鉅大LARGE | 點擊量：760次 | 2022年10月22日
探討軟包動力鋰電池的技術(shù)發(fā)展趨勢
未來新能源汽車的發(fā)展趨勢是電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、輕量化、共享化，這五化對動力鋰電池肯定會提出更高的要求，未來的動力鋰電池是怎么樣的？
這是目前動力鋰電池的應用現(xiàn)狀，目前在一些低速車、轎車啟停電源重要用鉛酸電池。鉛酸電池便宜，但能量密度很低。鎳氫電池重要用于日系混合動力車和儲能上，因為鎳氫電池的能量密度比鉛酸高一點，價格相關(guān)于鋰離子電池便宜一點。隨著新能源汽車的發(fā)展，對動力鋰電池的能量密度以及壽命要求更高，所以鋰離子電池目前是主流的動力鋰電池，廣泛應用于HEV、PHEV、BEV、FCV等方面。
這是我們國家的三個發(fā)展部門對鋰離子電池提出的發(fā)展規(guī)劃，從三個規(guī)劃中，高能量密度電池是未來的發(fā)展方向，都要求在2020年電池的能量密度達到300Wh/Kg，力爭實現(xiàn)350Wh/Kg，對成本以及電池系統(tǒng)的能量密度也提出了更高的要求，這里我就不一一講述了，大家在以前也看到過很多。
這是2018年國家的補貼政策，這些大家應該很了解，我只是對2018年的補貼政策做了總結(jié)。第一，續(xù)航里程方面，續(xù)航越長補貼越多；第二，激勵車企研發(fā)續(xù)航里程更高的車型，續(xù)航里程低于150公里的車取消補貼；第三，電池系統(tǒng)能量密度要求更高，因為續(xù)航里程要求更高。
在鋰電產(chǎn)業(yè)，中日韓三足鼎立，在電池能量密度、成本方面展開技術(shù)競爭。韓國公司已經(jīng)在我國大規(guī)模的擴產(chǎn)，表中統(tǒng)計了日韓公司高能量密度電池研究進展，目前日本、韓國電池的能量密度目前是在250Wh/Kg以上，跟國內(nèi)的水平相當，中日韓在2020年實現(xiàn)300Wh/Kg的目標也是一致的。目前的研發(fā)水平處于同一水平上，但安全性研究上要加強。LG在今年年初說要發(fā)行一款NCM811體系的電池，但目前已推遲量產(chǎn)。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
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-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
要提高單體電池的能量密度要發(fā)展新的電化學體系，2017年170~220Wh/kg電化學體系是錳酸鋰、磷酸鐵鋰、中鎳三元、錳酸鋰摻雜中鎳三元對石墨體系，2018年240~260Wh/kg電化學體系是中高鎳三元、錳酸鋰摻雜中高鎳三元對硅碳或硅氧負極，2020年300Wh/kg以上的電化學體系要采用高鎳、富鋰錳基正極、高電壓錳酸鋰對硅碳或硅氧負極。
應大規(guī)模儲能和電動汽車快速發(fā)展需求，高比能量、高功率、長壽命和低成本關(guān)鍵材料及其制備技術(shù)是鋰離子電池發(fā)展的重要方向，能量密度、壽命、成本、安全性各方面指標要統(tǒng)籌兼顧到。高比能是鋰電行業(yè)不懈追求的目標。2016年、2022年和2025年，這些指標都在大幅度地提高，以后我們也不用擔心動力鋰電池的能量密度、壽命、安全性等。
目前動力鋰電池較為成熟的有三種封裝方式，軟包、方形、圓柱。三種封裝形式的電池各有優(yōu)缺點，三者比較，軟包電池，比容量高、安全性好、循環(huán)壽命長，內(nèi)阻小，設(shè)計靈活，但是一致性較差，成本較高，容易發(fā)生漏液。由于前幾年軟包鋰離子電池設(shè)備的自動化程度不高，從而會使得一致性較差點，但目前國內(nèi)外設(shè)備公司加大了研發(fā)投入。桑頓新能源公司三廠目前鋰離子電池產(chǎn)線設(shè)備自動化程度達到90%以上，一致性得到比較好的解決，軟包電池會是未來發(fā)展的趨勢。
