动力电池技术发展形势分析.docx

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动力电池技术发展形势分析

书山有路勤为径；学海无涯苦作舟

动力电池技术发展形势分析

 一、当前三元和磷酸铁锂电池技术成熟度高

 1、三元和磷酸铁锂电池为企业布局重点

 在车用动力电池领域,锂电池已经成为主流。

目前国际主流动力电池企

业主要电池类型基本为磷酸铁锂和三元锂电池。

 图12017年全球前十动力电池企业主要电池类型

 从中国市场来看,磷酸铁锂和三元电池当前依然是车用动力电池的主流,

2016年和2017年装机占市场总量的94.5%和93.3%。

 图22016年（左）和2017年（右）中国不同材料动力电池装机量占比23

 2、磷酸铁锂和三元锂电池还有一段发展期

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 经过一段时间的发展,磷酸铁锂和三元锂电池的技术水平得到明显提升。

在成本方面,磷酸铁锂电池组价格从2017年年初的1.8-1.9元/Wh下降到

年底的1.45-1.55元/Wh。

三元动力电池包价格从年初的1.7-1.8元/Wh下

降到年底的1.4-1.5元/Wh。

 图3动力锂电池电芯成本44（单位:

元/Wh）

 在能量密度方面,2017年底,基于NCM622材料电池单体能量密度超过

200Wh/kg,系统能量密度160Wh/kg,2018年预计电池单体能量密度可达到

230~250Wh/kg。

 图4动力电池能量密度44（单位Wh/kg）

 这两种电池还有一定的提升空间,尤其是新一代材料对电池性能的提升

作用,比如正极材料811、硅碳负极的研发,将会进一步提升锂动力电池的

能量密度,单体能量密度有望达到300Wh/kg,加上这两种电池产业基础强大,在

产业中的竞争还将存在一定时期。

 二、固态电池成为目前布局重点

 从技术潜力角度来看,磷酸铁锂体系理论能量密度约为170Wh/kg,三元锂

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电池理论能量密度是300-350Wh/kg,同时存在热分解温度低、易燃烧爆炸

等安全性问题,二者能量密度提升空间相对较小。

然而全固态锂电池的能

量密度提升潜力大,从理论上讲更具可行性。

 1、固态锂电池的潜在技术优势

 固态锂电池,与传统锂电池相比的最大特点在于其使用了固态电解质材

料,当使用的电极和电解质材料均为固态、不含任何液态组分时,则为全固

态锂电池。

固态电解质改变了锂电池的传统结构,隔膜、液态电解液等不

再是必要组件,带来巨大的技术优势潜力。

 图5固态锂电池与传统锂电池的技术原理示意图

 固态锂电池的主要技术优势体现在,一是安全性高,不含易燃易挥发有毒

性的有机溶剂,不存在漏液问题,有望避免锂枝晶的产生,大幅度降低电池

燃烧、爆炸的风险。

二是循环寿命长,不存在液态电解质在充放电循环过

程中产生固体电解质界面膜的问题,目前研发的预期寿命是15000-20000

次。

三是能量密度高,传统锂电池中隔膜和电解液体积占比40%,固态电解

质能大幅缩减电池正负极间距离,提高体积比能量,全固态锂电池能量密度

预估最大潜力值达900Wh/kg。

四是系统比能量密度高,固态电解质无流动

性,可实现内串联组成高电压单体,利于提升动力电池系统成组效率和能量

密度。

五是正负极材料选择范围宽,可同时兼用金属锂负极和高电势正极

材料等新技术,全固态金属锂电池是未来新型电池的研发方向。

除此之外,

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固态电池的工作温度范围、电化学稳定窗口宽,并且具备薄膜化、柔性化

的潜力。

 2、全球企业纷纷布局固态电池,争夺先机

 由于当前磷酸铁锂和三元锂电池自身的瓶颈,以及固态电池的潜在优势,

欧美、日韩、中国等国家的涉及动力电池、汽车及能源方面的产业链上众

多企业正在积极布局和研发固态电池。

 图6国内外固态电池布局典型案例

 总体上,欧美国家主要是立足于固态电池技术的创业型公司,日本主要以

传统车企、机械企业为主的电池技术创新。

中国的企业相对来说进入固态

锂电池领域的时间较晚,且主要以科研机构或院校为支撑,产业化进程较慢。

 研发方面,国内主力为中科院的科研机构,有一定积累并与国外基本处于

同一水平,但能量密度距离理论值仍有较大的提高空间,离子导电率、循环

寿命也亟待进一步提升。

固态锂电池根据固态电解质分为三条技术路线,

分别为聚合物、氧化物与硫化物固态电解质,各科研机构采用的技术路线

并不相同。

其中,中科院青岛能源所与中科院化学所两家主攻聚合物固态

锂电池,前者的实验样品能量密度达300Wh/kg,并首次完成深海测试,后者

则突破了聚合物固态电解质室温下低导电率的瓶颈;中科院物理研究所的

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研究特色在于掌握原位形成技术,研制的10Ah软包电池能量密度达310-

390Wh/kg,体积比能量达800-890Wh/L;中科院宁波材料所、上海硅酸盐研

究所分别聚焦于无机固态锂电池和复合固态锂电池的研究。

 3、技术和产业壁垒亟待突破

 经过企业与研究机构的攻关,目前固态电池技术已经得到突破,能量密度

超过300Wh/kg,但基本都是实验室产品,距离产业化还有一定的距离。

 在技术层面,固态电解质离子导电率、固/固界面相容性和稳定性仍是两

大制约问题。

聚合物电解质的导电性在常温下较低,一般需要加热至60oC

以上才能正常工作,如法国Bolloré则采用聚合物电解质与电池加热的技

术路线;硫化物电解质的导电率目前与传统锂电池的水平相当,但仍需突破

界面相性问题,主要通过材料合成和纳米层技术增大活性物质的量、降低

界面层电阻。

同时,金属锂负极、新型复合正极材料仍在研发中,有望实现

全固态锂金属电池的应用,届时能量密度、容量、倍率性能、安全性能及

循环寿命将有巨大的突破。

 在产业化层面,未能实现规模化生产的困境主要在于生产设备、生产工

艺与生产线环境。

比如固态电池制备中的叠片、涂布、封装工艺需要定制

化的高精度设备,并且生产线环境也需要保持更高级别的干燥间。

只有当

规模化生产实现产量与产能的提升后,固态锂电池的成本才得以下降。

 整体上来看,固态锂电池的生产制备成熟度还亟待加强,规模化、自动化

的生产线还需要进一步研发,目前仍处于行业积累期。

固态电池总体发展

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