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多重因素作用下,新型动力电池技术崭露头角

作者:赵玲玲 来源:中国汽车报 发布时间:2021-11-26 浏览:

中国储能网讯:今年以来,伴随新能源整车市场的高歌猛进,动力电池行业好不“热闹”。在市场和需求的驱动下,在原材料涨价和竞争加剧的大潮中,得益于新材料和新工艺的发展,越来越多的新型电池技术走到台前。它们中有些即将量产,有些前景可期。这些变化赋予了新能源汽车及动力电池行业更多生机与活力,但同时也意味着市场存在一定的变数。面对这种局面,如何做出决策、如何开展布局,将是对企业的一项大考。

近日,工信部发布的最新一批《新能源汽车推广应用推荐车型目录》显示,广汽新能源推出了一款新车型AIONLXPLUS。据悉,该款车凭借续驶里程超过1000km,百公里耗电量只有15.8kWh,成为业界关注的焦点。此前,广汽新能源方面就曾对这一新车型进行推介称,其超长续驶里程主要得益于海绵硅负极片电池技术。

近一两年来,动力电池在续驶、安全、快充等性能上的“内卷”不断加剧,能够实现更优特性的技术五花八门。在新能源汽车市场规模和渗透率不断提升的驱动下,动力电池技术创新研发的步伐正在加快,为产业格局的重塑带来一股新变量。

硅负极电池

据了解,广汽埃安AION LXPLUS配装新型镍钴锰三元锂电池,系统能量密度达到205Wh/kg。与普通镍钴锰三元锂电池不同的是,新型电池的负极加入了像海绵一样柔软的硅片。这种设计使硅在充放电过程中的膨胀和收缩被限制和缓冲不会碎裂,同时也像海绵吸水一样,让硅负极发挥大容量的优势,储存更多能量,其核心优势在于大幅降低了电池的质量和体积。

广汽新能源官方资料显示,通过这项自主研发的“海绵硅负极片电池技术”,在同等电量情况下,动力电池单体电芯可实现体积减小20%、重量减轻14%。这款新型电池目前的电芯能量密度可达280Wh/kg,未来通过技术迭代,这个数值有望提升至315Wh/kg。

现阶段,我国动力电池的负极材料主要以人造石墨为主,但其克容量已接近理论数值,难以进一步提升,因此开发锂电池的新型负极材料及技术成为研发重点。

商业化的硅材料负极一般为硅碳复合体系,随着相关技术逐渐成熟,其产业化应用逐步推进。来自鑫椤资讯的统计数据显示,2020年,我国硅碳负极材料出货量为0.9万吨,占比约为2%。

一向被称为新能源汽车行业风向标的特斯拉,几年前就将目光转向了硅负极技术。从ModelS、ModelX开始,特斯拉就在动力电池的石墨负极中掺入硅材料。Model3上使用的21700电池中,硅的比例再次得到提升,能量密度较上一代18650电池提升约20%。值得关注的是,特斯拉方面还表示,最新的4680电池将导入硅负极替代原来的碳基材料。另据获悉,特斯拉近期收购了美国电池初创公司SiILion,后者拥有“包含硅颗粒的大型电池负极”专利,目前已转移到特斯拉名下。

国内造车新势力在动力电池新技术应用上也不甘落后。今年1月,蔚来汽车方面表示,将在2022年交付150kWh电池包,正极使用纳米包覆超高镍材料,负极使用预锂化硅碳负极,同时使用半固态电解质,单体能量密度可达350Wh/kg。今年4月上市的智己L7,其118kWh高配版动力电池采用与宁德时代合作的“掺硅补锂”技术,官方称其电芯最高能量密度可达300Wh/kg,具有20万公里零衰减和“永不自燃”的特性。

国际上,松下、三星SDI的圆柱电池此前已导入硅碳负极。此外,丰田、三菱、日立化成等也是主要的硅基负极材料技术专利申请企业。

在国内,主流动力电池供应商早已看到硅负极电池的发展潜力,比亚迪、宁德时代、国轩高科、贝特瑞、杉杉股份、力神、比克、万向等都展开了相关布局。比如,今年年初,国轩高科首次推出能量密度达210Wh/kg的磷酸铁锂电池新品。该公司表示,这一性能的提高,离不开关键的“高克容量硅负极材料和先进的预锂化技术”。

据介绍,硅碳负极材料因其比容量大,能大幅提高锂电池的能量密度,是新一代负极材料的发展方向。东北证券的研究报告显示,锂电池负极从石墨体系到硅基负极将是未来的升级方向。随着动力电池能量密度要求的提高,硅碳负极搭配高镍三元材料成为发展趋势。未来两年,随着高镍三元材料技术逐渐成熟,硅碳负极的产业化即将到来。

新能源与智能网联独立研究员曹广平对《中国汽车报》记者表示,目前硅负极或高硅含量的硅碳负极材料,优势在于克容量较大,理论上是现有石墨负极的几倍或10倍以上,因此使用硅做负极可大副提高锂离子电池的能量密度。硅是碳的同族元素,硅或硅碳负极材料在电化学上都能实现嵌锂和脱锂。“不过,由于硅在嵌锂的过程中体积膨胀较大,脱锂后又容易坍塌,所以理论上设计难度较大、使用寿命较差。”他称。

