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硅碳来了,动力电池能量密度挖掘空间还有!

日期:2022-04-21    来源:储能头条

国际储能网

2022
04/21
09:19
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关键词: 三元电池 动力电池能量密度 锂电行业

目前我国动力电池依旧是锂电池为主,然而忽高忽低的材料价格让锂电企业不堪其扰,如何向原材料要效益,提升能量密度和续航能力,成为电池企业和技术专家们努力的方向。

近期德勤发布《中国锂电行业发展 德勤观察2.0“电池风云”》报告阐明了目前电池技术的风向标。正极材料高镍去钴、磷酸锰铁锂和富锂锰基成为技术革新的三大风向,硅基负极材料大概率成为技术革新的密码。

正极:有三个方向

1)高镍去钴

之所以要去钴,首先是因为钴是稀缺资源,价格昂贵,且供应情况不稳定,减少钴含量有利于控制三元电池的材料成本。另一个因素是,钴在三元电池中的起到的是稳定结构的作用,并不参与电化学反应,降低钴占比,提升镍占比可提升电池的能量密度。

国内最先推出无钴电池的是蜂巢能源。2021年8月,蜂巢能源研发的无钴电池率先实现量产装机吸引了业界广泛关注,同时其技术路线也引发了争议。

因为在业内看来,蜂巢能源无钴电池的正极材料为镍锰酸锂,并不是真正的三元去钴,而是直接采用了一类本来就不含钴的二元材料。另外一个争议焦点是真正意义的三元去钴后能量密度应该有所提升,而蜂巢能源的无钴电池能量密度240Wh/kg还不够理想。

为了降低成本和提升能量密度,全球电池供应商和车企在电池产品研发中都在尽力降钴和突破钴在三元材料中的最低含量界限。这一过程显然并未完成,而且三元电池真正去钴后的安全性、电解液匹配等技术难题也还有待突破。

2)磷酸锰铁锂

磷酸锰铁锂并非完全是新技术,随着磷酸铁锂因其安全性和经济性日益受重视,被视为升级版磷酸铁锂的磷酸锰铁锂重新受到热议。

磷酸锰铁锂的技术替代优势表现在,它以对磷酸铁锂电池和三元电池都有益。在替代磷酸铁锂方面,磷酸锰铁锂能量密度比磷酸铁锂提高15%-20%,而价格只高5%-6%,在性价比上有替代磷酸铁锂的机会。在组合三元复合物方面,磷酸锰铁锂包覆三元材料配合使用,兼具低成本、高安全性及高能量密度的优势,可以成为下游整车成本控制的解决方案之一。

在这方面国内主要玩家有以下四家:

力泰锂能:公司拥有2000 吨磷酸锰铁锂生产线。2021 年 9 月至 2022 年 3月,计划新增建设年产 3000 吨磷酸锰铁锂设备。目前来看,两轮车电池对磷酸锰铁锂电池的采购量已经很大,四轮车预计2022年下半年大规模上量。

天能股份:集团旗下天能锂电2021年推出衡科技系列电池产品,采用其自主研发的磷酸锰铁锂体系电芯材料。

德方纳米:2021年公司公告称拟在曲靖经济技术开发区建设“年产10万吨新型磷酸盐系正极材料生产基地项目”。新型磷酸锰铁锂已开始送样,预计1-2年后可实现产业化。

宁德时代:2017年申请磷酸锰铁锂和石墨烯复合正极材料及其制备方法的专利,拥有磷酸锰铁锂技术储备。但无下一步动作

3)富锂锰基

富锂锰基因其高电压和高放电比容量的先天优势,已显现出了将现阶段锂电池能量密度“天花板”提升到400Wh/kg的曙光。2021年由中国汽车工业协会牵头发布的项目成果中发现富锂锰基电池对比三元锂电池的成本可降低30%,展现其利用前景。

富锂锰基产业化应用仍处于较初期阶段,目前,富锂锰基正极材料的产业化应用主要受其待解决材料劣势制约:首先是能量衰减严重,富锂锰基正极材料循环过程中晶粒表面化学反应和内部扩散的共同作用导致电压严重衰减,影响电池寿命。其次是首次库伦效率低,富锂锰基正极材料在首次放电过程中造成较高不可逆的容量损失,影响电池的容量和循环性能。

目前国内主要玩家主要是宁波富理公司,它率先开展富锂锰基正极材料产业化。宁波富理电池材料科技有限公司是中科院宁波材料所动力锂电池工程实验室技术团队在2016成立的初创公司。重点开发富锂锰基正极材料和硅碳复合负极材料。目前已建成富锂锰基正极材料中试生产线,是全球唯一能批量供应高容量富锂锰基正极材料的企业。

另外当升科技、江特电机、容百科技、桑顿新能源等也有研发布局。

富锂锰基正极材料的特性具备一定颠覆性,被视为下一代电池的突破口,但其产业化道路目前仍受掣肘。

负极材料升级方向——硅基负极材料

人造石墨和天然石墨是当下最广泛应用的锂电池负极材料,其中人造石墨在循环性能、安全性能、充放电倍率等性能表现上均优于天然石墨,且成本与克容量均与天然石墨接近,使其成为目前锂电负极材料的主流选择。

目前市场上的高端石墨材料已经可以达到360~365 mAh/g的容量,相应地锂电池能量密度的提升也相当有限,而理论容量更高的硅基负极材料被认为是极具潜力的下一代高能量密度锂离子电池负极材料。在技术路线选择上,硅基负极材料主要分为两种:

1)氧化亚硅负极材料

日韩企业在这一路线上起步较早,处于领先地位,已经推出了多种较为成熟的SiOx产品。国内厂家近年来也开始尝试将SiOx负极材料推向市场,但是相比于日韩厂家仍然有一定的差距。

2)硅碳复合负极材料

国外部分企业已经实现了硅碳负极材料的量产。日立化成是全球最大的硅碳负极供应商,特斯拉使用的硅碳就由其供应。而大部分国内企业硅碳负极的产业化应用都在推进中,动作相对较慢。

硅基负极材料虽在容量上与石墨材料相比具备绝对优势,但因硅材料本身膨胀大,导电性能差等特点,要实现大规模应用还有技术问题待解决。因研发和应用皆存在技术壁垒,国内尚未实现大规模量产。但也有四家在耕耘中。

贝特瑞:于 2013 年实现硅基负极材料的产业化并批量销售,是国内最早量产硅基负极材料的企业之一。2022年,公司公告拟在深圳市光明区投资建设年产 4 万吨硅基负极材料项目。

杉杉股份:硅碳负极材料已建成一条中试产线,开始逐步放量,但目前出货占比不高。高容量硅合金负极材料已产业化并已对宁德时代供货。

国轩高科:2016年投建5000吨硅基负极材料项目。2021年1月,210Wh/kg软包磷酸铁锂电芯正式发布,并宣布首次在磷酸铁锂化学体系中成功应用硅负极材料。

璞泰来:与中科院物理所合作建立中试车间,第二代硅基产品已具已具备产业化的基本条件;在溧阳还建立了氧化亚硅中试线。璞泰来全资子公司紫宸科技研发的硅碳负极材料系列可用于3C数码电池、储能电池、动力电池等。

原文如下:

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