中日韩三元材料大战

2018-08-20      1217 次浏览

在尝试了市面上超过300种电池后,特斯拉才认定三元锂电池。

特斯拉电池技术总监KurtKelty给出的理由是:能量密度更大且稳定性、一致性更好;可以有效降低电池系统的成本;尺寸小但可控性和安全性都不断提高。

事实证明,KurtKelty的选择绝对正确。

在特斯拉从首款车型Roadster向目前最风靡的ModelS“转型”的4年时间里,电池组成本已经下降了约44%,并且会继续下降。

现在,MODELS续航里程能够达到486公里,电池容量达到85kWh(1kwh=1度),采用8142个3.4AH(AH,安时数,是反映电池容量大小的指标之一)的松下18650型电池。工程师们将这些电池以砖、片形式逐一平均分配,最终组成一整个电池包,放置于车身底板。

就在7日,特斯拉发布今年第一季度财报,首席执行官马斯克说,特斯拉与松下达成协议,将建造一座耗资约50亿美元的超级锂离子电池厂。

当特斯拉MODELS在高速公路上飞驰的时候,各方对三元锂电池的关注度也以几何级数飞增。

三元聚合物锂电池

是指正极材料使用锂镍钴锰三元正极材料的锂电池,锂离子电池的正极材料有很多种,主要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料、磷酸铁锂等。目前三元材料的电芯代替了之前广泛使用的钴酸锂电芯,在笔记本电池领域广泛被使用。

“用苹果和安卓(智能手机)的都是好孩子,因为每天必须按时回家……充电。”

这个流传甚广的段子不仅调侃了当下人们对电子产品严重的依赖性,更有意思的是,它还折射了一种科技界的流行症——对电池容量小、充电次数频繁的焦虑。

焦虑症蔓延的时候,特斯拉出现了,还带来一个救星:三元锂电池。

“旋风”突袭之前,有关电池以及充电问题的讨论被不断放大,篇幅远远超过特斯拉汽车的其他性能。但很快,当特斯拉最知名车型MODELS采用三元锂电池(即以镍钴铝三元材料为正极材料的锂电池)的消息传出,整个电池业豁然开朗。

大而化小。这款应用于电动汽车的技术,适时缓解了从智能手机到可穿戴设备,甚至充电宝等小型电子产品的“充电焦虑症”。锂电池,也正式迎来三元材料时代。

正极材料锂电池之心

我们的手机里、手表里、平板电脑里,锂电池无所不在。

这种在当代被广泛应用的产品,据考证灵感最早来源于爱迪生。他曾使金属锂和二氧化锰发生作用,产生放电反应。

经过这么多年的技术发展和改进,今天,一颗合格锂电池的基本组成包括外壳、正极材料、负极材料、隔膜、电解液等。其中,正极材料对于锂电池的能量密度、安全性、循环寿命等起着决定性作用,占锂电池成本的40%,其技术发展也变得尤为关键。

目前,主流的正极材料包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂以及镍钴锰酸锂三元材料等。就能量密度、成本、安全性、热稳定性和循环寿命来看,上述主流正极材料的表现各有千秋,这也导致动力锂电池正极材料技术路线出现分化。

但无论如何,对锂电池而言,钴金属是必不可少的材料。

不过,金属钴一方面价格高昂,一方面存在毒性,无论技术领先的日韩企业还是国产电池厂商近年来都致力于电池“少钴化”。

在这种趋势下,以镍盐、钴盐、锰盐为原料制备而成的镍钴锰酸锂三元材料渐渐受到推崇。从化学性质角度出发,三元材料属于过度金属氧化物,电池的能量密度较高。

尽管在三元材料中,钴的作用仍不可缺少,但质量分数通常控制在20%左右,成本显著下降。而且同时兼具钴酸锂和镍酸锂的优点。

随着近年来国内外厂商不断加码生产,以三元材料为正极材料的锂电池取代商用钴酸锂的趋势已十分明显。

大到电动汽车,小到智能手机、可穿戴设备或者充电宝,这种新型技术都完全适用。

特斯拉大手笔三元材料迎高峰

在特斯拉之前,各界对三元材料知之甚少。

直到特斯拉宣布在其风靡全球的高端跑车MODELS车型上采用三元材料作为电池正极材料,这一技术才渐渐被广泛认可。如今俨然已是未来动力电池的发展方向。

公开资料显示,特斯拉MODELS续航里程能够达到486公里,电池容量达到85kWh,采用了8142个3.4AH的松下18650型电池。工程师将这些电池以砖、片的形式逐一平均分配最终组成一整个电池包,电池包位于车身底板。

