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电动汽车的飞速增长 将引发全球电池技术风暴

发布日期:2018/10/11 14:30:43 点击:3226

电动汽车的飞速增长 将引发全球电池技术风暴

因应传统车厂加入电动车战局,全球五大车用锂电池厂商,无不卯足全力巩固锂、钴、镍等金属料源,同时大举扩充产能。此外,厂商也开始朝高镍三元电池与固态电池发展,未来谁能够领先群雄,谁就是电池产业的新赢家。

一场宁静革命即将开始!未来两年之内全球电动车销量可望突破500万辆,带动电池及相关零组件需求暴增;因应传统车厂加入电动车战局,全球五大车用锂电池厂商,无不卯足全力巩固锂、钴、镍等金属料源,同时大举扩充产能。此外,厂商也开始朝高镍三元电池与固态电池发展,未来谁能够领先群雄,谁就是电池产业的新赢家。

根据国际能源署的全球电动车展望,2017年全球电动和插电式混合动力汽车数量超过300万辆,比16年增加54%,预计到2030年电动车的数量将达到1.25亿辆。随着越来越多传统车厂跨入电动车领域,将促使锂电池与相关材料如(正负极材料、隔离膜与电解液)需求只增不减。日本调查机构矢野经济研究所调查报告指出,因德国自2030年起、英国和法国自2040年起将禁售内燃式引擎(internal combustion engine)车,让各家车厂将加快脚步推出电动车等环保车新车款、有望提振车用锂电池市场持续呈现增长,预估2020年车用锂电池市场规模将扩大至一1.97GWh、将较16年成长1.57倍,到2025年有望进一步扩大至254.9GWh。

当前电动车普及率无法有效加速,最大关键仍在于电池成本居高不下,锂电池当中所涵盖的钴、锂、镍等金属原料,往往易受到国际局势或人为炒作而出现波动。日前日本电池大厂Panasonic已宣布计划在2-3年内量产钴用量减至现行一半的圆筒型锂电池,可望大幅降低电池成本,进而使得电动车的车价不再是高不可攀。

为了解决成本上涨的问题,同时往高能量密度(大于200Wh/kg) 产品推进,电池芯厂积极导入镍锰钴(NCM)与镍钴铝(NCA)等正极材料,增加镍金属的使用量,相对的钴金属的比重也会逐渐降低。若按照镍锰钴的比例,三元电池又可以分为111、523、622、811等型号。由于镍主要作用为提升能量密度,目前在高镍三元动力电池领域,Panansonic几乎是独霸。 Panasonic应用在特斯拉Model 3上的圆柱型电池,透过改良高镍正极材料和矽碳负极材料的应用,使电池能量密度实现了20%的提升。根据中国工信部发布的《促进汽车动力电池产业发展行动方案》,到2020年,电池能量密度达到300Wh/kg,系统比能量达到260Wh/kg。以现有的技术条件,磷酸铁锂和622以下的正极材料是很难达到上述要求。如果要达到300Wh/kg以上的能量密度,811三元电池几乎就是唯一的选择。因此,未来因应中国更为严苛的电池标准,电池相关厂商势必要朝高镍三元电池发展。

然而,高镍三元电池也对电解液带来了巨大的挑战。高镍三元正极的吸水性强、稳定性低,在高温条件下镍元素的催化作用会加速电解液的分解,使电解液氧化,而产生裂缝并且溶出的锰、钴等过渡金属离子还会破坏负极上的SEI膜,致使在高温环境下电池的容量、回圈和安全性都受到严重影响。

电解液主要由溶剂、六氟磷酸锂与添加剂三部分所组成,虽然电解液占锂电池成本约一成左右,但却是不可或缺的关键材料,其主要作为带动锂离子流动的载体,对电池的容量、工作温度范围、循环效率和安全性能等相当重要。目前中国厂商为全球电解液主要供应商,产量市占率高达六成,其中,以新宙邦居领导地位。日前新宙邦更斥资120万美元收购巴斯夫(BASF)在欧美地区的电解液业务,预计十二月完成交割。过去以来,新宙邦自主研发添加剂,目前自制锂电池电解液添加剂种类超100种,如今已是LG化学与三星SDI主要供应商。

当前锂电池最大问题还是在于安全性,因为锂电池里头要有让锂离子能够于其中游走导电的液态电解液,电极浸于其中,并用隔离膜隔开,这种构造的问题在于,不断充放电循环之后,电解液体与固体的交界会发生结晶,导致电池效能下降,甚至可能因结晶刺破隔离膜,造成电池内部短路起火。对此,近来不少厂商开始着手发展固态电池。由于全固态电池的正极、负极、电解质全为固态,因此不用担心液体外漏、安全性很高,且仅需数分钟时间就可充好电、远优于现行锂离子电池的数十分钟,加上具备大容量化特性,因此充饱一次电可行驶的距离有望提升。尤其,能量密度可以高达350500Wh kg,比起三元电池是二倍的跃升。

目前包括丰田、大众、通用等车厂,以及欧洲四家电池公司Saft Batteries、Siemens、SolvayManz AG已于今年二月组成联盟,联手开发高密度液态电解质锂离子电池以及固态电池。此外,日本三菱化学计划在2020年前研发全固态电池关键材料固态电解质。不过,固态电池目前仍遭遇一些技术上的难题,例如固态电解质制程良率过低,使电极与电解质之间的介质阻抗过高,影响整体电池的效能,成为当前相关厂商必须克服的难题之一。

 


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