对此,有业内人士指出,硅碳负极适合做寿命同样相对略短的高镍三元正极的“搭档”,生产循环寿命满足常规使用需求、具备高能量密度的电池单体。

“现在,硅碳负极的成本稍高,而且还存在体积膨胀、首效低及补锂技术不成熟等挑战,预计随着这些问题得以解决,会有更多车型配装硅碳负极的动力电池。”一家新能源汽车企业的相关负责人说。

“在锂负极或锂混合负极产业化之前,硅碳或硅负极很可能有一定的市场窗口期,其长短取决于能否补齐自身短板以及下一代锂负极的难题何时攻克。”曹广平认为。

钠离子电池

今年,宁德时代成功带“火”了钠离子电池。在新品线上发布会上,宁德时代推出了电芯单体能量密度高达160Wh/kg的钠离子电池,并计划将下一代产品的能量密度提高到200Wh/kg。此外,宁德时代钠离子电池在快充性能上优势明显,在常温下充电15分钟,电量可达80%以上;在零下20℃的低温环境中,也能拥有90%以上的放电保持率,系统集成效率可达80%以上。

当前,钠离子电池仍处于产业化初期,动力电池企业纷纷布局相关技术与产能。宁德时代方面表示,计划2023年基本形成钠离子电池产业链。此外,中科海钠、钠创新能源、星空钠电等也在进行相关布局。国际上,英国FARADION、日本松下、丰田等国外企业也都在进行钠离子电池的产业化探索。

据了解,我国钠储量丰富、分布广泛、成本低廉,可用于支撑大规模储能技术可持续发展。中科海钠董事长胡勇胜指出,他们研制的高容量、长寿命、超低成本、环境友好新型软碳负极材料——高温裂解无烟煤,为钠离子电池负极材料实用化奠定关键基础,发明专利已在中国、美国、日本获得授权。

资料显示,我国80%以上的锂原料依赖进口,而且其不断攀升的价格也让行业承压明显。相比之下,钠资源储量大,且提炼简单。据中科海钠方面测算,受益于更低的材料成本,钠离子电池较锂离子电池成本通常低30%~40%。

广发证券的研究报告显示,2025年,国内钠离子电池潜在应用场景需求量为123GWh,以磷酸铁锂电池价格计量,对应537亿元左右的市场空间。

此前,工信部答复政协提案表示,有关部门将支持钠离子电池加速创新成果转化,支持先进产品量产能力建设。

“钠离子电池目前已小批量试产,但要大规模应用还需过工艺关、质量关、上车关、使用关,而进一步推广受限于能量密度较低等短板。”曹广平介绍道。

业内专家指出,钠离子电池可以作为当前动力电池技术路线的补充,不过要想大规模商业化仍需面对诸多挑战。比如,钠离子电池自重较重,作为动力电池还要在能量密度上实现突破。此外,钠离子电池的正负极、电解液等材料供应也尚未形成规模。钠离子电池未来应用场景或主要集中在储能、低速电动汽车等领域。

中信证券的研究报告显示,在能源变革的大时代下,钠离子电池在资源丰富度、成本方面优势明显,未来几年随着产业投入的加大,技术走向成熟、产业链逐步完善,有望在储能等领域实现商业化应用,在一定程度上形成对锂离子电池、铅酸电池等成熟储能技术的补充。

锂金属电池

从硅负极技术的发展来看,提升动力电池能量密度的着力点已从正极拓展至负极等组成部分上。在这一行业背景下,采用金属锂作为负极材料的锂金属二次电池也受到更多关注。

与锂离子电池相比,混合锂金属电池的正极材料几乎与之完全一样。作为负极材料,锂金属的理论容量为3860mAh/g,约为石墨的10倍,可与现有高容量正极体系搭配。高能量密度的锂金属电池,以其材料本身的优势,可以实现超出常规锂电池40%以上的能量密度,达到400Wh/kg以上。

近日,混合锂金属电池供应商SES发布了Apollo锂金属电池,容量高达107Ah,据称是目前全球单体容量最大的锂金属电池,也是世界上首次公开展示的超过100Ah的单体锂金属电池。

据介绍,SES正在建设上海超级工厂,计划于2023年竣工,总面积为3万平方米。超级工厂坐落于嘉定国际汽车城,建成后的产能将达1GWh,届时成为全球产能最大的锂金属电池工厂。SES创始人胡启朝表示,混合锂金属电池产业化可能的时间点预计在2025年。

据介绍,与锂离子电池相比,混合锂金属电池技术路线既可以提升能量密度,又可以改善安全性。曹广平对记者表示,与传统的锂离子电池相比,混合锂金属电池采用了大克容量的锂金属负极以及较薄固态电解质层,可以大幅提升能量密度。

