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新能源汽车“心脏”——动力电池技术迈向多元化发展

2022-09-20 17:00:46来源:智能制造网整理 阅读量:32742

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导读:如今,新能源汽车保有量不断攀升,其续航能力和安全性成为影响人们购车的关键因素,而这些都与动力电池的发展紧密相连。
  在这个汽车加速驶向智能化、电气化的时代,电池已然成为了重要的储能设备。正极、负极材料的创新应用、固态电解质的深入探索、封装工艺的不断进步……电池技术正高速发展着。
 
  动力电池被视为新能源汽车的“心脏”,其能量密度直接决定了车辆的续航能力,与此同时,电控系统的成本占新能源汽车总成本的65%,远高于燃油车发动机的30%,仅动力电池一项成本占比就超过35%。
 
  正极材料:续航是关键
 
  主流正极材料有镍钴锰酸锂、磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂、镍钴铝酸锂和三元材料(镍钴锰酸锂、镍酸锂)等。2021年我国动力电池出货量同比大幅增长直接带动正极材料出货大幅提升。
 
  人们在购买电动汽车时,最关心的是续航。电池的选择是每个购车人要考虑的问题。三元电池是指应用镍钴锰或者镍钴铝层状氧化物正极材料的锂离子电池,磷酸铁锂电池是指应用磷酸铁锂正极材料的锂离子电池。相对而言,装载三元电池的车辆续航里程长,价格相对高一些,安装磷酸铁锂电池的车辆价格低一些,安全性高一些,但续航里程相对也短一些。
 
  锂电池正极材料是锂电池产业链上游最重要的材料之一,布局企业众多。相关企业有德方纳米、容百科技、龙蟠科技、丰元股份、长远锂科、富临精工、厦钨新能、当升科技等。
 
  数据显示,我国锂电池正极材料市场规模由2016年213.8亿元增至2020年751.9亿元,年均复合增长率为36.9%。2021年市场规模达877.1亿元,据预测,2022年我国正极材料市场规模可达1002.3亿元。
 
  负极材料:石墨是主流
 
  目前主流负极产品有天然石墨与人造石墨两大类,人造石墨主要用于大容量的车用动力电池和倍率电池以及中高端电子产品锂离子电池,天然石墨主要用于小型锂离子电池和一般用途的电子产品锂离子电池。
 
  石墨类材料未来几年内仍具备技术、价格和成熟配套优势。石墨作为负极材料未来几年内仍将是主流,对锂离子电池性能及安全性起着非常重要的作用。目前锂离子电池的发展方向是高容量、高倍率、高安全,实现高容量高倍率的主要途径是开发以人造石墨为主要原材料的高性能锂离子电池负极材料。
 
  负极材料第一梯队企业,贝特瑞、杉杉股份、璞泰来,主要生产中高端人造石墨负极,并凭借自身的研发生产优势,正在积极布局新型负极材料。凯金能源、尚太科技、中科电气第二梯队企业则主要生产中低端人造石墨负极。天然石墨负极的代表企业主要是贝特瑞和翔丰华。按照2021年的负极材料出货量数据,人造石墨、天然石墨分别占比84%和14%。
 
  数据显示,我国锂电池负极材料市场规模由2016年64.6亿元增至2020年140.2亿元,年均复合增长率为21.4%,2021年市场规模达159.1亿元。据中商研究院预计,2022年我国负极材料市场规模可达178亿元。
 
  电解质:聚焦电池安全,突破能量密度上限
 
  锂电池在充电过程中,锂离子会在负极表面通过还原反应形成树脂状的锂原子晶体。把电解质的材料从液态替换为固态后,锂枝晶在固态电解质中生长缓慢且难刺透,可燃性差,热稳定性更强。解决了安全问题,固态电池就可以采用更高性能的正负极材料,使得能量密度突破 300Wh / kg。
 
  大众、福特、宝马等车企,包括宁德时代在内的电池企业都一致认为,全固态电池产业化要到 2025 年才会开启,甚至到 2030 年前,液态电解质锂离子电池都依然是主流,但国内厂商已经开始了半固态电池的探索之路,蔚来、东风等车企推出了半固态电池。
 
  封装工艺:圆柱、方形、软包三足鼎立
 
  方形、圆柱、软包是主流的动力电池三大封装方式。圆柱电池:通常将正负极与隔膜被卷 绕到负极柱上,以钢壳或铝壳进行封装,之后注入电解液,再封口;方形电池:通常使用 卷绕或者叠片制造,是目前市场占比最高的产品结构;软包电池:通常采用铝塑膜包装, 即在液态锂离子电池套上一层聚合物外壳。常使用卷绕或者叠片制造。目前圆柱卷绕应用 的车型有 Tesla Model 3 等;方形卷绕应用的车型有大众 ID4 等;方形叠片应用的车型有比 亚迪 汉等;软包卷绕应用的车型有奔驰 EQC 等;软包叠片应用的车型有通用 VELITE 6 等。
 
  新技术的探索
 
  当前,人们对电池材料的探索仍在继续,各种新型电池材料层出不穷,展现着电池行业发展的可能性。美国哈佛大学科学家为电动汽车开发了一种新型固态锂金属电池,该电池有望实现3分钟内完全充电,并且可持续使用20年。据悉,这种固态锂金属电池采用了类似三明治的多层结构,可有效阻止枝晶刺穿分隔阳极和阴极的屏障。
 
  2022年电池技术进步加速,未来的电池将朝着更高的能量比发展,整个电芯从液体向着更安全的混合固液和全固态电池发展。

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