新能源汽车动力电池技术路线与市场应用

联合卡车新能源项目组2017年6月新能源汽车动力电池技术路线与市场应用报告摘要：我国从2001年开始，经过10多年的发展，新能源汽车动力电池技术路线已呈多样化发展态势，其主流技术路线为磷酸铁锂电池和三元锂电池。锰酸锂电池和钛酸锂电池作为非主流技术路线仅应用于特定领域。磷酸铁锂电池发展较早，技术成熟、安全性高、电池系统成本相对低廉，在乘用车和商用车领域（尤其是大中型客车）应用广泛。但由于电池能量密度的提升已至极限，正逐渐被三元材料的锂电池取代。三元材料锂电池（是指正极材料使用镍钴锰酸锂（Li（NiCoMn）O2），负极是石墨的锂电池。三元复合正极材料前驱体产品，是以镍盐、钴盐、锰盐为原料，里面镍钴锰的比例可以根据实际需要调整。）能量密度高，循环性能好于正常钴酸锂。目前，随着配方的不断改进和结构完善，电池的标称电压已达到3.7V，在容量上已经达到或超过钴酸锂电池水平。未来正全面取代磷酸铁锂电池在乘用车领域的配套应用，并逐渐向商用车（重点为城市物流车、市政作业车等中小型专用车及货车）领域渗透，挤占磷酸铁锂电池的市场份额。钛酸锂电池因其具有的快速充电性、使用寿命长、良好的低温启动性和安全性高等特点，在市场上的应用主要以公交领域、短途物流配送、市政作业等固定线路运输为主。此外在储能市场及相关工业领域也有应用。从2015年始，动力电池技术路线的争论一直没有停歇，从而形成多种技术路线并行实施的局面，从政策层面看，国家并未明确表态侧重何种动力电池技术路线，但高能量密度低成本动力电池已成为重点发展方向。每类电池都有优缺点，没有最佳，只有更佳，关键是找到合适的市场定位，不同的品质、不同的规格适应不同的需要。对于电厂家来说，不断提高产品性能、可靠性、寿命，不断降低成本，这样才能在市场上立足。每一类电池都有其合适的应用市场。比如乘用车的电池重量和体积都受很大限制，对续航里程有更高的要求，所以适合用密度能量高的材料（如三元锂电池）；客车、长距离物流车对电池重量体积要求不那么突出，价钱便宜、可用性高、寿命长的电池就是很好的选择（如磷酸铁锂电池）；对于有固定路线的公交系统而言，更适合采用充电速度快、循环充放电次数高的钛酸锂电池。发展高能量密度动力电池体系已经成为国际主流趋势。三星、LG和松下则早已将三元材料作为主攻方向。近两年不少整车厂和零部件巨头也意识到电池的巨大发展前景，通过入股或收购的方式在电池领域进行布局。目录一、动力电池技术路线对比分析二、动力电池产业格局与市场应用三、新能源汽车政策引导一、动力电池技术路线对比分析—新能源汽车动力锂电池种类锂离子电池可分为磷酸铁锂、三元锂（即镍钴锰酸锂）、钴酸锂、镍酸锂、钛酸锂、锰酸锂等多种类型。目前在国内市场上的新能源汽车车主要采用磷酸铁锂电池和三元锂电池，而随着银隆新能源的强势崛起和珠海格力进军汽车产业，钛酸锂电池在其公司产品的应用也引起行业新的关注。—动力电池技术路线“唯一”技术路线未确定，多种技术路线并行实施锂离子电池按照正极材料体系的不同可以分为磷酸铁锂、锰酸锂、三元材料、镍酸锂等多种技术路线，动力锂电池一般按正极材料体系来划分。按负极材料的不同可以分为碳系、钛酸锂动力电池等。碳系仍为目前的主流路线。一、动力电池技术路线对比分析—动力电池技术路线“唯一”技术路线尚未确定，多种技术路线并行实施目前，锂离子动力电池大多使用磷酸铁锂、锰酸锂与碳负极复配等主流技术路线。其中，中国选择磷酸铁锂安全性优异作为主流路线。磷酸铁锂有较好的循环稳定性能，成本也比较低。其理论能量密度大概在160Wh/kg，几乎到达了能量密度的天花板。比如掺杂一元或者多元的离子之后，获得了更高的容量，1C放电比容量超过120mAh/g。然而材料的稳定性、安全性、材料成本、加工工艺的复杂化等一些列的问题，仍待解决。在电动乘用车领域有逐步被高能量密度的三元材料取代的趋势，虽然磷酸铁锂在安全性方面有保障。