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動(dòng)力電池材料比拼:比亞迪錳vs特斯拉石墨烯

發(fā)布時(shí)間: 2014-08-22 09:05:03    來源: OFweek電子工程網(wǎng)
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[摘要]在新能源車的產(chǎn)能上比亞迪是如何安排的,能不能適應(yīng)市場的需要?比亞迪現(xiàn)在使用的是磷酸鐵鋰技術(shù)路線,下一步其它技術(shù)路線如何選擇?


  動(dòng)力鋰電池材料路線之爭 中日韓三元材料大戰(zhàn)
  在嘗試了市面上超過300種電池后,特斯拉才認(rèn)定三元鋰電池。
  特斯拉電池技術(shù)總監(jiān)Kurt Kelty給出的理由是:能量密度更大且穩(wěn)定性、一致性更好;可以有效降低電池系統(tǒng)的成本;尺寸小但可控性和安全性都不斷提高。
  事實(shí)證明,Kurt Kelty的選擇絕對正確。
  在特斯拉從首款車型Roadster向目前最風(fēng)靡的Model S“轉(zhuǎn)型”的4年時(shí)間里,電池組成本已經(jīng)下降了約44%,并且會(huì)繼續(xù)下降。
  現(xiàn)在,MODEL S續(xù)航里程能夠達(dá)到486公里,電池容量達(dá)到85kWh(1kwh=1度),采用8142個(gè)3.4AH(AH,安時(shí)數(shù),是反映電池容量大小的指標(biāo)之一)的松下18650型電池。工程師們將這些電池以磚、片形式逐一平均分配,最終組成一整個(gè)電池包,放置于車身底板。
  就在7日,特斯拉發(fā)布今年第一季度財(cái)報(bào),首席執(zhí)行官馬斯克說,特斯拉與松下達(dá)成協(xié)議,將建造一座耗資約50億美元的超級鋰離子電池廠。
  當(dāng)特斯拉MODEL S在高速公路上飛馳的時(shí)候,各方對三元鋰電池的關(guān)注度也以幾何級數(shù)飛增。
  三元聚合物鋰電池
  是指正極材料使用鋰鎳鈷錳三元正極材料的鋰電池,鋰離子電池的正極材料有很多種,主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰等。目前三元材料的電芯代替了之前廣泛使用的鈷酸鋰電芯,在筆記本電池領(lǐng)域廣泛被使用。
  “用蘋果和安卓(智能手機(jī))的都是好孩子,因?yàn)槊刻毂仨毎磿r(shí)回家……充電。”
  這個(gè)流傳甚廣的段子不僅調(diào)侃了當(dāng)下人們對電子產(chǎn)品嚴(yán)重的依賴性,更有意思的是,它還折射了一種科技界的流行癥——對電池容量小、充電次數(shù)頻繁的焦慮。
  焦慮癥蔓延的時(shí)候,特斯拉出現(xiàn)了,還帶來一個(gè)救星:三元鋰電池。
  “旋風(fēng)”突襲之前,有關(guān)電池以及充電問題的討論被不斷放大,篇幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過特斯拉汽車的其他性能。但很快,當(dāng)特斯拉最知名車型MODEL S采用三元鋰電池(即以鎳鈷鋁三元材料為正極材料的鋰電池)的消息傳出,整個(gè)電池業(yè)豁然開朗。
  大而化小。這款應(yīng)用于電動(dòng)汽車的技術(shù),適時(shí)緩解了從智能手機(jī)到可穿戴設(shè)備,甚至充電寶等小型電子產(chǎn)品的“充電焦慮癥”。鋰電池,也正式迎來三元材料時(shí)代。
  正極材料 鋰電池之心
  我們的手機(jī)里、手表里、平板電腦里,鋰電池?zé)o所不在。
  這種在當(dāng)代被廣泛應(yīng)用的產(chǎn)品,據(jù)考證靈感最早來源于愛迪生。他曾使金屬鋰和二氧化錳發(fā)生作用,產(chǎn)生放電反應(yīng)。
  經(jīng)過這么多年的技術(shù)發(fā)展和改進(jìn),今天,一顆合格鋰電池的基本組成包括外殼、正極材料、負(fù)極材料、隔膜、電解液等。其中,正極材料對于鋰電池的能量密度、安全性、循環(huán)壽命等起著決定性作用,占鋰電池成本的40%,其技術(shù)發(fā)展也變得尤為關(guān)鍵。
