續(xù)航里程已經(jīng)成為新能源汽車消費(fèi)者購(gòu)買時(shí)關(guān)注的一大焦點(diǎn)，續(xù)航里程的長(zhǎng)短不但決定著新能源汽車價(jià)格高低，同時(shí)在很大程度上也左右了消費(fèi)者的購(gòu)買意愿。而電池的能量密度提升在大幅增加新能源汽車?yán)m(xù)航里程的過(guò)程中發(fā)揮了關(guān)鍵的作用。

2017年3月1日，工信部、發(fā)改委、科技部和財(cái)政部四部委聯(lián)合印發(fā)了《促進(jìn)汽車動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)方案》(下文簡(jiǎn)稱《行動(dòng)方案》)，產(chǎn)品性能上提出2020年動(dòng)力電池系統(tǒng)比能量達(dá)到260Wh/kg、成本降至1元/Wh以下,2025年動(dòng)力電池單體比能量達(dá)500Wh/kg的目標(biāo)。

據(jù)業(yè)內(nèi)人士介紹，目前動(dòng)力電池單體比能量約為150Wh/kg，系統(tǒng)比能量約為100Wh/kg，要實(shí)現(xiàn)260Wh/kg的目標(biāo)具有一定的挑戰(zhàn)性。政策此舉何意？從關(guān)鍵材料層面分析，有哪些可以改進(jìn)的措施呢？

三元材料的“進(jìn)擊”

             根據(jù)正極材料的不同，動(dòng)力鋰電池一般分為磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池和錳酸鋰電池等。不同種類的動(dòng)力鋰電池的性能不盡相同。磷酸鐵鋰電池安全耐用，國(guó)內(nèi)許多電池廠商選擇走這一路線。而三元鋰電池具有較高的比能量，能更好地迎合市場(chǎng)對(duì)于續(xù)航里程的需求。目前，磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池的市場(chǎng)占有率分別是70%與25%。

三種動(dòng)力用正極材料性能對(duì)比

 

 

從市場(chǎng)表現(xiàn)上看，三元材料、銅箔等材料產(chǎn)銷節(jié)節(jié)升高。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，去年五月至今，三元材料擴(kuò)產(chǎn)項(xiàng)目達(dá)到19個(gè)。三元材料主要由鎳、鈷、錳、鋁等金屬材料組成。受剛果下調(diào)鈷礦產(chǎn)量和出口量等原因影響，鈷產(chǎn)品供給收縮，鈷酸鋰價(jià)格不斷上漲。有數(shù)據(jù)顯示，鈷酸鋰成本自去年9月份上漲了21.2萬(wàn)/噸。三元原材料供不應(yīng)求，缺口巨大，價(jià)格呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢(shì)。

近期鈷MB 報(bào)價(jià)走勢(shì)

國(guó)內(nèi)三元?jiǎng)恿﹄姵剽捫枨罅款A(yù)測(cè)(噸)

為鋰電池組成部件之一的鋰電銅箔亦供不應(yīng)求，迎來(lái)了漲價(jià)潮。國(guó)內(nèi)銅箔產(chǎn)品產(chǎn)量相對(duì)較低，一般不能完全滿足鋰電池廠商的需求，需要從國(guó)外進(jìn)口部分產(chǎn)品，同時(shí)國(guó)內(nèi)也缺乏中高端銅箔，比如高強(qiáng)度高韌性、能提高能量密度的超薄銅箔。券商預(yù)計(jì)2017年底之前仍將處于供給緊張狀態(tài)。

從三元等材料的供不應(yīng)求，不難看出市場(chǎng)對(duì)高能量密度材料的急切需求。

三元?jiǎng)恿﹄姵匦枨蠹罢急阮A(yù)測(cè)(單位：GWh)

 

     而從政策方面看，步入2017年，工信部發(fā)布的首批《新能源汽車推廣應(yīng)用推薦車型目錄》上出現(xiàn)5款搭載三元鋰電池的新能源客車，意味著去年的“三元鋰客車禁令”已解除。結(jié)合《行動(dòng)方案》和2016中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)上發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》，不難看出國(guó)家正在大力引導(dǎo)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。多位業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，為了進(jìn)一步推廣新能源汽車，政策將嚴(yán)抓對(duì)動(dòng)力電池能量密度的要求。

     一位不愿具名的電池業(yè)內(nèi)人士告訴新材料在線，動(dòng)力電池高能量密度化將是新能源汽車發(fā)展的方向之一。“同等條件下對(duì)比，鋰電池的能量密度差汽油太多，新能源汽車的發(fā)展任重而道遠(yuǎn)。”

國(guó)軒高科總裁方建華曾表示：“伴隨著電池技術(shù)發(fā)展，也需要國(guó)內(nèi)向能量密度更高的鋰電池過(guò)渡。”

解開能量密度困局

     《行動(dòng)方案》要求動(dòng)力電池關(guān)鍵材料及零部件取得重大突破。到2020年，正負(fù)極、隔膜、電解液等關(guān)鍵材料及零部件達(dá)到國(guó)際一流水平，上游產(chǎn)業(yè)鏈實(shí)現(xiàn)均衡協(xié)調(diào)發(fā)展，形成具有核心競(jìng)爭(zhēng)力的創(chuàng)新型骨干企業(yè)。

       該方案對(duì)于電池比能量的要求勢(shì)必會(huì)引發(fā)新一輪高能量密度材料熱潮。遠(yuǎn)東福斯特新能源有限公司總經(jīng)理蔡棟曾在接受采訪時(shí)表示，在電池包的成本構(gòu)成中，上游原材料占近70%的份額，部分原材料漲價(jià)讓電池廠商束手無(wú)策。鋰業(yè)分析師墨柯認(rèn)為，在動(dòng)力電池中成本占比約30%的三元材料逆市漲價(jià)，將給動(dòng)力電池和汽車廠商帶來(lái)不小的成本壓力。

        三元材料的擴(kuò)產(chǎn)是為了響應(yīng)政策和市場(chǎng)對(duì)于高能量密度電池的需求。那如果要達(dá)到《行動(dòng)方案》上列出的目標(biāo)，四大關(guān)鍵材料該做出怎樣的改進(jìn)呢?

