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中国动力锂电池关键材料该如何获得技术突破?

荷叶塘 来源:电子发烧友 作者:程文智 2019-09-02 19:58 次阅读
在新能源汽车中,动力电池是其最为核心的零部件,在整车的价值重占比也很高。这几年随着新能源汽车的发展,带动了汽车动力电池的发展,特别是国内的电池和电池关键材料技术的发展。
那目前国内动力锂离子电池的发展现状如何,其关键材料技术如何突破,以及未来的发展方向是什么呢?深圳市研一新能源材料有限公司董事长岳敏在8月30日的第二届中国国际新能源汽车全产业链高峰论坛暨智能网联汽车发展战略峰会上,做了详细的解读。
图1:深圳市研一新能源材料有限公司董事长岳敏在阐述动力锂离子电池的现状。

锂离子动力电池发展现状

从2014年开始,我国对新能源汽车行业包括直接补贴在内的支持政策落地,驱动国内新能源汽车进入快速发展通道。新能源汽车销量的增长,使得动力电池的需求量大幅增加。从出货量上来看,在2018年,国内电池企业宁德时代在动力电池装机量方面为24.0GWh,排名第一。松下以22.0GWh的出货量紧随其后。
图2:2018年全球动力电池出货量排名。(数据来源:GGII)
虽然出货量方面国内企业处于领先地位,松下等企业的出货量在减少,但从动力锂离子电池的技术来看,还是松下、三星SDI、LG化学和SKI几家企业占优。特别是在高能量密度和先进电池技术方面,日本企业具有突出的领先优势。岳敏认为,中国企业在2~3年内都难以追上。
在铁锂和人造石墨的应用方面,以宁德时代和比亚迪为代表的中国企业现在已经具有不少优势了。
他同时提到,现在有不少资金在涌入动力锂离子电池领域,但在他看来,动力电池要做好,只是有资金是不够的,还需要对行业有充分了解的人才才行。“简单挖几个人,就想把动力电池做好的时代已经过去了。”他在演讲中表示。
老实说,这几年,中国的电池企业的进步是很快的,但也有一些问题。岳敏举例说,“首先,中国的电池企业有点急功近利,还有很多东西没有想明白,就直接上了。其次,他们对行业的本质,未来趋势,消费者需求缺乏认知和长远思考,习惯一窝蜂和趋同跟风。还有,最为重要的是,国内企业往往缺乏对市场和消费者真正的敬畏,缺乏对人性发自内心深处的敬畏,为了赚钱不惜一切手段,为了拿补贴没有不敢做的。”
与我们国内企业补贴在哪里,业务就在哪里不用,日韩的动力电池企业往往在很多年前就开始了技术预研和产品开发,他们更注重市场和消费者的需求,不为眼前利益与短期利益所动,不受政策变化而调整。
岳敏指出,这些日韩动力电池企业有耐心,懂得舍得,也有着深厚的技术积累,其汽车用电池已经到了可以商品化的时期。
他拿他自己3年前购买的特斯拉举例说,那辆特斯拉已经行驶了10万公里,但电池衰减还不到30公里。

动力电池的四大关键主材

动力电池有四大关键材料,那就是负极材料、正极材料、电解液和隔膜。岳敏认为,未来锂离子电池材料一定是中国企业说了算,因为中国锂离子电池材料供应商已经实现了从“模仿-跟进-赶上”的跨越,现在已经处在陆续“赶超”的路上。
在正极材料方面,国内企业不论是技术,还是规模都正在形成“后来居上”之势,未来发展前景可期;
在负极材料方面,国内企业具有全面领先的优势,行业地位已经形成,短期内难以被超越;
在电解液方面,由于专利和核心添加剂被外企把控,加之配方又受制于客户端,国内电解液厂家实际上已经沦为了代工厂;
在隔膜方面,国内企业技术进步缓慢,新的体系未获得突破,未能从本质上解决问题,行业需要搅局者。岳敏举例说,为了提高隔膜的热稳定性和对电解液的浸润性,国内企业一般都会在隔膜上涂上一层陶瓷或者有机物涂胶,最多的甚至会涂上5层,虽然涂层后性能会有所提升,但同时也占用了电池空间,增加了电池重量。
此外,电池辅助材料虽然很重要,但一直不被国内企业所重视,因此辅助材料长期被外企所垄断,也最容易被卡脖子。
现在很多国内的电池材料供应商已经开始起来,跟宁德时代一起成长起来的供应商有正极材料供应商当升科技和厦门钨业;负极材料供应商江西紫宸和凯金能源;电解液材料供应商天赐材料、新宙邦和江苏国泰;隔膜材料供应商上海恩捷和星源材质。
目前,日韩电池企业的主要供应商仍为日韩材料企业,虽然在品质方面较国内企业有一定的优势,但采购成本较高,随着国内材料供应商的生产技术不断优化,日韩企业也开始导入国内关键主材供应商。比如,松下在正极材料供应商上导入了厦门钨业;负极材料供应商导入了贝特瑞和江西紫宸等等。
图3显示了四大电池企业的主要材料的供应商。
图3:四大电池企业的主要材料供应商。(资料来源:互联网,公司官网)