国内主流电池企业也看到了混合锂金属电池未来的发展空间。宁德时代11月4日在投资者互动平台表示,公司一直紧跟国际前沿的研究,成立了21C实验室进行前瞻性技术攻关,目前正推进包括金属锂电池、全固态电池等在内的新型技术布局。

亿纬锂能研究院先进电池研究所彭燕秋介绍说,近年来亿纬锂能专注于金属锂电池的研究,通过系统分析各关键工艺及相关设备的原理,采取新型金属锂来料方式、新设备开发、参数优化等策略,实现了自动模切及半自动叠片,金属锂二次电池叠片时间仅需1.7分钟,并在锂硫电池的开发上进行了验证,后续将通过模切-叠片一体化设备的开发,实现全自动叠片工艺,为高比能金属锂二次电池提供可靠的技术支撑。

有业内人士指出,虽然锂金属电池的储电量相当于锂离子电池的10倍,但在商业化上面临“卡脖子”的问题,即在锂金属电池充放电时,锂会不均匀地聚集在电极上。这种积聚会大大缩短动力电池的寿命,而且可能会导致短路甚至起火。

“锂金属电池技术的发展主要存在三个方面的问题,一个是容易生长出锂枝晶,它刺破隔膜可是影响安全性的大问题;二是锂负极容易产生体积的剧烈膨胀,严重影响电池寿命;三是锂的化学性质活泼,在潮湿空气等环境下就能反应,因此生产需要在特殊条件下进行,存在很多工艺上的难题有待改进。”曹广平告诉记者。彭燕秋也表示,锂金属二次电池距离实现商业化应用还有很长的一段路要走。

近期,美国哈佛大学公布的一项新研究,将锂金属、固态电解质两大方向结合,取得了新突破。其研发的锂金属固态电池表现出非常稳定的状态,在高能量密度设定下,仍可实现充放电循环超1万次,用在电动汽车上预期寿命可达10~15年,快充模式下10~20分钟即可“满血”。

4680大圆柱电池

近日,亿纬锂能发布公告称,子公司亿纬动力拟与荆门高新区管委会签订合同书,分别在荆门高新区投资建设20GWh乘用车用大圆柱电池生产线及辅助设施项目、16GWh方形磷酸铁锂电池生产线及辅助设施项目,投资项目固定资产投资总额约为62亿元。

亿纬锂能董事长刘金成表示,将在荆门建设的大圆柱电池项目,可能是全世界范围内最先量产的4680、4695电池生产基地。

事实上,松下、特斯拉、比克、蜂巢能源等企业也在布局4680大圆柱电池,而且一些企业的产品即将迎来量产。

前不久,松下首次发布4680电池新产品,存储容量是现有电池的5倍,计划2022年3月在日本开始试生产。松下方面介绍称,4680大圆柱形电池专为满足特斯拉电动汽车的要求而制造,生产成本减半。今年,松下已在日本建立了一条4680电池测试线。松下方面还表示,如果能以比同行更高的效率生产这款电池,将考虑进行大规模投资,并向特斯拉以外的车企供应。此外,三星SDI和LG能源也完成了性能更强的4680电池的样品开发,目前正在进行测试,以验证其结构完整性。

圆柱电池卷绕工艺成熟、成本低,但芯内热量不易散出,热管理的效果稍差,且成组后体积能量密度稍低。对此,各企业通过不同的创新手段改善其存在的问题。比克电池首席科学家林建介绍称,通过对正负极材料和结构设计的优化,比克全极耳大圆柱产品开发进度符合预期,在兼顾能量密度的基础上快充性能提升3倍,目前产品已为部分客户送样,在满足市场需求的基础上,测试结果部分性能优于预期。

蜂巢能源董事长兼首席执行官杨红新认为,大圆柱电池的市场前景广阔,在高性能跑车、SUV等领域具有应用优势,以此为突破口,圆柱电池可与方形、软包电池展开竞争。今年,蜂巢能源也将切入大圆柱电池领域。

与传统圆柱电池相比,4680电池的性能明显提升:一是空间利用率提高,圆柱体积的增大可以减少电池单体数目;二是生产成本降低,单体能量密度增加,意味着电芯数量的减少;三是快充性能改善,15分钟内能充至80%的电量,功率密度峰值可达1000W/kg以上。

由于历史原因,我国方形动力电池所占比重较大,圆柱电池应用式微。而现在,不少整车企业与供应商又将目光重新放在升级后的大圆柱电池上。受特斯拉国产化的带动,国内圆柱电池的装车量逐渐重回正增长,2020年达到8.35GWh,占国内新能源汽车电池装车量的13%。

林建表示,大圆柱电池的应用潜力很大,特别是在高端乘用车和商用车市场。此外,它不仅可以配套整车,一些续驶要求较高的短途出行工具和终端设备同样适用。圆柱电池在新能源汽车领域的应用价值依然存在,其高一致性和低成本的优势仍能在一些细分领域找到合适的生存空间。随着量产上市,大圆柱电池或得到更多车企的青睐。

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