今年以來,伴隨新能源整車市場的高歌猛進,動力電池行業好不“熱鬧”。在市場和需求的驅動下,在原材料漲價和競爭加劇的大潮中,得益于新材料和新工藝的發展,越來越多的新型電池技術走到臺前。

蜂巢能源

蜂巢能源  電池網資料圖片

今年以來,伴隨新能源整車市場的高歌猛進,動力電池行業好不“熱鬧”。在市場和需求的驅動下,在原材料漲價和競爭加劇的大潮中,得益于新材料和新工藝的發展,越來越多的新型電池技術走到臺前。它們中有些即將量產,有些前景可期。這些變化賦予了新能源汽車及動力電池行業更多生機與活力,但同時也意味著市場存在一定的變數。面對這種局面,如何做出決策、如何開展布局,將是對企業的一項大考。

百花齊放中的新型電池技術

近日,工信部發布的最新一批《新能源汽車推廣應用推薦車型目錄》顯示,廣汽新能源推出了一款新車型AIONLXPLUS。據悉,該款車憑借續駛里程超過1000km,百公里耗電量只有15.8kWh,成為業界關注的焦點。此前,廣汽新能源方面就曾對這一新車型進行推介稱,其超長續駛里程主要得益于海綿硅負極片電池技術。

近一兩年來,動力電池在續駛、安全、快充等性能上的“內卷”不斷加劇,能夠實現更優特性的技術五花八門。在新能源汽車市場規模和滲透率不斷提升的驅動下,動力電池技術創新研發的步伐正在加快,為產業格局的重塑帶來一股新變量。

硅負極電池

據了解,廣汽埃安AION LXPLUS配裝新型鎳鈷錳三元鋰電池,系統能量密度達到205Wh/kg。與普通鎳鈷錳三元鋰電池不同的是,新型電池的負極加入了像海綿一樣柔軟的硅片。這種設計使硅在充放電過程中的膨脹和收縮被限制和緩沖不會碎裂,同時也像海綿吸水一樣,讓硅負極發揮大容量的優勢,儲存更多能量,其核心優勢在于大幅降低了電池的質量和體積。

廣汽新能源官方資料顯示,通過這項自主研發的“海綿硅負極片電池技術”,在同等電量情況下,動力電池單體電芯可實現體積減小20%、重量減輕14%。這款新型電池目前的電芯能量密度可達280Wh/kg,未來通過技術迭代,這個數值有望提升至315Wh/kg。

現階段,我國動力電池的負極材料主要以人造石墨為主,但其克容量已接近理論數值,難以進一步提升,因此開發鋰電池的新型負極材料及技術成為研發重點。

商業化的硅材料負極一般為硅碳復合體系,隨著相關技術逐漸成熟,其產業化應用逐步推進。統計數據顯示,2020年,我國硅碳負極材料出貨量為0.9萬噸,占比約為2%。

一向被稱為新能源汽車行業風向標的特斯拉,幾年前就將目光轉向了硅負極技術。從ModelS、ModelX開始,特斯拉就在動力電池的石墨負極中摻入硅材料。Model3上使用的21700電池中,硅的比例再次得到提升,能量密度較上一代18650電池提升約20%。值得關注的是,特斯拉方面還表示,最新的4680電池將導入硅負極替代原來的碳基材料。另據獲悉,特斯拉近期收購了美國電池初創公司SiILion,后者擁有“包含硅顆粒的大型電池負極”專利,目前已轉移到特斯拉名下。

國內造車新勢力在動力電池新技術應用上也不甘落后。今年1月,蔚來汽車方面表示,將在2022年交付150kWh電池包,正極使用納米包覆超高鎳材料,負極使用預鋰化硅碳負極,同時使用半固態電解質,單體能量密度可達350Wh/kg。今年4月上市的智己L7,其118kWh高配版動力電池采用與寧德時代合作的“摻硅補鋰”技術,官方稱其電芯最高能量密度可達300Wh/kg,具有20萬公里零衰減和“永不自燃”的特性。

