国内动力锂电池市场格局渐成 三元材料成开发重点
来源：宝鄂实业
2019-03-31 12:34
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雾霾成灾，大气污染治理已经迫在眉睫，提倡绿色出行，发展新能源汽车是实现节能减排大目标的有效途径之一，所以国家政策非常鼓励新能源汽车的发展，年初以来出台了数十项中央和地方新能源汽车相关政策。国内新能源汽车市场受此利好，9月销量创历史新高，年内肯定超过5万辆，拉动下游动力锂电池需求快速增长，在磷酸铁锂电池理论能量密度有限情况下，为提升车辆续航里程，高能量密度的三元材料动力锂电池被市场普遍看好。
中国新能源汽车市场迎来拐点
2014年中国新能源汽车的销量预计将会达到7万辆，即将迎来拐点。
2014年中国新能源汽车利好政策频出，发展新能源汽车逐步上升为国家战略。自2013年以来中国新一轮的新能源汽车政策频出，直接推动了国内新能源汽车市场的快速发展，本轮的产业政策呈现了国家和地方两个层面互补，基础设施建设实质推动，国家部委多部门联动的特点。
在此基础上，国内的新能源汽车蓬勃发展，2014年1~9月新能源汽车累计产量达到41331辆，同比增长4倍。国内新能源汽车产业政策呈现以下游应用市场开拓为主，以税收刺激政策为辅，意在通过下游产业规模扩张从而带动新能源汽车产业突破的态势。新能源汽车产业政策还呈现两大特点：一是新能源汽车发展战略成为节能环保大战略的重要组成部分。二是各地方新能源汽车政策和措施进一步细化，产业进入实质启动阶段。
新能源汽车已经成为节能环保大战略的重要组成部分。2013年7月，国务院常务会议提出节能环保产业成为中国产业发展的支柱产业，指出政府公务用车、公交车要率先推广使用新能源汽车，同步完善配套设施。同年9月，国务院发布《大气污染防治行动计划》，京津冀、长三角、珠三角等区域成为大气污染治理的重点区域，新能源汽车作为强化污染源污染防治的重要举措，受到各地政府的重视。同期的北京、上海、深圳等地方政府提出的新能源汽车推广计划也是基于大气污染防治行动计划目标而制定的。
伴随国家层面新能源汽车产业政策在2013年的密集推出，各地方政府陆续推出了新能源汽车推广计划以及相应的政策措施。由于本轮国家新能源汽车推广设定较高的推广门槛，客观上鼓励了有产业技术和经济基础的地方政府参与。从参与的40多个城市和地区看，深圳、上海和北京成为新能源汽车大型城市推进的领头地区。本轮的推广在地方层面还出台了很多地方政策措施，主要在私人充电桩建设、企业充电站运营等领域制定了细则和优惠政策。以商业模式创新为契机，新能源汽车发展呈现蓬勃之势。
在政策强力助推下，国内新能源汽车发展迅速，今年新能源汽车年销量肯定超过5万辆，从国外经验看，新能源汽车年销量突破5万辆的水平，市场将从量变到质变，新能源汽车有望真正走向商业化运营，以美国新能源汽车市场发展为例，2012年美国新能源汽车销量突破5万辆，2013年增长达到80%。2014年以来美国电动汽车销量持续火爆，上半年新能源汽车累计销量5.5万辆，同比增长44.5%，预计2014年美国新能源汽车销售量可以达到16.5万辆。
从目前我国各地推广应用的情况看，2014年中国新能源汽车的销量预计将会达到7万辆，即将迎来拐点。
国内动力锂电池市场格局渐成
今年国内动力锂电池的需求量将达到1.4GWh，产值规模约40亿元。
新能源汽车销量向好拉动了国内动力锂电池需求快速增长，多方预测今年新能源汽车销量有望达到7万辆，按照单车平均配备20kWh计算，今年国内动力锂电池的需求量将达到1.4GWh，产值规模约40亿元。
目前中国动力锂电池主要生产企业有：比亚迪股份有限公司，2014年年初产能1.6GWh左右，年底前产能有望再扩大3GWh，产品为磷酸铁锂电池，2014年上半年，公司新能源汽车业务实现收入约27.48亿元，同比增长1216.67%，占集团总收入的10.29%，拉动动力锂电池需求约0.37GWh；天津力神电池股份有限公司，动力电池年产能约0.7GWh，目前也在寻求产能扩大，公司主要客户有康迪、众泰、江淮等，2013年公司总营业收入31.5亿元，2014年上半年公司动力锂电池出货量约79.7MWh；合肥国轩高科动力能源股份公司，是目前国内唯一一家仅从事动力锂电池业务的企业，公司产能0.32GWh，目前公司主要客户为南京金龙、江淮等，2013年公司营业收入7.34亿元，净利润2.21亿元，2014年上半年营业收入3.52亿元，净利润6981.19万元，2014年上半年公司动力锂电池出货量约0.11GWh左右；东莞新能源科技有限公司，目前公司动力锂电池产能约0.6GWh，主要为北汽、宇通等供货，2013年公司动力锂电池销量约95.9MWh，创造销售收入约3.4亿元，2014年上半年公司动力锂电池销量约0.1306GWh。
