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基于正極的鋰離子電池技術發展路線 李明
2016-04-25 17:57:10   來源:    點擊:

 
        鋰離子電池主要由電解液、隔膜、正負極材料等構成,其中正極材料占據鋰離子電池總成本40%以上的比例,并且其性能直接影響到鋰離子電池的各項性能指標,因而正極材料在鋰離子電池中處于核心地位。
目前已經市場化的鋰離子正極材料主要包括鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料等產品。
       
        一、各種正極材料性能不同,應用領域也有所差異。
       
        圖表:主要正極材料性能各有優劣
        正極材料 鈷酸鋰 三元材料 錳酸鋰 磷酸鐵鋰
        材料成本 很低
        加工性能 最好 較好 最差
        壓實密度(g/cm3) 3.7-4.3 3.5-3.7 2.8-3.1 2.1-2.4
        比容量(mAh/g) 145 155 110 130
        放電電壓(V) 2.7-4.3 2.7-4.3 2.7-4.3 2.5-3.8
        放電倍率比(1C/0.2C) 0.95 0.9 0.95 0.9
        150次循環容量保持率 >90% >90% >80% >80%
        首次不可逆損失 5% 10% 5% 15%
        高溫性能
        安全性
        應用領域 小電池 小電池(主)
        /小型動力電池 動力電池(主)
        /小電池 動力電池
       /超大容量電池
        資料來源:中國電池網
       
        就應用領域而言,鈷酸鋰是小型鋰電領域正極材料的主力;三元材料和錳酸鋰在日本與韓國作為動力電池的技術較為成熟;而磷酸鐵鋰在國內動力電池領域應用較為廣泛,并逐漸延伸到儲能領域。
 
         二、鈷酸鋰正逐漸被三元材料替代。
     
        鈷酸鋰具有放電電壓高、充放電電壓平穩、比能量高等優點,在小型消費品電池領域中處于主流地位,然而隨著新能源汽車的崛起,基于安全問題和高昂的價格,鈷酸鋰正極材料始終未能完全進入動力電池領域。雖然Tesla旗下首款車型Roadster推出時使用的是18650鈷酸鋰電池,但其第二款量產車型Model S使用的是松下定制的鎳鈷鋁三元正極材料電池。Model S使用的電池數量比Roadster高出一千多節,但是成本卻下降了30%,這正是得益于三元材料較好的成本控制。
    目前鈷酸鋰存在被三元材料替代趨勢。全球鈷酸鋰材料產量2011年3.9萬噸,2012年4.3萬噸,增速10.26%,遠低于三元材料82.22%的增速及錳酸鋰材料141.43%的增速。預計到2015年三元材料在正極材料中的占比將上升至35%,錳酸鋰占比將上升至30%,而鈷酸鋰將下降至25%。
圖表2:鈷酸鋰在正極材料中的占比不斷下降。
        資料來源:賽迪顧問
 
        三、磷酸鐵鋰在儲能電池領域開始嶄露頭角。
       
       磷酸鐵鋰電池由于具有安全性好、成本低等優勢,未來有希望在儲能領域得到大規模商業應用。目前國內已發展較為成熟的磷酸鐵鋰儲能系統,2011年12月比亞迪為“國家風光儲輸示范工程”提供的磷酸鐵鋰儲能系統,已實現滿功率并網運行,運行情況良好。
        但與全球技術水平對比來看,我國磷酸鐵鋰材料產業化的發展低于國外發達國家的水平,技術工藝明顯落后,材料生產和應用等方面的連續性和穩定性都不足,能量密度也始終無法提高,因此仍存在較大的技術提升空間。

        四、全固態鋰離子電池可能是未來動力電池發展方向。
                  
        全固態鋰離子電池使用固體電解質,能量密度可輕松達到300Wh/kg。目前豐田已經試制出了2Ah的全固態鋰離子電池產品,計劃2020年之前將全固態鋰離子電池技術投入商業化應用。通用汽車參與投資的美國Sakti3也已掌握了相關技術,現階段正在設計開發以最小的設備投資實現最大生產效率的全固態鋰離子電池生產線。韓國三星SDI也規劃出了動力電池技術路線圖,將全固態鋰離子電池列為近五年的發展目標。
        從能量密度上講,理論能量密度最高的三個體系是鋰硫、鋰空和鋰金屬,這幾類電池在質量能量密度上很容易超過500Wh/kg,因而固態鋰硫、鋰空、鋰金屬電池可能會成為鋰離子電池的終極發展方向,不過這當中需要克服各種技術難關,非短期內可以見效。
 
        五、我國正極材料技術仍存在諸多瓶頸,市場份額開始下滑。
       
       從全球鋰電池正極材料的發展來看,我國目前的技術水平還不是很先進,在很多方面仍存在技術瓶頸。
 
        圖表:我國正極材料技術瓶頸
        正極材料 技術瓶頸      
        鈷酸鋰 在高壓實鈷酸鋰和高電壓鈷酸鋰技術開發和產業化還存在較大的差距,在其核心環節的氧化鈷技術上還待突破。
        三元材料 在高性能動力鋰電用NCM三元材料上和國際市場還存在較大的差距,在NCM三元材料的穩定性控制上存在設備和技術上的雙重障礙,尤其是在NCM三元材料前驅體領域和國際還存在較大的差距。NCA三元材料的開發明顯落后,國外已在大量使用,中國企業尚無產品出現。
        錳酸鋰 在高性能動力鋰電用錳酸鋰還存在較大的差距:主要是在錳酸鋰的球形化技術、雜質控制、以及循環壽命性能上存在差距。
        磷酸鐵鋰 主要使用在動力鋰電和儲能鋰電領域:在比容量、倍率以及加工新能上和國際市場還存在差距。
        其他新型正極材料
        新型正極材料的研究熱點主要是富鋰錳基、磷酸鹽系、反尖晶室等新型材料的開發,中國在產業化的研究方面進展緩慢,此外由于日本、美國企業比較注重專利手段應用,在專利布局方面和其他國家存在較大的差距。
        資料來源:中國電池網
   
       數據顯示,在正極材料、負極材料和電解液材料領域,我國企業的市場份額在2013年達到頂點之后開始下滑,隔膜材料最晚實現國產化,目前雖處在上升過程中,但下滑也將無法避免。
     
      市場份額快速下滑的原因大致有兩類:一是在消費類電子產品市場,韓國巨頭的采購策略發生了變化,從早先采購中國企業正極材料轉向自己生產正極材料,以求進一步降低電池制造成本;二是在更高端的動力電池正極材料市場,日本企業的轉型升級做得比較成功,同時韓國企業也發展得很快。2014年日本企業34320噸的總出貨量中初步估算有超過2/3屬于鎳鈷鋁酸鋰(NCA)、錳酸鋰(LMO)和鎳鈷錳酸鋰(NCM)等高端產品。
       
       我國企業的正極材料產品大部分還是用于消費類小電池制造的鈷酸鋰(LCO)材料,在動力電池中也是以磷酸鐵鋰為主。盡管比亞迪也具備生產磷酸鐵鋰材料(LFP)的能力,但為了保證動力電池品質,主要采用加拿大Phostech的磷酸鐵鋰材料,自制的以及向國內材料企業采購的量不多。
       
       阻止我國正極材料產業滑坡的唯一辦法就是大力推進產業結構升級調整,提升技術水平和制造能力,順應鋰離子電池動力化的發展趨勢,不然在與日韓企業動力電池競爭中,必將處于劣勢,最終受制于人。

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