2016年年初，工信部出于对动力电池安全问题的考虑，明确表示暂停三元锂电池客车列入新能源汽车推广应用推荐车型目录，因为三元材料动力锂离子电池与磷酸铁锂动力锂离子电池相比，存在较大的安全风险，用于客车的安全性开发和验证还不够，一旦发生事故，可能带来严重后果。综合来讲，在目前形势下，动力锂电池本身技术路线尚未确定为产业的发展带来了多种可能性。【三元材料和磷酸材料的区别与对比：三元锂电池能量密度高于磷酸铁锂电池，磷酸铁锂电池安全性更高。单从材料性能上对比，三元材料具有很大的优势，特别是比容量和压实密度。磷酸铁锂克比容量理论最大值170，155基本上是磷酸铁锂的上限，目前唯一能够实现技术突破的也就是压实密度，目前还没有实质性的进展。标准电压的差距（三元和磷酸铁锂18650电芯的比较（以某前十名公司电芯做比较））短板也无法改变。三元电芯基本容量在2200mAh左右，LFP电芯在1500mAh，比LFP电芯高出45%，基本上可以说在18650电池上，LFP电芯没有任何优势。LFP电芯循环次数是三元电芯的三倍，三元电池循环次数能够达到800-1000。三元和LFP其他动力电池比较：对于电动汽车电池比较重要指标是重量，空间和安全性。单位重量情况下，容量比较：LFP电芯：容量/重量=50/1.46=34.2Ah/Kg三元电芯：容量/重量=42/0.86=48.8Ah/Kg单位容量比：（48.8-34.2）/34.2=42.6%，从单位容量来看，三元比LFP高出42.6%。安全性问题：从物理化学性能上来看，LFP材料比三元材料更安全，这个不可否认，但即使在安全问题，不仅仅是正极材料问题，包括电解液，隔膜，PACK，BMS整车都存在着一定的安全问题。而且，国外三元材料电池在新能源汽车上使用量远高于磷酸铁锂电池。】正极材料比容量工作电压（V）标准电压（V）使用压实密度三元材料（523）160-1702.8-4.23.653.3磷酸铁锂145-1502.5-3.63.22.2-2.5一、动力电池技术路线对比分析—动力电池技术路线动力锂电池三大技术路线并行从技术现状来看，日本、韩国的企业基本以三元、锰酸锂或者其混合材料作为动力电池首选正极材料，而中国企业大规模地采用磷酸铁锂。锰酸锂系（LMO）主要采用LMO作为正极材料，但一般经过改性处理，并混合少量NCM或LNO提高电池能量密度，主要代表厂商是LGC、AESC、LEJ等，在中国主要是中信国安盟固利，目前已成为全球电动汽车领域的主流技术路线。三元材料系（NCA/NCM）主要采用NCA和NCM作为正极材料，NCM电池能量密度高，但成本高于LMO电池，主要代表厂商是SDI、SKI，在中国主要是力神、万向等；NCA采用18650型电池，主要应用于特斯拉，能量密度在目前是最高的，但由于安全性能较差，需要先进的BMS以监控电池工作状态，并未被广泛采用。磷酸铁锂体系（LFP）美国和加拿大最先开始研发的磷酸铁锂材料技术，专利主要拥有者包括美国Valence、A123、加拿大Phostech和魁北克水电公司。目前中国众多的动力电池厂商采用LFP技术，代表厂商BYD、国轩高科、沃特玛等，在中国和美国推广使用。目前美国汽车厂商也放弃LFP电池，转而采购日韩厂商生产的锰系电池。国内三元系替代磷酸铁锂系在已开始在乘用车领域发力国内锂电企业纷纷开始导入三元材料体系的动力电池，ATL已为宝马开发三元的动力电池，力神、中航锂电、万向等主流动力电池企业也开始采用三元动力电池用于电动乘用车，北汽的E150二代也开始转配SK生产的三元动力电池。作为一直力挺磷酸铁锂无论在材料和新能源汽车上的龙头企业，比亚迪宣布，公司未来的插电式混合动力汽车将尝试使用三元电池。（其新能源车型“唐”已开始应用三元锂电池）一、动力电池技术路线对比分析—动力电池技术路线钛酸锂动力电池及其特性钛酸锂也被称为“零应变材料”。这种性质对电极材料来说具有重要的作用，能够避免充放电过程中由于材料的伸缩变化而导致结构发生变化，从而提高电极的性能和减少比容量的大幅度衰减，延长了电池的使用寿命。