鉅大LARGE | 點擊量：872次 | 2021年05月24日
國內鋰電巨頭打響電池能量密度“攻堅戰”
續航里程已經成為新能源汽車消費者購買時關注的一大焦點，續航里程的長短不但決定著新能源汽車價格高低，同時在很大程度上也左右了消費者的購買意愿。而電池的能量密度提升在大幅新增新能源汽車續航里程的過程中發揮了關鍵的用途。
2017年三月一日，工信部、發改委、科技部和財政部四部委聯合印發了《促進汽車動力鋰電池產業發展行動方法》(下文簡稱《行動方法》)，產品性能上提出2020年動力鋰電池系統比能量達到260Wh/kg、成本降至1元/Wh以下,2025年動力鋰電池單體比能量達500Wh/kg的目標。
據業內人士介紹，目前動力鋰電池單體比能量約為150Wh/kg，系統比能量約為100Wh/kg，要實現260Wh/kg的目標具有一定的挑戰性。政策此舉何意？從關鍵材料層面分析，有什么可以改進的措施呢？
三元材料的進擊
根據正極材料的不同，動力鋰離子電池一般分為磷酸鐵鋰離子電池、三元鋰離子電池和錳酸鋰離子電池等。不同種類的動力鋰離子電池的性能不盡相同。磷酸鐵鋰離子電池安全耐用，國內許多電池廠商選擇走這一路線。而三元鋰離子電池具有較高的比能量，能更好地迎合市場關于續航里程的需求。目前，磷酸鐵鋰離子電池和三元鋰離子電池的市場占有率分別是70%與25%。從市場表現上看，三元材料、銅箔等材料產銷節節升高。據不完全統計，去年五月至今，三元材料擴產項目達到19個。三元材料重要由鎳、鈷、錳、鋁等金屬材料組成。受剛果下調鈷礦產量和出口量等原因影響，鈷產品供給收縮，鈷酸鋰價格不斷上漲。有數據顯示，鈷酸鋰成本自去年九月份上漲了21.2萬/噸。三元原材料供不應求，缺口巨大，價格呈現持續上升趨勢。作為鋰離子電池組成部件之一的鋰電銅箔亦供不應求，迎來了漲價潮。國內銅箔產品產量相對較低，一般不能完全滿足鋰離子電池廠商的需求，要從國外進口部分產品，同時國內也缺乏中高端銅箔，比如高強度高韌性、能提高能量密度的超薄銅箔。券商預計2017年底之前仍將處于供給緊張狀態。
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充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
從三元等材料的供不應求，不難看出市場對高能量密度材料的急切需求而從政策方面看，步入2017年，工信部公布的首批《新能源汽車推廣應用推薦車型目錄》上出現5款搭載三元鋰離子電池的新能源客車，意味著去年的三元鋰客車禁令已解除。結合《行動方法》和2016我國汽車工程學會年會上公布的《節能與新能源汽車技術路線圖》，不難看出國家正在大力引導動力鋰電池產業的發展。多位業內人士認為，為了進一步推廣新能源汽車，政策將嚴抓對動力鋰電池能量密度的要求。
一位不愿具名的電池業內人士告訴新材料在線，動力鋰電池高能量密度化將是新能源汽車發展的方向之一。同等條件下比較，鋰離子電池的能量密度差汽油太多，新能源汽車的發展任重而道遠。
國軒高科總裁方建華曾表示：伴隨著電池技術發展，也要國內向能量密度更高的鋰離子電池過渡。
解開能量密度困局
《行動方法》要求動力鋰電池關鍵材料及零部件取得重大突破。到2020年，正負極、隔膜、電解液等關鍵材料及零部件達到國際一流水平，上游產業鏈實現均衡協調發展，形成具有核心競爭力的創新型骨干公司。
該方法關于電池比能量的要求勢必會引發新一輪高能量密度材料熱潮。遠東福斯特新能源有限公司總經理蔡棟曾在接受采訪時表示，在電池包的成本構成中，上游原材料占近70%的份額，部分原材料漲價讓電池廠商束手無策。鋰業分析師墨柯認為，在動力鋰電池中成本占比約30%的三元材料逆市漲價，將給動力鋰電池和汽車廠商帶來不小的成本壓力。
三元材料的擴產是為了響應政策和市場關于高能量密度電池的需求。那假如要達到《行動方法》上列出的目標，四大關鍵材料該做出怎么樣的改進呢?
