電池還是用更便宜的電池還是用更容易獲得的電池,這對整車廠來講都是機會。首先三元走高能量的方向一定會走下去,因為整車續航里程不足這個事情,無論如何這是需要解決的事情。磷酸鐵鋰未來肯定會成為我們的選擇。因為磷酸鐵鋰有它的特殊性,在小型代步用車上,很大程度能夠滿足需要,只是需要更合適的資源而已。因為補貼的原因,三元的產量越來越多,各家電池廠都把工藝調整為三元,好用的或者能批量供貨的鐵鋰資源就偏少了。在未來一到兩年里,有可能磷酸鐵鋰的用量也會加強。

浙江華友循環科技有限公司副總經理高威喬則提出,隨著新能源電動汽車的逐步產業化,車用動力電池的產量將大幅提高。動力電池含有各種可回收利用材料,一輛電動汽車平均使用正極材料50公斤、負極材料40公斤、電解液40公斤。一旦廢棄動力電池不能得到有效回收處理,不僅對環境的污染非常嚴重,還造成資源的浪費。他說,目前國家政策里面有非常明確的要求,要嚴格遵循先梯級利用后再生利用的原則。動力電池回收有兩個途徑:梯級利用和再生循環利用。當然,梯次利用的電池有一天用盡了還是要回到再生循環的部分。他強調廢舊動力蓄電池的回收的重要性是關系到行業可持續發展。

鋰電“達沃斯”組委會秘書長于清教

鋰電“達沃斯”組委會秘書長于清教

中關村新型電池技術創新聯盟秘書長、鋰電“達沃斯”組委會秘書長于清教做了總結性發言,他說我國鋰電池全產業鏈市場步入了動力電池驅動時代,已擁有從基礎材料、電池、電機、電控系統等比較完整的產業體系。作為全球最大新能源汽車及動力電池產銷市場,我國在世界新能源汽車產業中的話語權日益增強,動力電池領域形成了“中日韓”三國鼎立之勢,也構建起多種技術路線與材料體系協同發展、互為補充的格局。

本次論壇是由中關村新型電池技術創新聯盟和電池網共同主辦。論壇期間,組委會聯合電池網還隆重舉行了第8屆(2018年)中國電池行業年度人物、年度創新獎頒獎盛典。

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