        “正極材料的話，一般會(huì)采用一些高能量密度的材料，比如高鎳三元材料NCM811和NCA;負(fù)極則是硅碳材料;電解液方面，高電壓電解液是提升鋰電池能量密度的關(guān)鍵;隔膜的話，陶瓷涂覆隔膜技術(shù)或許也會(huì)有所助益。”寧波杉杉新材料科技有限公司技術(shù)部副部長(zhǎng)顧凱在接受新材料在線采訪時(shí)表示。

中國(guó)電子科技集團(tuán)第18研究所電池檢測(cè)中心主任肖成偉在“鋰產(chǎn)業(yè)-新生態(tài)”國(guó)際高峰論壇中表示，正極材料有層狀結(jié)構(gòu)、尖晶石結(jié)構(gòu)和橄欖石型結(jié)構(gòu)，其中高密度的三元材料現(xiàn)在是研發(fā)產(chǎn)業(yè)化的熱點(diǎn)。而負(fù)極材料方面有碳材料、金屬氧化物材料、合金材料，其中在合金類的材料里面的硅碳負(fù)極材料是研發(fā)的熱點(diǎn)。

        據(jù)悉，比亞迪、CATL、國(guó)軒高科和天津力神等國(guó)內(nèi)一線梯隊(duì)的電池廠商都在加緊提高電池能量密度，主要也是通過(guò)改進(jìn)正、負(fù)極等材料的性能來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中，比亞迪將在正極采用高鎳三元材料、負(fù)極采用氧化亞硅或納米硅，目標(biāo)是2018年電池比能量達(dá)到240Wh/kg，2020年達(dá)到300Wh/kg。CATL則將采用硅碳材料作為負(fù)極，“十三五”期間希望實(shí)現(xiàn)350Wh/kg的目標(biāo)。

“這些其實(shí)都是走的先進(jìn)技術(shù)路線。如果再大膽創(chuàng)新點(diǎn)，可以嘗試石墨烯等前沿技術(shù)。當(dāng)然，石墨烯目前只用做添加劑和導(dǎo)電劑，對(duì)降低電池內(nèi)阻、提升電池倍率充放電性能和循環(huán)壽命等有一定幫助。”顧凱補(bǔ)充道，“電池能量密度的提高不僅僅是材料改進(jìn)的問題，還要考慮電池系統(tǒng)集成技術(shù)等，是個(gè)復(fù)雜的問題。而且僅僅提高能量密度不一定能用在電動(dòng)汽車上，還要兼顧電池壽命和安全性等。”

前沿科技值得期待

回顧過(guò)去，思尋當(dāng)前，除了對(duì)現(xiàn)有的材料性能進(jìn)行改善，有沒有發(fā)現(xiàn)哪些材料將有助于電池領(lǐng)域的革新呢?

      中國(guó)工程院陳立泉院士曾經(jīng)公開表示：“下一代鋰電池應(yīng)是全固態(tài)鋰電池，如果現(xiàn)在還不布局全固態(tài)鋰電池，將會(huì)錯(cuò)失發(fā)展時(shí)機(jī)。”美國(guó)初創(chuàng)公司Sakti3就憑借固態(tài)電池技術(shù)獲得了包括通用等巨頭在內(nèi)的多家公司的投資。近日，寶馬亦宣布將研究開發(fā)固態(tài)電池技術(shù)。從技術(shù)角度看，這種電池使用的是固態(tài)電解質(zhì)。固態(tài)電解質(zhì)具有高安全和極好的高溫穩(wěn)定性，可匹配高電壓材料，有助于提高電池能量密度。

       石墨烯是目前最硬、最薄、導(dǎo)熱導(dǎo)電性能優(yōu)異的材料，被稱為“黑金”和“萬(wàn)能材料”。在鋰電池上，如果將石墨烯和炭黑混合后作為導(dǎo)電添加劑加入，可以有效降低電池內(nèi)阻，提升電池倍率充放電性能和循環(huán)壽命。據(jù)悉，三星研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)在電池的硅表面覆蓋石墨烯制作一種新的“硅陰極材料”，把電池的能量密度提到高現(xiàn)有電池的2倍。華為也攜手曼徹斯特大學(xué)的國(guó)家石墨烯研究院，期望能早日實(shí)現(xiàn)石墨烯電池的商業(yè)化。

      而因?yàn)槎髦榇鬅岬拟佀徜嚥牧弦仓档藐P(guān)注。它可以替代石墨作為負(fù)極材料。雖然能量密度不高，但鈦酸鋰可以讓電池實(shí)現(xiàn)高倍率充放電，且安全性能優(yōu)異，循環(huán)壽命長(zhǎng)。據(jù)悉，銀隆現(xiàn)在所研發(fā)的第四代高能量密度鈦酸鋰電池，與第三代相比成本下降40%，能量密度提高60%。業(yè)界樂觀預(yù)計(jì)，未來(lái)鈦酸鋰電池可能將與三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池形成三足鼎立的局面。

業(yè)內(nèi)人士表示，還有很多可應(yīng)用于電池領(lǐng)域的材料，比如碳納米管等。但這些技術(shù)大多尚處在實(shí)驗(yàn)室階段，需要經(jīng)過(guò)不斷的萃取和檢驗(yàn)，邁過(guò)商用門檻，才能踏入市場(chǎng)大門。