钛酸锂电池具备的优势有：不易产生SEI膜，安全性极好：石墨电池的碳负极在首次化成电极表面时，电解液与碳负极表面形成SEI膜（表面膜），容易消耗电解液且稳定性差，但钛酸锂电池电位较高使得几乎不形成SEI膜，从而改善了电池稳定性，此外锂枝晶在钛酸锂表面也难以生成从而消除了短路的可能性，安全性大为提升。使用寿命长，循环次数达到3万次，是常规电池10倍以上：钛酸锂（Li4Ti5O12）采用的是尖晶石型结构，锂离子在嵌入或者脱出时晶体体积变化小于且结构稳定，从而减少循环所带来的衰减且保障较长使用寿命；循环次数可达3万次意味着其使用寿命超过10年以上，能较好满足具有耐用消费属性乘用车的使用要求以及商用储能要求。耐宽温度，-50℃~+60℃下充放电良好，尤其适合北方城市：钛酸锂电池在-50℃~+60℃温度下均能实现良好的充放电性能，温度范围广，使其能更好的适应在北方冬天工作。充电时间速度快，适合快充快放环境：钛酸锂离子扩散速度远高于石墨，一次完全充电仅需6~10分钟，充电时间是常规电池的十分之一不到，使其续航能力优势极为明显。钛酸锂电池存在的劣势有：能量密度较低，未来有待提升：钛酸锂电池最大不足之处是能量密度较低，但第四代钛酸锂电池技术能量密度已提高40%，可实现90wh/kg的能量密度，与三元及磷酸铁锂差距进一步缩小。当前量产企业少，成本有待下降：由于钛酸锂材料成本较高，加上当前产业化应用还不够广泛，导致其均价高于磷酸铁锂及三元，据测算，钛酸锂电池均价超过普通锂电池1~2倍左右，但伴随着钛酸锂电池技术持续改进及产业化应用加强，后续成本将呈现明显下降趋势。一、动力电池技术路线对比分析—动力电池技术路线钛酸锂动力电池及其特性总的来说，钛酸锂电池由于负极结构的改变，其与传统以石墨为负极的锂电池性能有极大不同。从短期来看，虽然其能量密度低且成本较高，但是其超长的使用寿命使得其在全生命周期中的平均使用成本相对较低，同时快充快放的模式使其适用于固定路线（例如公交车、通勤车）电动车上，并可通过节省整体安装电池容量降低成本；此外耐宽温属性也使其在北方城市使用相对优势明显。从长期看，随着技术进步、产业化应用所带来的能量密度提升，以及材料、工艺成本下降，钛酸锂电池以其高安全性、循环使用长优势，应用范围有望逐步扩宽，未来在乘用车、物流车、商用储能等领域应用均值得期待。钛酸锂动力电池应用及进展钛酸锂动力电池在市场上的应用主要以新能源客车和公交领域为主，除此之外在储能市场及相关工业上也有应用。目前上能够批量生产钛酸锂电池的企业并不多，国际上以日本东芝和Altairnano为代表，国内以湖州微宏和河北（武定）银隆为代表。日本东芝研发的SCiB超级锂电池，即高功率钛酸锂锂离子动力电池，容量在快速充放电条件下充放电循环3000次后衰减不到10%。以一定的大电流进行快充，能在5分钟内充满90%以上的容量。并且具备优异的低温放电性能，使得电池在零下30℃仍可放出80％以上的容量。SCiB电池有着快速充电和长寿命的优势，主要用于电动摩托、电动汽车及汽车启停电池上。美国EnerDel公司研发的5Ah混合动力车用钛酸锂动力电池，正极使用尖晶石锰酸锂材料。在50C倍率下连续放电可以放出95%以上的电池容量，同时电池的温度不到35℃。在零下30℃的环境里，以1C倍率放电仍可放出90%以上的容量。在55℃的高温下，即使在5C下进行1000次的100%DOD充放电循环，仍然保持95%以上的容量，显示出优异的循环寿命性能。美国Altairnano公司在钛酸锂电池上拥有其独特的核心技术。开发的10Ah高功率锂电池以钴酸锂材料为正极，10C下的100%DOD充放电循环寿命高达2万次以上。优异的低温放电性能使得电池在零下40℃的低温下可以放出60%以上的容量。电池的热稳定性能高，即使在240℃的高温下放置30分钟后没有冒烟、不发生着火爆炸。为美国加州提供的混合电动巴士于2008年投入运行至今，其燃油经济性指标远远高于普通柴油