化学电池行业深度报告:缘起,挑战与机遇(上)
2.锂电池的演进路线:性能与成本
同所有新技术一样,锂电池在解决可用性问题后,核心将围绕产品性能提升与降本两大主线开展改进升级,匹配现有动力电池市场需求的同时提高在其他行业(如储能)的竞争力。
2.1性能
电池的主要性能维度有能量密度、功率密度、循环寿命、安全等,其中安全性是电池性能的底线。各个性能的演进与下游需求高度耦合,但由于材料物化规律的限制,性能之间存在内在的提效冲突,因此便衍生出针对性提高某一性能的电池产品,如能量型/功率型等。
高能量密度:是电池演进的核心主线。电池的能量密公式可简括为=比容量A·h/kg*正极活性材料质量kg*平台电压V/总重量kg=A*V*h/kg=Wh/kg,可见一定范围内,电动势及活性物质比容量与能量密度线性相关,即电池的理论能量密度上限已由材料的理化特性决定。
一般来说,元素周期表中靠左的元素电极电位偏负,而靠右元素电极电位偏正。基于此可构造多个理论层面高电势差(比能)的电池体系。但实际上,限于单质的理化性能(常温下活性小、易挥发、毒性),往往采用对应化合物代替,实际能量密度有所下降。
锂离子电池的比能在30年内由80Wh/kg提升至300Wh/kg,逐渐靠近传统锂电材料理论极限,提效幅度边际下降。
高倍率性能:倍率C指电池在给定时间h内放出/达到额定容量A·h所需的电流A大小,如一只10A·h的电池,2C放电对应放电电流为2×10=20A,对应放电时率0.5h。倍率性能体现为不同倍率充放电时,电池所表现的容量大小、保持率和恢复能力。高倍率条件下电能充放更加迅速,但也会导致电池极化作用增强,使得电压下降,最终导致比能量降低(因此功率与能量不可兼得)。同时也对电池寿命、安全性带来挑战。
电池能量功率拉贡图(灰色为目前主要应用的锂电池)
来源:"All-solid-state lithium–sulfur batteries with three-dimensional mesoporous electrode structures", M. Nagao, K. Suzuki, Y. Imade, M. Tateishi, R. Watanabe, T. Yokoi, M. Hirayama, T. Tatsumi , R. Kanno,J. Power Sources,330, 120-126(2016)
倍率性能是车载领域的重要指标,其通过影响电池输出功率来影响最高时速、加速、爬坡及快充等性能。
为解决长时间高倍率充放对电池的负面影响,当前采取“换电模式”作为一种折中解决方式,而长期视角下还应关注开放式电池如燃料电池体系的开发。
高倍率性能落实到具体参数上,主要在正负极材料的结构尺寸、比表面积、导电性、孔隙率和电解质的传导能力、稳定性等方面,因此可以通过材料改性来改善倍率性能。
长循环寿命:电池放电至规定残余容量时所经受的循环次数,即为电池使用周期(寿命)。影响循环次数的主要因素主要有1)制造过程,包括材料选取、工艺;2)使用方式方法:包括充放电温度、电流密度、放电深度等。各种因素对电极以及隔膜在微观层面造成影响(极化、腐蚀、短路、活性物质脱落转移),进而影响寿命。
高安全性能:电池安全性受材料、工艺、系统管理共同影响。材料是安全性的基础,物化缺陷明显的材料后期很难更改(铅酸电池,锂金属电池);工艺层面,安全性受规模化生产时材料/配件加工的良率及一致性水平影响明显(加工中的极板毛刺,包覆鼓胀);系统层面体现为配套管理系统的精细化程度,以及与具体应用场景的适配程度。
2.2成本
电池成本主要由上游原材料、辅件,固定资产投入及人工运营费用等构成,在不同产业阶段降本主线不同。
产业初期,降本核心驱动为整体产业规模化降本,具体包括完善供应链,降低制造成本,降低原材料成本等,使得电池在部分领域率先开始商业化应用,并进行技术与生产经验的积累。
产业发展期,在确定的体系框架下,材料迭代推动电池进一步降本,电池性价比逐步凸显。此时活性材料成本占电池总成本的百分比较高,材料降本开始成为主要的降本驱动力,即在提高能量密度的同时,降低活性材料成本(量、价两个层面)。
产业步入成熟阶段,既有的材料降本虽在持续进行,但其边际效用逐年递减,降本主线在工艺层面展开,主要包括提高产品良率、提高产品一致性、提高制造效率以及降低制造能耗等。
另外同我国部分新兴科技产业一样,国产化替代也是我国锂电产业降本路线之一。
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