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  • 动力电池正极材料之争谁将笑到最后?

    2017-8-8 10:59| 发布者: 朱文荃| 来自: 粉体网

    摘要 新能源汽车是汽车发展的方向,动力电池是新能源汽车的心脏,其技术水平及产业发展对电动汽车的规模化应用意义重大。随着动力电池产业集中度的提升,以及技术路线的逐渐成熟,未来的动力电池将向着更安全、更长寿、充 ...
      新能源汽车是汽车发展的方向,动力电池是新能源汽车的心脏,其技术水平及产业发展对电动汽车的规模化应用意义重大。随着动力电池产业集中度的提升,以及技术路线的逐渐成熟,未来的动力电池将向着更安全、更长寿、充电速度更快的方向发展。

      目前动力电池正极材料技术路线有很多,主要围绕着磷酸铁锂、三元材料、钴酸锂、锰酸锂这四种,那么随着技术的不断进步,哪一种正极材料技术路线在动力电池领域更具有竞争力呢?


      1、磷酸铁锂

      磷酸铁锂由于安全性好,循环寿命长,原材料资源丰富,不造成环境污染而在中国得到了以BYD为首的众多动力电池厂家的追捧。我国磷酸铁锂技术路线的成功是国外主流动力电池厂家始料未及的。

      磷酸铁锂优点有很多,但缺点也很明显,除了低温下循环性能极差以外,最主要的缺陷是其导电率和振实密度低,其能量密度只有120-150wh/kg。2016年底国家出台按能量密度进行动力电池的补贴,这可能会阻碍磷酸铁锂动力电池的发展,但磷酸铁锂在电动大巴上的使用具有不可替代性,未来市场空间依旧广阔。

      目前采用磷酸铁锂的电池厂家有比亚迪、北大先行、深圳沃特码、合肥国轩等。未来磷酸铁锂会朝着提高能量密度的方向发展,可以考虑采用石墨烯、碳纳米管等添加剂来提高倍率容量,或者采用磷酸锰铁锂提高电压,进而提高15-20%的能量密度。

      2、钴酸锂与镍酸锂

      钴酸锂是最早进行商业化应用的锂电池正极材料,第一代商业化应用的锂离子电池就是SONY在1990年推向市场的钴酸锂锂离子电池,随后在消费类产品中得到大规模应用。

      但是钴酸锂最大的缺点就是质量比容量低,理论极限是274mAh/g,出于结构的稳定性考虑,实际应用中只能达到137mAh/g。同时由于地球上钴元素的储量比较低,因此导致钴酸锂的成本偏高,难以在动力电池领域大规模普及。

      与钴酸锂相似,理想的镍酸锂为α-NaFeO2型六方层状结构,镍酸锂正极材料理论容量为275mAh/g,实际可达180-200mAh/g,平均嵌锂电位约为3.8V。相对于钴酸锂来说,镍的储量比钴大,价格也相对便宜,但是镍酸锂合成困难,循环性能差,纯相镍酸锂实用性不大。


      3、锰酸锂

      锰酸锂由于与目前普遍使用的钴酸锂、三元材料性质非常接近,其电池生产工艺非常成熟,动力电池生产线与现有生产线基本兼容,特别日韩拟采用18650型电池组合成动力电池模块的技术思路,使锰酸锂动力电池生产更容易实现。

      锰酸锂最大的缺点就是高温循环性能较差,但相较于磷酸铁锂,它也有着自己独特的优势。

      (1)锰酸锂的体积比能量优于磷酸铁锂

      锰酸锂的容量比磷酸铁锂低约25%,但其电压比磷酸铁锂高15%,且锰酸锂的压实密度高约40%,因此锰酸锂的体积比能量高于磷酸铁锂25-30%。

      (2)锰酸锂的一致性优于磷酸铁锂

      由于锰酸锂产品不含碳,因此产品的性能参数稳定,一致性好对动力电池生产十分有利。

      目前日本桑尼,我国中信国安、苏州星恒等企业都在研发生产锰酸锂动力电池,未来在低速电动车以及续航里程不高的电动车等领域将有不错的市场。


      4、三元材料

      三元材料主要有镍钴铝酸锂(NCA)和镍钴锰酸锂(NCM)两种,其中NCA是目前商业化正极材料中比容量最高的材料。

      镍钴铝酸锂(NCA)

      因为Co和Ni具有相似的电子构型,相似的化学性质,离子尺寸差异也很小,镍酸锂和钴酸锂可以发生等价置换形成连续固溶体并保持层状的α-NaFeO2结构,为了得到更加稳定的高镍固溶体材料,除了加入钴以外,添加Al可以进一步提高材料的稳定性和安全性,这样就形成了镍钴铝酸锂三元材料。

      尽管NCA具有很高的比容量,但其缺点也很明显,未来发展趋势是开发高镍低钴NCA来降低成本提高容量;以及研发高压实NCA来提高体积比;另外采用包覆工艺降低NCA对湿度的敏感性。

      目前美国特斯拉采用的是NCA正极材料动力电池,技术处于领跑地位,日本松下采用NCA和硅碳负极组合制成的18650型电池容量高达3500mAh,循环寿命2000次以上;种种迹象表明,NCA正极材料在动力电池应用中具有很大的竞争力。

      镍钴锰酸锂(NCM)

      镍钴锰酸锂(NCM)三元材料的比容量高、循环寿命长、安全性好、价格低廉的优点是毋庸置疑的,但它同样具有平台相对较低,首次充放电效率低的缺点。

      目前采用镍钴锰酸锂(NCM)的主要有韩国LG、浙江微宏动力以及珠海银隆,在未来,NCM发展趋势主要是制造低钴层状三元材料,主要原因是钴是稀缺资源,减少用量可降低成本;另一个方向就是发展高镍层状三元材料,虽然高镍体系合成难度大,易发生锂镍混排,但是镍含量的增加可以显著提高克容量,高镍体系是动力电池的理想材料之一。除此之外,NCM同样要注意材料吸水的问题。

      现阶段,国内有些厂家采用三元NCM/钛酸锂负极组合的技术路线,避免了碳负极可能存在的锂枝晶生成所造成安全性和循环性差的问题。采用此模块生产的动力电池具有安全性好,充放电倍率高,循环寿命长(可达5000-10000次)的特点,因而在动力电池领域备受关注。

      总结

      政策所趋,未来动力电池行业市场广阔,三年内新能源汽车用动力电池市场年平均增长率可达50%左右,但是整个电池行业竞争激烈,行业的整合正在持续进行,动力电池市场需求将进一步向优势企业集中。

      而在技术路线方面,目前商用锂离子动力电池正极材料主要有锰酸锂(LMO)、磷酸铁锂(LFP)、三元材料(NMC),每种材料都有自己的优势和缺陷,有自身的应用领域和市场需求。其中电动工具、HEV和电动自行车是LMO的主要应用领域,新能源公共交通大巴、出租车将仍以LFP为主。在未来,动力电池领域最有可能出现的局面将是磷酸铁锂和三元材料并驾齐驱。

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