正極材料的話，一般會采用一些高能量密度的材料，比如高鎳三元材料NCM811和NCA;負極則是硅碳材料;電解液方面，高電壓電解液是提升鋰離子電池能量密度的關鍵;隔膜的話，陶瓷涂覆隔膜技術或許也會有所助益。寧波杉杉新材料科技有限公司技術部副部長顧凱在接受新材料在線采訪時表示。
我國電子科技集團第18研究所電池檢測中心主任肖成偉在鋰產業-新生態國際高峰論壇中表示，正極材料有層狀結構、尖晶石結構和橄欖石型結構，其中高密度的三元材料現在是研發產業化的熱點。而負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極材料是研發的熱點。
據悉，比亞迪、CATL、國軒高科和天津力神等國內一線梯隊的電池廠商都在加緊提高電池能量密度，重要也是通過改進正、負極等材料的性能來實現。其中，比亞迪將在正極采用高鎳三元材料、負極采用氧化亞硅或納米硅，目標是2018年電池比能量達到240Wh/kg，2020年達到300Wh/kg。CATL則將采用硅碳材料作為負極，十三五期間希望實現350Wh/kg的目標。
這些其實都是走的先進技術路線。假如再大膽創新點，可以嘗試石墨烯等前沿技術。當然，石墨烯目前只用做添加劑和導電劑，對降低電池內阻、提升電池倍率充放電性能和循環壽命等有一定幫助。顧凱補充道，電池能量密度的提高不僅僅是材料改進的問題，還要考慮電池系統集成技術等，是個復雜的問題。而且僅僅提高能量密度不一定能用在電動汽車上，還要兼顧電池壽命和安全性等。
前沿科技值得期待
回顧過去，思尋當前，除了對現有的材料性能進行改善，有沒有發現什么材料將有助于電池領域的革新呢?
我國工程院陳立泉院士曾經公開表示：下一代鋰離子電池應是全固態鋰離子電池，假如現在還不布局全固態鋰離子電池，將會錯失發展時機。美國初創公司Sakti3就憑借固態電池技術獲得了包括通用等巨頭在內的多家公司的投資。近日，寶馬亦宣布將研究開發固態電池技術。從技術角度看，這種電池使用的是固態電解質。固態電解質具有高安全和極好的高溫穩定性，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、導熱導電性能優異的材料，被稱為黑金和萬能材料。在鋰離子電池上，假如將石墨烯和炭黑混合后作為導電添加劑加入，可以有效降低電池內阻，提升電池倍率充放電性能和循環壽命。據悉，三星研究團隊通過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有電池的2倍。華為也攜手曼徹斯特大學的國家石墨烯研究院，期望能早日實現石墨烯電池的商業化。
而因為董明珠大熱的鈦酸鋰材料也值得關注。它可以替代石墨作為負極材料。雖然能量密度不高，但鈦酸鋰可以讓電池實現高倍率充放電，且安全性能優異，循環壽命長。據悉，銀隆現在所研發的第四代高能量密度鈦酸鋰離子電池，與第三代相比成本下降40%，能量密度提高60%。業界樂觀預計，未來鈦酸鋰離子電池可能將與三元鋰離子電池和磷酸鐵鋰離子電池形成三足鼎立的局面。
業內人士表示，還有很多可應用于電池領域的材料，比如碳納米管等。但這些技術大多尚處在實驗室階段，要經過不斷的萃取和檢驗，邁過商用門檻，才能踏入市場大門。
在電動汽車領域，如何通過持續提升動力鋰電池的能量密度來提高單次充電續航里程，已經成為產業界和學術界所共同面對的問題和挑戰之一。
在去年底公布的新能源汽車補貼政策中，系統能量密度就被納為重要的考核指標，關于車企和動力鋰電池公司而言，要想拿到最大系數的補貼，就必然要在保障安全的同時，盡可能的提升動力鋰電池能量密度。
三月一日，工信部公布了2017年第二批《新能源汽車推廣應用推薦車型目錄》。與第一批車型目錄配套電池的電池系統能量密度相比，第二批推薦車型所搭載的動力鋰電池的電池系統能量密度得到了顯著提升。
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