國際上,松下、三星SDI的圓柱電池此前已導入硅碳負極。此外,豐田、三菱、日立化成等也是主要的硅基負極材料技術專利申請企業。

在國內,主流動力電池供應商早已看到硅負極電池的發展潛力,比亞迪、寧德時代、國軒高科、貝特瑞、杉杉股份、力神、比克、萬向等都展開了相關布局。比如,今年年初,國軒高科首次推出能量密度達210Wh/kg的磷酸鐵鋰電池新品。該公司表示,這一性能的提高,離不開關鍵的“高克容量硅負極材料和先進的預鋰化技術”。

據介紹,硅碳負極材料因其比容量大,能大幅提高鋰電池的能量密度,是新一代負極材料的發展方向。東北證券的研究報告顯示,鋰電池負極從石墨體系到硅基負極將是未來的升級方向。隨著動力電池能量密度要求的提高,硅碳負極搭配高鎳三元材料成為發展趨勢。未來兩年,隨著高鎳三元材料技術逐漸成熟,硅碳負極的產業化即將到來。

新能源與智能網聯獨立研究員曹廣平對《中國汽車報》記者表示,目前硅負極或高硅含量的硅碳負極材料,優勢在于克容量較大,理論上是現有石墨負極的幾倍或10倍以上,因此使用硅做負極可大副提高鋰離子電池的能量密度。硅是碳的同族元素,硅或硅碳負極材料在電化學上都能實現嵌鋰和脫鋰?!安贿^,由于硅在嵌鋰的過程中體積膨脹較大,脫鋰后又容易坍塌,所以理論上設計難度較大、使用壽命較差?!彼Q。

對此,有業內人士指出,硅碳負極適合做壽命同樣相對略短的高鎳三元正極的“搭檔”,生產循環壽命滿足常規使用需求、具備高能量密度的電池單體。

“現在,硅碳負極的成本稍高,而且還存在體積膨脹、首效低及補鋰技術不成熟等挑戰,預計隨著這些問題得以解決,會有更多車型配裝硅碳負極的動力電池?!币患倚履茉雌嚻髽I的相關負責人說。

“在鋰負極或鋰混合負極產業化之前,硅碳或硅負極很可能有一定的市場窗口期,其長短取決于能否補齊自身短板以及下一代鋰負極的難題何時攻克?!辈軓V平認為。

鈉離子電池

今年,寧德時代成功帶“火”了鈉離子電池。在新品線上發布會上,寧德時代推出了電芯單體能量密度高達160Wh/kg的鈉離子電池,并計劃將下一代產品的能量密度提高到200Wh/kg。此外,寧德時代鈉離子電池在快充性能上優勢明顯,在常溫下充電15分鐘,電量可達80%以上;在零下20℃的低溫環境中,也能擁有90%以上的放電保持率,系統集成效率可達80%以上。

當前,鈉離子電池仍處于產業化初期,動力電池企業紛紛布局相關技術與產能。寧德時代方面表示,計劃2023年基本形成鈉離子電池產業鏈。此外,中科海鈉、鈉創新能源、星空鈉電等也在進行相關布局。國際上,英國FARADION、日本松下、豐田等國外企業也都在進行鈉離子電池的產業化探索。

據了解,我國鈉儲量豐富、分布廣泛、成本低廉,可用于支撐大規模儲能技術可持續發展。中科海鈉董事長胡勇勝指出,他們研制的高容量、長壽命、超低成本、環境友好新型軟碳負極材料——高溫裂解無煙煤,為鈉離子電池負極材料實用化奠定關鍵基礎,發明專利已在中國、美國、日本獲得授權。

鈉離子電池

資料顯示,我國80%以上的鋰原料依賴進口,而且其不斷攀升的價格也讓行業承壓明顯。相比之下,鈉資源儲量大,且提煉簡單。據中科海鈉方面測算,受益于更低的材料成本,鈉離子電池較鋰離子電池成本通常低30%~40%。