第二部分介紹下軟包電池技術(shù)特性。在相同容量下，軟包電池的重量和體積最?。辉谙嗤捏w積下，軟包電池的容量最高。在其他條件相同的情況下，較鋁殼和圓柱，軟包電池的體積能量密度和質(zhì)量能力密度最高。目前我們的數(shù)據(jù)是來自于高工鋰電。
目前，重要從電芯設(shè)計、模組、Pack輕量化方面進一步提升電池系統(tǒng)能量密度。2017年開始，國內(nèi)主流的電池廠加大了三元布局，現(xiàn)如今高鎳高壓三元和硅碳是主流的技術(shù)路線。從200-280，變正極，從低鎳到高鎳，或者低壓到高壓；280-300，變負極，由石墨到硅碳；300-350，三元變富鋰錳基；350以上，要么變電解質(zhì)，由液態(tài)變固態(tài)，或者更換鋰離子電池體系，發(fā)展鋰硫電池或全固態(tài)電池。
Pack輕量化，可以在很多方面做工作。可以使用一些輕量化的材料，可以優(yōu)化一些設(shè)計，采用CAE的輔助，提前做一些仿真。電芯方面，可以選擇一些能量密度高、電池尺寸標準化的電芯，像100302這款電芯既符合國標又符合VDA的尺寸，也可以在箱體、模組方面進行一些設(shè)計優(yōu)化。另外在制造工程、結(jié)構(gòu)設(shè)計方面也可以做一些優(yōu)化。Pack輕量化也是未來的趨勢。
這是從這幾年國外一些一流的整車廠的主流車型搭載軟包電池系統(tǒng)能量密度的數(shù)據(jù)。這些車型重要使用軟包電池，韓國現(xiàn)代今年有兩款車搭載了LGC公司的NCM811體系電池。這款電池據(jù)報道量產(chǎn)時間推遲了。我個人分析的原因可能有三個：一是，NCM811材料和電芯制造成本高，雖然鈷的含量降低了，但制造工藝復雜，對環(huán)境濕度要求很高；二是，NCM811材料的熱穩(wěn)定性較差，導致NCM811體系電芯的安全性低；三是，NCM811體系電芯循環(huán)壽命較短，可能無法滿足整車需求。
我們對不同類型電池的事故率進行的統(tǒng)計，16-17年，國內(nèi)新能源汽車火災事故分別發(fā)生29起和16起。配套車型看，方形電池事故較高，無論是事故次數(shù)還是車輛數(shù)量占比均超過一半；18年上半年，國內(nèi)共發(fā)生8起，方形和圓柱各一半；根據(jù)統(tǒng)計的數(shù)據(jù)來看，軟包電池安全性相對來說最高。軟包鋰離子電池采用鋁塑膜作為包裝外殼，在發(fā)生安全隱患的情況下，軟包鋰離子電池最多只會鼓氣裂開，從封口處釋放能量，而不像鋼殼鋁殼鋰離子電池那樣會出現(xiàn)較大內(nèi)壓而發(fā)生爆炸。目前，軟包鋰離子電池大部分仍采用液態(tài)電解質(zhì)，少數(shù)采用凝膠態(tài)電解質(zhì)，隨能量密度發(fā)展，固態(tài)鋰離子電池發(fā)展是必然趨勢，鋰離子電池安全性會進一步提高。
我們還對不同類型電池的成本進行了統(tǒng)計，從包裝成本來說，圓柱、方形、軟包的包裝成本是相似的，差異不大。但在包裝材料的構(gòu)成方面，方形鋁殼的成本是最高的，方形鋁殼為了降低單位Wh的成本必須把電池容量做大，但隨著成本會降低，安全性也會降低，它可能會熱失控，中間有一些熱量傳遞速度會有限制。不同容量的軟包電池，包裝材料成本相似，相對來說降低單位瓦時成本難度更大。軟包電池的容量，一般在50~60Ah左右。
我們對軟包電池各組分重量和成本占比進行了分析。發(fā)現(xiàn)鋁塑膜重量占比為3.0%，成本卻占到整個鋰離子電池總成本的8%，成本構(gòu)成中占到第三位，成本占比較大。這重要是由于鋁塑膜的制備工藝及市場情況導致的。目前，國內(nèi)軟包動力鋰電池所用鋁塑膜有90%以上都是進口。