三元材料成未来重点开发产品
磷酸铁锂电池稳定性高、价格便宜，但能量密度提升空间有限。
从市场用量、技术的成熟度等方面看，目前国内动力锂电池以磷酸铁锂正极材料的锂电池为主，该材料具备稳定性高、安全可靠、价格便宜、技术成熟等特点，但是理论能量密度提升空间有限，最大为150Wh/kg。
从国内主要动力锂电池企业的产品情况来看：比亚迪一直以来坚持磷酸铁锂电池路线，电池单体能量密度达到130Wh/kg以上，基本接近理论极限，公司也在积极开发能量密度更高的磷酸铁锰锂材料新型动力锂电池；天津力神产品以磷酸铁锂电池为主，目前在小批量生产三元材料动力锂电池；国轩高科一直以来也是坚持在做磷酸铁锂动力锂电池，主要为江淮汽车iEV系列纯电动汽车配套，不过公司也开始在进行三元材料动力锂电池方面的开发工作；ATL、哈尔滨光宇电源股份有限公司、深圳沃特玛、中航锂电(洛阳)有限公司等的产品也都主要是磷酸铁锂电池，不过也都纷纷开始关注三元材料动力锂电池的开发，其中中航锂电也开始小批量生产三元材料动力锂电池。
由于市场比较看好三元材料动力锂电池，作为国内唯一一家仅做三元材料动力锂电池的波士顿电池有限公司，今年上半年公司获得了大量的订单，但公司椭圆形的电芯结构设计，与松下的18650圆柱电池、比亚迪的大型方壳动力锂电池等主流电池形状不同，赢得整车厂普遍认可存在一定难度。
未来在动力电池方面除三元材料将作为重点开发产品之外，为提高电池的能量密度，还将开发高能量密度的富锂锰基正极材料、高电压电解液、硅-碳负极材料、石墨烯材料等材料。
三元材料动力锂电池主要有镍钴铝酸锂电池、镍钴锰酸锂电池等，优势是高温稳定性好，抗电解质腐蚀性好，理论能量密度180kW/kg以上，但产品安全性、一致性方面有待提升。
这车能跑多少公里啊？”“充一次电要多长时间？”“电池是否安全？”
近日，在北京的一家新能源汽车4S店里，前来买车的一家人围着销售经理刘利不停地问着自己关心的问题。“现在大家在买新能源汽车时，询问最多的就是有关续航里程、充电时间、冬天好不好充电的问题。”刘利说。
动力锂电池已经成为电动汽车性能对比的标杆。然而，很多人不知道，决定锂电池性能的关键是正极材料。
“正极材料才是动力锂电池最为关键的原材料，它的性能直接决定了锂电池的主要性能指标，在总成本中占据30%以上的比例。”北京当升材料科技股份有限公司副总经理陈彦彬告诉记者。
长期以来，缺乏高性能的正极材料是我国新能源汽车及其动力锂电池产业发展的“痛点”。作为国内专注于锂电正极材料研发的上市公司技术创始人，陈彦彬率领研发团队于2014年在国内率先开发成功并量产的车用动力锂电正极材料，其具有比容量高、循环寿命长、压实密度高、低温性能优异等四大性能优势，相应的动力电池单体能量密度达到230Wh/kg，循环寿命达到4000次，低温充放电性能优势也十分突出，已成为国内外高端电动车用动力锂电池的首选正极材料。在2017年度北京市科学技术奖评选中，该项目荣获二等奖。
高镍型高能量，电动汽车长续航
据了解，目前已经商业化应用的锂电池正极材料包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和NCM(镍钴锰)三元材料等产品。国内电动汽车发展初期，动力电池由采用磷酸铁锂正极材料的电池主导，虽然这种正极材料制作的电池的循环寿命较好，但能量密度比较低，这就导致电动汽车的续航里程相对较短。
“能量密度、循环寿命、高温存储稳定性、低温特性、安全性、成本是动力锂电池的几项关键指标。”陈彦彬说。
随着乘用车对长续航里程的需求越来越迫切，必须开发更高能量密度的锂电池正极材料。
“高镍三元材料可以显著提升锂电池的能量密度,在单位体积或单位重量的电池中可储存的电量更多,因而逐渐成为乘用车动力电池市场的主流。”陈彦彬说，从技术角度来看，三元材料能量密度、输出特性、循环寿命、存储稳定性、安全性等主要性能指标相对而言比较均衡，因此是未来动力电池正极材料的主流方向。
与常规三元材料NCM111、NCM523相比，NCM622比容量高，用其制作的电池能量密度可达到230Wh/kg以上。