任何事物都有两面性。尽管镍钴铝能量密度高,但由于镍钴铝的高温结构不稳定,导致高温安全性差,且pH值过高易使单体胀气,进而引发危险。

最终,特斯拉通过有效的电力管理系统解决了三元锂电池的安全性问题,并使单位成本却远低于其他电动车型,大约为416美元/kWh。

特斯拉7日称,该公司已与日本松下公司签署共建超级电池厂的意向书,这项工程可望下月动工。

特斯拉今年2月宣布,为适应量产电动车的需求,将建造一座耗资约50亿美元的超级锂离子电池厂,预计将满足特斯拉年产50万辆电动车的需求,电池组每千瓦时的成本将降低逾30%。

特斯拉7日发布今年第一季度财报,首席执行官马斯克表示,特斯拉与松下就共建超级电池厂签署了意向书,双方已组建电池生产的研发团队。

松下目前是特斯拉的主要电池供货商。根据双方2011年签署的协议,松下在4年内为特斯拉提供6.4亿块汽车级锂离子电池。这一供货量后来又增加到18亿块。

关于电池厂的最终选址,特斯拉尚未敲定,备选地包括亚利桑那、内华达、新墨西哥、得克萨斯以及加利福尼亚等5个州。马斯克表示,为最大限度减少延期风险,特斯拉将在至少两个地点建电池厂。

特斯拉在最新财报中说,全球市场对ModelS全电动汽车的需求增长较快,公司今年将交付3.5万辆。目前特斯拉的生产能力是每周近700辆,今年年底有望增至每周1000辆。

松下曾在2010年向特斯拉投资3000万美元,成为其股东之一。并且于2011年达成战略协议,将负责特斯拉今后5年全部车辆的电池供应。

电池行业人士告诉记者,鉴于特斯拉和松下在三元材料电池方面的合作,再加上特斯拉建设超级电池厂这一大手笔。未来,三元材料电池将进入一个全新的发展高峰。

值得注意的是,除了特斯拉MODELS,有消息称雪佛兰Volt沃蓝达汽车采用的是LG化学提供的三元正极材料电池。电池保质期达到8年,行程可达16万公里左右。2011年,雪佛兰Volt沃蓝达从位于上海金桥的通用汽车中国总部出发,途经多种路况,完成了约248公里省道的不间断行驶,也在一定程度上证明了这种电池高效的性能。

“虽然国内电动车厂商(比如比亚迪)主流观点仍是坚持采用磷酸铁锂(材料制造商如天津斯特兰科技)电池,但也有部分电池厂商明显踏上了追随日韩企业的步伐,把重点对准了三元材料。”有研究人士说。

可以预见,未来随着电动汽车的普及,三元材料的需求量必将进一步上升。而且,三元材料还将在复合电池材料中占据一席之地,以更好地平衡成本和性能。

日韩技术领先国内企业忙追赶

从全球范围来看,各方对三元材料的研发生产都在不断推进。在这个过程中,材料性能大幅提升,应用领域也一再拓展。

2009年8月,美国总统奥巴马宣布用24亿美元支持企业发展“下一代”电池和电动车计划,三元材料电池生产企业被纳入补贴范围。

2012年2月,我国工信部发布的《新材料产业“十二五”发展规划》中,提出到2015年将新增正极材料产能4.5万吨/年,将组织开发包含高效率、大容量、长寿命、安全性能能的镍钴锰三元系电池正极材料。

不过截至目前,高端三元材料生产技术主要集中在日韩企业中。一些知名电池厂商从2010年就开始全面使用三元材料。

有资料称,日本的三元材料电池性能甚至已接近于钴酸锂电池。能得到特斯拉的青睐,也证明了日本厂商提供的三元材料具备高品质。

从供应角度来看,日亚化学、韩国L&F、比利时UMICORE这三家公司是全球锂电池正极材料主要供应商,2012年上述3家企业市场份额合计为36%。

国内三元材料生产从2005年左右起步,截至目前也已出现了10家左右规模企业,其中不乏上市公司。

不少企业长期与日韩电池企业保持上下游合作关系,也有企业获得美国3M公司授权代工,总体而言,这些企业在三元材料技术制造和应用领域方面仍面临较大的局限,几乎没有产品面向动力电池领域,难与日韩企业正面对抗。

最近一则新闻显示,中国企业终于也开始涉足动力电池领域。再生资源龙头企业格林美近日公告称,该公司控股子公司江苏凯力克钴业股份有限公司以现金5298.2万元收购清美化学株式会社、长濑产业株式会社、上海信铭国际贸易有限公司合计持有的清美通达锂能59%的股权。

而清美通达锂能研发的重点方向就包括三元正极材料。而公司高管不久前曾透露,镍钴锰三元电池材料项目已在进行中,并且看好三元材料在新能源汽车领域的应用。

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