在這簡單介紹下鋁塑膜結(jié)構(gòu)。鋁塑膜重要由外層尼龍層、中間鋁層、內(nèi)層CPP/PP層三層組成，特種鋁層和CPP/PP層技術(shù)壁壘高，產(chǎn)品要求嚴格，全球鋁塑膜市場仍重要由日韓公司壟斷，日本DNP和昭和電工兩大巨頭合計市場占比超過70%。DNP和昭和電工分別是熱法和干法的代表公司。
國產(chǎn)鋁塑膜遇到的常見的技術(shù)問題是國產(chǎn)鋁箔在表面處理上有缺陷，穩(wěn)定性差，另外CPP層材料未完全攻克，絕緣和耐高溫性都存在問題。近些年，國產(chǎn)鋁塑膜公司在材料技術(shù)工藝、設(shè)備等方面都在不斷完善更新，而且在產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品一致性和耐電解液性能上有了質(zhì)的提升。ATL、光宇等已開始批量應用數(shù)碼類國產(chǎn)鋁塑膜；同時動力鋰電池領(lǐng)域，新綸科技通過收購日本T&T的成熟鋁塑膜廠和專利技術(shù)，成功將鋁塑膜產(chǎn)品導入國內(nèi)動力鋰電池公司。國內(nèi)公司通過技術(shù)的內(nèi)生突破、引進吸收以及外延收購等發(fā)展途徑，國產(chǎn)化已勢不可擋。
鋁塑膜國產(chǎn)化后，軟包動力鋰電池成本將降低，國產(chǎn)鋁塑膜公司有新綸科技、紫江公司、道明光學、福斯特等。鋁塑膜國產(chǎn)化，鋁塑膜成本每平降低5-7元后，軟包動力鋰電池總體成本降低1.5%左右，可以加速提高軟包電池在新能源汽車市場的占有率。
第三部門介紹下軟包電池市場化趨勢。三種類型電池產(chǎn)量占比均不小，其中方殼電池占比較大。軟包電芯憑借著能量密度高、安全性能好、設(shè)計靈活的特點，有望加速提高軟包電池在新能源汽車市場的滲透率。目前，軟包電池在新能源乘用車市場占有率還是比較高。這是高工鋰電統(tǒng)計的2017年搭載不同結(jié)構(gòu)電池全球新能源乘用車（top20）數(shù)量占比，其中軟包電池占比達37.4%，比方形鋁殼電池(32.8%)高；這是2017年搭載不同結(jié)構(gòu)電池我國新能源乘用車（top20）數(shù)量占比，其中軟包電池占比達44.9%，比方形鋁殼電池(48.7%)略低。預計，2020年三元材料的動力鋰電池需求量將上升至71.6GWh，占比由目前的22%上升至50%左右。而三元動力鋰電池，使用軟包電池占比較大。
高工鋰電數(shù)據(jù)顯示，2017年動力軟包電池需求量為6.5GWh，市場滲透率為12%。業(yè)內(nèi)預計2018年動力軟包電池需求達到10.9GWh，市場滲透率14%；2020年市場需求達到79.4GWh，滲透率將提升至40%。原因：一是市場對高能量密度電池的需求，實現(xiàn)300Wh/kg電池目標，只有軟包才可以，力神，國軒，CATL已經(jīng)有軟包線了；二是，鋰硫電池和全固態(tài)電池，就目前的工藝、設(shè)備、結(jié)構(gòu)設(shè)計適合走軟包電池路線；三是，安全問題，軟包電池相對來說更加安全。
第四部分介紹下我們桑頓新能源公司。桑頓新能源公司是隸屬于桑德集團，我們桑德集團成立于1993年，目前業(yè)務覆蓋了水資源、水生態(tài)、固廢處理、環(huán)衛(wèi)、再生資源、新能源等，我們集團子現(xiàn)在目前控股參股2家上市公司，一家是桑德國際，一家是啟迪桑德，桑德品牌價值已經(jīng)達到152個億，集團總資產(chǎn)400億以上。我們集團在新能源產(chǎn)業(yè)上已經(jīng)做了布局，而且布局是比較完善的，電池、電機、電控、儲能、充電樁、新能源汽車都有布局。而我們桑頓新能源在電池板塊也形成了一個比較完整的產(chǎn)業(yè)布局。