廣發證券的研究報告顯示,2025年,國內鈉離子電池潛在應用場景需求量為123GWh,以磷酸鐵鋰電池價格計量,對應537億元左右的市場空間。

此前,工信部答復政協提案表示,有關部門將支持鈉離子電池加速創新成果轉化,支持先進產品量產能力建設。

“鈉離子電池目前已小批量試產,但要大規模應用還需過工藝關、質量關、上車關、使用關,而進一步推廣受限于能量密度較低等短板?!辈軓V平介紹道。

業內專家指出,鈉離子電池可以作為當前動力電池技術路線的補充,不過要想大規模商業化仍需面對諸多挑戰。比如,鈉離子電池自重較重,作為動力電池還要在能量密度上實現突破。此外,鈉離子電池的正負極、電解液等材料供應也尚未形成規模。鈉離子電池未來應用場景或主要集中在儲能、低速電動汽車等領域。

中信證券的研究報告顯示,在能源變革的大時代下,鈉離子電池在資源豐富度、成本方面優勢明顯,未來幾年隨著產業投入的加大,技術走向成熟、產業鏈逐步完善,有望在儲能等領域實現商業化應用,在一定程度上形成對鋰離子電池、鉛酸電池等成熟儲能技術的補充。

鋰金屬電池

從硅負極技術的發展來看,提升動力電池能量密度的著力點已從正極拓展至負極等組成部分上。在這一行業背景下,采用金屬鋰作為負極材料的鋰金屬二次電池也受到更多關注。

與鋰離子電池相比,混合鋰金屬電池的正極材料幾乎與之完全一樣。作為負極材料,鋰金屬的理論容量為3860mAh/g,約為石墨的10倍,可與現有高容量正極體系搭配。高能量密度的鋰金屬電池,以其材料本身的優勢,可以實現超出常規鋰電池40%以上的能量密度,達到400Wh/kg以上。

近日,混合鋰金屬電池供應商SES發布了Apollo鋰金屬電池,容量高達107Ah,據稱是目前全球單體容量最大的鋰金屬電池,也是世界上首次公開展示的超過100Ah的單體鋰金屬電池。

據介紹,SES正在建設上海超級工廠,計劃于2023年竣工,總面積為3萬平方米。超級工廠坐落于嘉定國際汽車城,建成后的產能將達1GWh,屆時成為全球產能最大的鋰金屬電池工廠。SES創始人胡啟朝表示,混合鋰金屬電池產業化可能的時間點預計在2025年。

據介紹,與鋰離子電池相比,混合鋰金屬電池技術路線既可以提升能量密度,又可以改善安全性。曹廣平對記者表示,與傳統的鋰離子電池相比,混合鋰金屬電池采用了大克容量的鋰金屬負極以及較薄固態電解質層,可以大幅提升能量密度。

國內主流電池企業也看到了混合鋰金屬電池未來的發展空間。寧德時代11月4日在投資者互動平臺表示,公司一直緊跟國際前沿的研究,成立了21C實驗室進行前瞻性技術攻關,目前正推進包括金屬鋰電池、全固態電池等在內的新型技術布局。

億緯鋰能研究院先進電池研究所彭燕秋介紹說,近年來億緯鋰能專注于金屬鋰電池的研究,通過系統分析各關鍵工藝及相關設備的原理,采取新型金屬鋰來料方式、新設備開發、參數優化等策略,實現了自動模切及半自動疊片,金屬鋰二次電池疊片時間僅需1.7分鐘,并在鋰硫電池的開發上進行了驗證,后續將通過模切-疊片一體化設備的開發,實現全自動疊片工藝,為高比能金屬鋰二次電池提供可靠的技術支撐。

有業內人士指出,雖然鋰金屬電池的儲電量相當于鋰離子電池的10倍,但在商業化上面臨“卡脖子”的問題,即在鋰金屬電池充放電時,鋰會不均勻地聚集在電極上。這種積聚會大大縮短動力電池的壽命,而且可能會導致短路甚至起火。