“更高镍含量的NCM811和NCA尽管能量密度高，但制备难度大、生产成本高、安全风险大，目前主要用于小尺寸的圆柱电池（5Ah以下），应用于大型的方形电池和铝塑膜软包装电池（50Ah以上）还面临诸多的技术挑战。”陈彦彬说，“因而NCM622是当前乃至未来几年内高端大型动力电池的首选正极材料。”
相关资料显示，2018年大众、宝马在其配套的动力电池选择上，采用了高镍NCM622，未来会采取更高镍含量的三元材料。动力电池企业中，包括松下、LG、SK、三星等国际企业都在向高镍三元材料动力锂电池进军。
在国内市场，无论是北汽新能源、比亚迪、吉利、众泰等主流电动车企，还是宁德时代、孚能、卡耐、捷威动力等主流的动力电池企业，都在加大高镍三元电池的开发和应用。
“从未来市场趋势来看，电池单体的能量密度要达到280Wh/kg，甚至300Wh/kg以上，所以高镍三元材料的应用将会成为一个长期的主流趋势。”陈彦彬说道。
攻难关破瓶颈，掌握关键技术
然而，NCM622材料的开发并不容易。
“做高能量密度的三元材料，通过高镍化或者提高工作电压，把能量密度做上去很容易，但是它的循环寿命、高温存储特性会比较差，同时它的安全风险也在加大，要解决这些问题的技术难度很大。”陈彦彬说。
目前国际上只有少数技术领先的公司进行了动力锂电高镍三元NCM622的开发，现在也仅有三五家实现量产。国内大部分公司开发的NCM622材料碱性杂质含量高、循环性能差、热存储稳定性差，尚不能用于高端动力锂电池的生产。
“对三元材料来讲，很大的一个问题就是因团聚体颗粒的断裂、粉化所产生的‘孤岛’不能参与充放电过程，形成的裂缝新界面还会发生更多的副反应，这些会导致锂电池综合性能的下降。要想有稳定的颗粒结构和优秀的综合性能，就要从前驱体开始进行全流程系统设计。”陈彦彬说。
陈彦彬带领研发团队，系统开发了高镍材料制备的诸多关键技术，包括前驱体沉淀技术、烧结工艺、掺杂技术、表（界）面协同修饰技术，增强了颗粒体相结构、表面与内部界面稳定性，使材料的循环寿命、存储性能和安全性有一个大幅度的提升。
通过对关键工艺技术的不断改进，陈彦彬带领团队攻克了高镍三元材料产品的众多行业关键难题，建立了一整套处于行业领先水平的产品设计及其清洁高效制造技术。
首先采用硫酸盐体系连续法合成一定规格的高密度球形前驱体，所得的前驱体具有特定的粒度分布，良好的球形度、结晶度、内部结构和颗粒强度，有利于制备综合性能优异的三元材料。
进一步，将前驱体与碳酸锂通过高效混合设备快速混合，在一定的烧结温度曲线以及气氛条件下进行高温烧结，使锂盐与前驱体充分接触并完全反应。烧结料经过粉碎、分级，制备出微米级的超细粉体，再经过多元素、多物相的表（界）面协同改性处理，大幅提升了材料的稳定性，有效抑制了电解液在正极表面的氧化分解和对正极材料的侵蚀溶解等副反应，达到提升材料结构稳定性和化学稳定性的目的，最终制备出综合性能优异的NCM622材料。
对于企业而言只有将实验室的研究成果产业化才能实现其商业价值。当升科技的研发团队通过不断优化改进制备工艺技术及设备，率先设计并建立了全自动大产能全密闭的前驱体清洁高效生产线和正极材料生产线。
“这是国内首条大产能、自动化、无断点、全密闭的前驱体生产线和正极材料生产线，设备流程采用立体布局，最大程度的利用重力作用来减少物流成本和人工；碱液、洗水实现了梯次利用，生产单耗大幅度降低；烧结窑炉单线产能比原来翻了倍，单位产品的能耗、人工等大幅度降低。”陈彦彬说。
工程化产业化，成果转化促发展
我国锂电正极材料行业从起步到现在才不过十余年的时间。在锂电正极材料的制备技术方面，整个行业的技术水平不高。
项目团队所研发的高能量密度NCM622正极材料，实用电池的常温充放电寿命可达4000次以上，远高于国际同行2200次的水平，高低温性能、安全性也大幅提高，该产品在2014年研发成功并出口国际高端锂电市场，并在中高端电动汽车上大规模应用。
该项技术的产业化不仅满足了高端锂电材料的市场需求，同时也推动了国内锂电正极材料工艺技术从传统制造向清洁高效自动化智能化的方向发展。目前，当升科技已拥有国际前十大锂电客户，是全球同时向中、日、韩高端锂电池企业提供高品质锂电正极材料的两家供应商之一，对促进行业整体水平的提高起到了示范引领作用。
项目的研发历程也是近年来北京市高新技术企业科技创新的一个缩影，在北京市“10+3”高精尖产业发展政策的指引下，这些科技型企业紧密结合首都发展新形势和产业发展新趋势，把技术创新作为发展战略的核心，不断增强创新能力和核心竞争力，为北京建设具有全球影响力的全国科技创新中心贡献了重要力量。