桑頓新能源公司成立于2011年，目前注冊資金25.5億。公司從正極材料的前驅(qū)體、正極材料、單體電芯、電池系統(tǒng)、電池管理、電池云平臺管理、電池梯次利用、廢舊電池回收，已經(jīng)形成完整的這個產(chǎn)業(yè)鏈。國家要求2020年電池單體成本控制在0.6元左右，通過目前材料的這個成本的控制，肯定是達不到的。只有完善整個產(chǎn)業(yè)鏈，成本才能夠在將來2020年以后得到較好的控制。
目前我們公司電池安全是核心，沒有安全何談產(chǎn)品。我們在安全的這一塊也做了很多的工作。我們有故障分級處理機制、安全生產(chǎn)保障體系、三級檢測體系以及信息化管控追溯系統(tǒng)。從2014年到現(xiàn)在已經(jīng)有幾萬輛車純電動汽車搭載了我們公司的電池，到目前為止沒有一例安全事故，這也是我們比較自豪的事情。
目前，桑頓新能源電芯產(chǎn)量達到9GWh，在國內(nèi)排到前五前六。2020年產(chǎn)量達到14GWh。桑頓新能源將在湘潭打造一個千億產(chǎn)業(yè)集群園區(qū)。
第五部分，總結(jié)。由于時間關(guān)系，最后總結(jié)一句話：三種電池類型占比均不小，但軟包電芯憑借著能量密度高、安全性能好和設(shè)計靈活的特點，再加上鋁塑膜國產(chǎn)化趨勢推動下，有望加速提高軟包電池在新能源汽車市場的滲透率；2020年，動力鋰電池中軟包滲透率有望提升至40%，達到79.4GWh。
軟包和方形鋁殼電池有點不相同，軟包是貧液狀態(tài)，而鋁殼電池是富液狀態(tài)。新鮮的軟包電池中能流動的電解液的量很少，軟包電池可以通過極片、隔膜來保液。隨著循環(huán)的進行，電解液也不斷被消耗，假如出現(xiàn)鋁塑膜破損，也不會有電解液泄漏。另外，現(xiàn)在設(shè)備的封裝能力較好。
我們會在極片壓實和隔膜做些改進。軟包電池正負極壓實相對鋁殼電池來說低點，隔膜方面也不相同。隔膜工藝方面，我們會在做一些改進，比如涂敷一層PVDF或者與陶瓷混涂。通過極片和隔膜自身的吸液量可以保證循環(huán)性能。目前我司的軟包電池產(chǎn)品1C充/1C放循環(huán)壽命都在2000次以上，完全滿足電動汽車的需求。另外，在外存在一定的壓力的情況下，軟包電池循環(huán)性會比無壓力狀態(tài)下高得多。軟包電池在Pack里是有壓力的。
我們分兩部分，廢電池回來我們會進行篩選。前幾年，電池沒有追溯系統(tǒng)，如大數(shù)據(jù)或是MES系統(tǒng)，退役回來的電池狀態(tài)無法判斷狀態(tài)，只能通過充放電測試結(jié)果篩選。目前，國家有要求，公司也有這個意識，在電池制備過程中加裝MES系統(tǒng)，搭載車的電池包有大數(shù)據(jù)，這樣電池退役回來后，我們首先通過電池大數(shù)據(jù)分析一下電池包的使用狀態(tài)，有沒有濫用的情況，有沒有出現(xiàn)一致性的問題，或是其他的可以看得出來的問題。首先，篩選好的電池包直接使用到低速車或者其他細分領(lǐng)域；其次，不能直接使用的，拆解出模組，篩選好的模組，重新配組成新的電池包使用到低速車或者其他細分領(lǐng)域；最后，一些無法再次使用的模組直接破壞性拆解，由于鎳、鈷等資源的回收經(jīng)濟價值高，更適合加以回收。目前桑頓針對三元軟包電池的回收進行了一系列的研究，包括廢舊動力鋰電池包梯次利用、電池快速放電、電池包的拆解、資源的提取和再利用等方面。
國家有立法所有數(shù)據(jù)不能買賣，但我們會跟主機廠談，主機廠是有數(shù)據(jù)存儲，我們通過一些商務的模式，一起來分析數(shù)據(jù)。另外，主機廠是回收電池的主體，我相信他們愿意有這樣的公司和他們一起做。
未來五年內(nèi)，還是以常規(guī)的傳統(tǒng)的鋰離子電池為主，五年以后鋰硫電池和全固態(tài)電池才可能在電動汽車上大規(guī)模使用。就目前而言，鋰硫電池和全固態(tài)電池重要用于3C或是無人機方面。在電動乘用車方面，氫燃料動力電池至少要在十年后才可能大規(guī)模使用，但在電動商用車方面，可能會早點，但也要在五年以后。