  目前,主流的正極材料包括鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰以及鎳鈷錳酸鋰三元材料等。就能量密度、成本、安全性、熱穩(wěn)定性和循環(huán)壽命來看,上述主流正極材料的表現(xiàn)各有千秋,這也導(dǎo)致動(dòng)力鋰電池正極材料技術(shù)路線出現(xiàn)分化。
  但無論如何,對鋰電池而言,鈷金屬是必不可少的材料。
  不過,金屬鈷一方面價(jià)格高昂,一方面存在毒性,無論技術(shù)領(lǐng)先的日韓企業(yè)還是國產(chǎn)電池廠商近年來都致力于電池“少鈷化”。
  在這種趨勢下,以鎳鹽、鈷鹽、錳鹽為原料制備而成的鎳鈷錳酸鋰三元材料漸漸受到推崇。從化學(xué)性質(zhì)角度出發(fā),三元材料屬于過度金屬氧化物,電池的能量密度較高。
  盡管在三元材料中,鈷的作用仍不可缺少,但質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常控制在20%左右,成本顯著下降。而且同時(shí)兼具鈷酸鋰和鎳酸鋰的優(yōu)點(diǎn)。
  隨著近年來國內(nèi)外廠商不斷加碼生產(chǎn),以三元材料為正極材料的鋰電池取代商用鈷酸鋰的趨勢已十分明顯。
  大到電動(dòng)汽車,小到智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備或者充電寶,這種新型技術(shù)都完全適用。
  特斯拉大手筆 三元材料迎高峰
  在特斯拉之前,各界對三元材料知之甚少。
  直到特斯拉宣布在其風(fēng)靡全球的高端跑車MODEL S車型上采用三元材料作為電池正極材料,這一技術(shù)才漸漸被廣泛認(rèn)可。如今儼然已是未來動(dòng)力電池的發(fā)展方向。
  公開資料顯示,特斯拉MODEL S續(xù)航里程能夠達(dá)到486公里,電池容量達(dá)到85kWh,采用了8142個(gè)3.4AH的松下18650型電池。工程師將這些電池以磚、片的形式逐一平均分配最終組成一整個(gè)電池包,電池包位于車身底板。
  任何事物都有兩面性。盡管鎳鈷鋁能量密度高,但由于鎳鈷鋁的高溫結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,導(dǎo)致高溫安全性差,且pH 值過高易使單體脹氣,進(jìn)而引發(fā)危險(xiǎn)。
  最終,特斯拉通過有效的電力管理系統(tǒng)解決了三元鋰電池的安全性問題,并使單位成本卻遠(yuǎn)低于其他電動(dòng)車型,大約為416美元/kWh。
  特斯拉7日稱,該公司已與日本松下公司簽署共建超級電池廠的意向書,這項(xiàng)工程可望下月動(dòng)工。
  特斯拉今年2月宣布,為適應(yīng)量產(chǎn)電動(dòng)車的需求,將建造一座耗資約50億美元的超級鋰離子電池廠,預(yù)計(jì)將滿足特斯拉年產(chǎn)50萬輛電動(dòng)車的需求,電池組每千瓦時(shí)的成本將降低逾30%。
  特斯拉7日發(fā)布今年第一季度財(cái)報(bào),首席執(zhí)行官馬斯克表示,特斯拉與松下就共建超級電池廠簽署了意向書,雙方已組建電池生產(chǎn)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)。
  松下目前是特斯拉的主要電池供貨商。根據(jù)雙方2011年簽署的協(xié)議,松下在4年內(nèi)為特斯拉提供6.4億塊汽車級鋰離子電池。這一供貨量后來又增加到18億塊。
  關(guān)于電池廠的最終選址,特斯拉尚未敲定,備選地包括亞利桑那、內(nèi)華達(dá)、新墨西哥、得克薩斯以及加利福尼亞等5個(gè)州。馬斯克表示,為最大限度減少延期風(fēng)險(xiǎn),特斯拉將在至少兩個(gè)地點(diǎn)建電池廠。
  特斯拉在最新財(cái)報(bào)中說,全球市場對Models全電動(dòng)汽車的需求增長較快,公司今年將交付3.5萬輛。目前特斯拉的生產(chǎn)能力是每周近700輛,今年年底有望增至每周1000輛。
  松下曾在2010年向特斯拉投資3000萬美元,成為其股東之一。并且于2011年達(dá)成戰(zhàn)略協(xié)議,將負(fù)責(zé)特斯拉今后5年全部車輛的電池供應(yīng)。