关键材料技术如何突破

在岳敏看来,关键材料的技术突破应该主要还是要看应用场景,然后根据应用场景来决定如何突破技术瓶颈。比如说未来新能源汽车将会是主流趋势,都在说长续航里程的新能源汽车,但什么样的新能源汽车是消费者最实用的呢?
他认为如果作为城市代步车的话,其实没有必要追求500公里以上续航里程的新能源汽车,因为平常我们上班来回基本不会超过200公里,太长的续航里程只会增加成本而已。因此,岳敏觉得新能源汽车应该划分为国民车和高档车更为合适。
如果这样划分的话,动力电池就会有适用国民车的磷酸铁锂电池和适用高档车的三元锂电池。“基于这个判断,可以得出正极材料的主流方向,一个是磷酸铁锂,解决安全和成本问题,适合国民车;二是高镍正极,解决续航里程和成本问题,适合高档车。”岳敏表示。
而高镍正极材料的技术突破在于短程化,以解决成本问题,具体就是缩短从矿山到三元材料的过程;当然,也需要跨界创新解决安全问题,系统化解决,而不是单一途径去解决,因为单一途径不可能彻底解决问题;还有需要具有工匠精神,精心研究工艺和工程问题;最后要做到正极少钴,或者无钴,以进一步降低成本。
铁锂正极材料的技术突破方向则在于:一是,短程化,解决成本问题;二是,需要一体化技术;三是,高能量密度,极片密度需要2.8g/cc;四是,LFP补锂添加剂应用,这是铁锂电池能量密度达到200~220wh/Kg的关键。
在负极材料的技术突破方面,对于碳负极材料,需要提升天然石墨和人造石墨的性能,降低他们的价格;对Si系负极材料,需要彻底颠覆其工艺技术,从装备开始,就要兼顾循环再利用问题。最终通过跨界融合创新的办法,将SiOx和纳米硅做到4.0万/吨以内。
对于其他类型的负极材料,目前还不适用,或者还不能实现商业化。
在隔膜技术突破方面,由于隔膜的功能主要是导离子和隔电子。客户目前面临的痛点是安全系数不够高,限制了高能量密度设计。
其解决思路是从本质上解决,而不是被动解决。最好不用涂层就直接适用,而不是像现在这样需要涂多层涂层。
此外,电池辅助材料技术其实是一个被遗忘的核心关键,它决定了电池的整体性能。
总的来说,动力电池关键材料技术突破的思路有,材料功能化,流程短程化;系统化,集成化开发;跨界融合创新;简单化几种。
岳敏强调,技术突破没有捷径可走,只能靠持续的积累,厚积薄发。

动力电池的发展方向

就目前来说,锂离子电池是用于新能源汽车的不二之选,短期内,其他电池难以取代它而成为主流。全固态电池虽然感觉很好,但是目前还不适用。在他看来,350wh/Kg可能就是燃油车与新能源汽车PK的临界点。
对于燃料电池,岳敏感叹说,“估计我这辈子都难以看到燃料电池真正商业化了,它听起来是个好东西,但是转化效率、资源和安全性等一系列问题需要解决,而且每个问题解决起来都很棘手。”
最后,他总结说,从铅酸电池,碱性电池发展这么久了都还没有被替代,就可以看出,锂离子电池起码还有30年的发展期,“我们不排斥新技术,新事物,但还是要现实一点,锂离子电池发展几十年了,已经有一定的基础,有积淀,还是要沉下去,聚焦锂电,这样对推动新能源的发展更具现实意义。”
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