关于动力锂离子电池技术路径解析
来源：宝鄂实业
2019-06-11 20:29
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所有电池的发展都取决于两大因素：价格和性能。其中性能主要指能量密度和循环寿命。就锂电池而言，发展之初的驱动力主要依靠的是价格驱动，在现阶段以及今后将由价格驱动转向技术驱动的更高级发展阶段。这其中能量密度与安全性就像鱼和熊掌一样难以兼得。为了解决这对矛盾，在电池技术领域存在两种思路：一是在能量密度的基础上提高安全性，二是在安全性的基础上想办法提高能量密度。究竟是那种技术路径更适合市场需求，各大厂商大都持有边走边看的态度，就目前来看以能量密度为基础的三元电池路线暂时占有领先地位。
2009年之前锂离子电池电动汽车的份额较小，电动汽车主要采用镍氢电池作为动力源。随着锂离子电池价格不断下降，技术至臻成熟，新能源汽车普遍采用能力密度更高的锂离子电池作为其动力来源。2011年以来电动汽车市场的发展存在这么一条规律：车载电池组价格每下降10%，电动汽车销量增长大约在20%-30%之间。随着全球对环境问题的越发重视，可以肯定作为燃油汽车替代品的电动汽车将在各国政府的推动下迅速发展，作为电动汽车的主要部件，动力电池产业将迎来黄金时期。
动力电池与电动汽车产量
锂电池正极材料主要包括钴酸锂、镍钴酸锂、镍锰钴三元材料，尖晶石型的锰酸锂，橄榄石型的磷酸铁锂等。根据正极材料分类，发展锂离子动力电池路线主要有三条：改性锰酸锂、三元材料和磷酸铁锂。目前钴酸锂依然是小型锂电领域正极材料的主力，主要用于传统3C领域；三元材料和锰酸锂主要用于电动工具、电动自行车和电动汽车等领域，在日本与韩国其作为动力电池的技术较成熟；磷酸铁锂主要在国内的动力电池领域应用，另外还用于基站和数据中心储能、家庭储能、风光电储能等领域。
钴酸锂将逐渐被三元材料替代。三元材料综合了钴酸锂、镍酸锂和锰酸锂三类材料的优点，具有价格优势。虽然特斯拉旗下首款车型Ｒoadster 推出时使用的是18650 钴酸锂电池，但其第二款量产车型Model-S 使用的是松下定制的三元材料电池，即镍钴铝三元正极材料电池。钴酸锂电池成本高的特征在特斯拉前后两款车型的对比中表现得十分明显。Model-S 使用的电池数量达到8 000 节以上，比Ｒoadster 高出1 000 多节，但是成本却下降了30%。目前，高性能动力锂电池用NCM 三元材料已在国外大量使用
锰酸锂市占比将上升，相对于钴酸锂正极材料，锰酸锂具有原料丰富、价格低廉及无毒性等优点。层状锰酸锂LiMnO2用作锂离子电池正极材料的缺点是虽然容量很高，但在高温下不稳定，而且在充放电过程中易向尖晶石结构转变，导致容量衰减过快。锰酸锂材料的应用集中在消费类电池市场，动力电池以电动自行车电池为主。
磷酸铁锂技术发展遇到瓶颈，磷酸铁锂正极材料的低温性能和倍率放电已经可以达到钴酸锂的水平，目前同样是有希望的动力电池材料。但是受制于技术瓶颈，磷酸铁锂电池一致性和单位能量密度较低。在国内，已有较为成熟的磷酸铁锂储能系统，但目前中国磷酸铁锂材料产业化的发展仍低于发达国家的水平。
在动力电池正极材料产业领域，中、日、韩、美动力电池企业采用不同的材料体系。理论上来说，三元材料的能量密度较高但循环寿命和安全性表现均要稍差一些，而磷酸铁锂却正好相反。日韩两国致力于走三元材料路线，而中国（包括台湾地区）和美国则主要走磷酸铁锂路线。现阶段三元材料路线逐渐占上风，产业界纷纷将研发的重点转向能力密度更占优势的三元材料路线。
2012 年起，各大车企陆续上市了PHEV 、HEV及EV。与此同时，车载锂离子电池市场也开始形成，引领市场发展的正是EV 用锂电池。以日产的聆风为首，三菱汽车的i-MiEV、丰田iQ、特斯拉的Model S 和宝马i3 等配备锂电池的EV 拉动了市场对车用锂离子动力电池的需求。随着电动汽车全面投放市场，各家汽车厂商所使用的电池厂商阵容也变得丰富与明朗起来。在车载锂离子充电电池领域，除了独立厂商韩国LG 化学、三星和日立外，还有AESC、Lithium Energy Japan、Primearth EV Energy( PEVE)和Blue Energy 等与汽车厂商合资成立的车载电池公司，并已向多家汽车厂商供货。
日本电池厂商东芝的车载锂离子充电电池负极材料采用钛酸锂，具有安全性高、寿命长、低温特性出色的特点。缺点是单元的平均电压只有2.5 V左右，比以往的锂离子充电电池低1 V 以上。因此，配备200 ～ 400 V 高电压电池组的EV需要大量串联电池单元，电池行业认为“难以采用”。但实际上，该单元除了已经用于三菱汽车的i-MiEV 和MINICAB MiEV 的部分车型上，本田的“飞度EV”也已采用，因为该电池的SOC（荷电状态）即使在变动较大的范围内使用也很少发生劣化，低温特性较高、电池的极限值高等特点也适合EV 使用。
随着锂电池产品的研发与应用，各公司在电池组设计方面的思想逐渐出现差异。丰田、日产和本田等日本厂商的电池组趋于采用空冷式，并尽量简化构造从而降低成本，而欧美厂商大多倾向于采用水冷式，并以特定的小范围管理单元的充电状态和温度。其中，德国厂商表现出了使单元容量和外形尺寸等标准化，从而实现各车型通用的想法。而丰田等仍然坚持认为，不同车辆的配备空间各不相同，应该从多种单元中选择最合适的产品配备，实现单元的标准化比较难。