  電池行業(yè)人士告訴記者,鑒于特斯拉和松下在三元材料電池方面的合作,再加上特斯拉建設(shè)超級電池廠這一大手筆。未來,三元材料電池將進(jìn)入一個(gè)全新的發(fā)展高峰。
  值得注意的是,除了特斯拉MODEL S,有消息稱雪佛蘭Volt 沃藍(lán)達(dá)汽車采用的是LG化學(xué)提供的三元正極材料電池。電池保質(zhì)期達(dá)到8年,行程可達(dá)16萬公里左右。2011年,雪佛蘭Volt 沃藍(lán)達(dá)從位于上海金橋的通用汽車中國總部出發(fā),途經(jīng)多種路況,完成了約248公里省道的不間斷行駛,也在一定程度上證明了這種電池高效的性能。
  “雖然國內(nèi)電動(dòng)車廠商(比如比亞迪)主流觀點(diǎn)仍是堅(jiān)持采用磷酸鐵鋰(材料制造商如天津斯特蘭科技)電池,但也有部分電池廠商明顯踏上了追隨日韓企業(yè)的步伐,把重點(diǎn)對準(zhǔn)了三元材料。”有研究人士說。
  可以預(yù)見,未來隨著電動(dòng)汽車的普及,三元材料的需求量必將進(jìn)一步上升。而且,三元材料還將在復(fù)合電池材料中占據(jù)一席之地,以更好地平衡成本和性能。
  日韓技術(shù)領(lǐng)先 國內(nèi)企業(yè)忙追趕
  從全球范圍來看,各方對三元材料的研發(fā)生產(chǎn)都在不斷推進(jìn)。在這個(gè)過程中,材料性能大幅提升,應(yīng)用領(lǐng)域也一再拓展。
  2009年8月,美國總統(tǒng)奧巴馬宣布用24億美元支持企業(yè)發(fā)展“下一代”電池和電動(dòng)車計(jì)劃,三元材料電池生產(chǎn)企業(yè)被納入補(bǔ)貼范圍。
  2012年2月,我國工信部發(fā)布的《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中,提出到2015年將新增正極材料產(chǎn)能4.5萬噸/年,將組織開發(fā)包含高效率、大容量、長壽命、安全性能能的鎳鈷錳三元系電池正極材料。
  不過截至目前,高端三元材料生產(chǎn)技術(shù)主要集中在日韓企業(yè)中。一些知名電池廠商從2010年就開始全面使用三元材料。
  有資料稱,日本的三元材料電池性能甚至已接近于鈷酸鋰電池。能得到特斯拉的青睞,也證明了日本廠商提供的三元材料具備高品質(zhì)。
  從供應(yīng)角度來看,日亞化學(xué)、韓國L&F、比利時(shí)UMICORE這三家公司是全球鋰電池正極材料主要供應(yīng)商,2012年上述3家企業(yè)市場份額合計(jì)為36%。
  國內(nèi)三元材料生產(chǎn)從2005年左右起步,截至目前也已出現(xiàn)了10家左右規(guī)模企業(yè),其中不乏上市公司。
  不少企業(yè)長期與日韓電池企業(yè)保持上下游合作關(guān)系,也有企業(yè)獲得美國3M公司授權(quán)代工,總體而言,這些企業(yè)在三元材料技術(shù)制造和應(yīng)用領(lǐng)域方面仍面臨較大的局限,幾乎沒有產(chǎn)品面向動(dòng)力電池領(lǐng)域,難與日韓企業(yè)正面對抗。
  最近一則新聞顯示,中國企業(yè)終于也開始涉足動(dòng)力電池領(lǐng)域。再生資源龍頭企業(yè)格林美近日公告稱,該公司控股子公司江蘇凱力克鈷業(yè)股份有限公司以現(xiàn)金5298.2萬元收購清美化學(xué)株式會(huì)社、長瀨產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社、上海信銘國際貿(mào)易有限公司合計(jì)持有的清美通達(dá)鋰能59%的股權(quán)。
  而清美通達(dá)鋰能研發(fā)的重點(diǎn)方向就包括三元正極材料。而公司高管不久前曾透露,鎳鈷錳三元電池材料項(xiàng)目已在進(jìn)行中,并且看好三元材料在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。

 

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