“鋰金屬電池技術的發展主要存在三個方面的問題,一個是容易生長出鋰枝晶,它刺破隔膜可是影響安全性的大問題;二是鋰負極容易產生體積的劇烈膨脹,嚴重影響電池壽命;三是鋰的化學性質活潑,在潮濕空氣等環境下就能反應,因此生產需要在特殊條件下進行,存在很多工藝上的難題有待改進?!辈軓V平告訴記者。彭燕秋也表示,鋰金屬二次電池距離實現商業化應用還有很長的一段路要走。

近期,美國哈佛大學公布的一項新研究,將鋰金屬、固態電解質兩大方向結合,取得了新突破。其研發的鋰金屬固態電池表現出非常穩定的狀態,在高能量密度設定下,仍可實現充放電循環超1萬次,用在電動汽車上預期壽命可達10-15年,快充模式下10-20分鐘即可“滿血”。

4680大圓柱電池

近日,億緯鋰能發布公告稱,子公司億緯動力擬與荊門高新區管委會簽訂合同書,分別在荊門高新區投資建設20GWh乘用車用大圓柱電池生產線及輔助設施項目、16GWh方形磷酸鐵鋰電池生產線及輔助設施項目,投資項目固定資產投資總額約為62億元。

億緯鋰能董事長劉金成表示,將在荊門建設的大圓柱電池項目,可能是全世界范圍內最先量產的4680、4695電池生產基地。

事實上,松下、特斯拉、比克、蜂巢能源等企業也在布局4680大圓柱電池,而且一些企業的產品即將迎來量產。

前不久,松下首次發布4680電池新產品,存儲容量是現有電池的5倍,計劃2022年3月在日本開始試生產。松下方面介紹稱,4680大圓柱形電池專為滿足特斯拉電動汽車的要求而制造,生產成本減半。今年,松下已在日本建立了一條4680電池測試線。松下方面還表示,如果能以比同行更高的效率生產這款電池,將考慮進行大規模投資,并向特斯拉以外的車企供應。此外,三星SDI和LG能源也完成了性能更強的4680電池的樣品開發,目前正在進行測試,以驗證其結構完整性。

圓柱電池卷繞工藝成熟、成本低,但芯內熱量不易散出,熱管理的效果稍差,且成組后體積能量密度稍低。對此,各企業通過不同的創新手段改善其存在的問題。比克電池首席科學家林建介紹稱,通過對正負極材料和結構設計的優化,比克全極耳大圓柱產品開發進度符合預期,在兼顧能量密度的基礎上快充性能提升3倍,目前產品已為部分客戶送樣,在滿足市場需求的基礎上,測試結果部分性能優于預期。

蜂巢能源董事長兼首席執行官楊紅新認為,大圓柱電池的市場前景廣闊,在高性能跑車、SUV等領域具有應用優勢,以此為突破口,圓柱電池可與方形、軟包電池展開競爭。今年,蜂巢能源也將切入大圓柱電池領域。

與傳統圓柱電池相比,4680電池的性能明顯提升:一是空間利用率提高,圓柱體積的增大可以減少電池單體數目;二是生產成本降低,單體能量密度增加,意味著電芯數量的減少;三是快充性能改善,15分鐘內能充至80%的電量,功率密度峰值可達1000W/kg以上。

由于歷史原因,我國方形動力電池所占比重較大,圓柱電池應用式微。而現在,不少整車企業與供應商又將目光重新放在升級后的大圓柱電池上。受特斯拉國產化的帶動,國內圓柱電池的裝車量逐漸重回正增長,2020年達到8.35GWh,占國內新能源汽車電池裝車量的13%。

林建表示,大圓柱電池的應用潛力很大,特別是在高端乘用車和商用車市場。此外,它不僅可以配套整車,一些續駛要求較高的短途出行工具和終端設備同樣適用。圓柱電池在新能源汽車領域的應用價值依然存在,其高一致性和低成本的優勢仍能在一些細分領域找到合適的生存空間。隨著量產上市,大圓柱電池或得到更多車企的青睞。

[責任編輯:趙卓然]

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