全球动力电池企业当前技术现状与规划

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全球动力电池企业当前技术现状

1.1. 电池形态:形态各异,各有优势

LG化学和SKI:在动力电池在封装方面,都采用叠片式软包设计。软包锂电池与圆柱、方形电池之间的最大区别之处在于铝塑膜,这是软包锂电池比较关键、技术难度较高的一个环节。软包电池主要有安全性能好(软包电池在结构上采用铝塑膜包装,发生安全问题时,软包电池一般会鼓气裂开,不会爆炸)、重量轻(软包电池重量较同等容量铝壳锂电池轻10%-20%)、内阻小、循环性能好、设计灵活(外形可变任意形状,可以更薄,可根据客户的需求定制,开发新的电芯型号)等诸多优点。软包电池的缺点主要是一致性较差,成本较高,容易发生漏液,技术门槛高。

三星SDI和CATL:在动力电池封装方面主要以方形为主。方形硬壳电池能够生产大容量单体电池。此外,方形电池壳体多为铝合金、不锈钢等材料,内部采用卷绕式或叠片式工艺,对电芯的保护作用优于于软包电池,电芯安全性相对圆柱型电池也有了较大改善。方形电池的不足之处在与型号较多,工艺难以统一。目前方形电池到模组的成组效率可达到88%,高于软包、圆柱电池的成组效率。三星SDI除了生产方形电池外,还生产18650和21700规格的圆柱电池,主要应用于消费类电池领域。同样,CATL除了主打的方形电芯,2018年也在小批量供应软包电池,CATL的单体容量规格较多,主要有37Ah、43Ah、51Ah、72Ah、148Ah、153Ah等。与三星SDI相比,CATL通过加大电芯厚度来提升电芯容量,从而在一定程度提高其能量密度,然而CATL在电芯的制造工艺、模组集成轻量化方面较三星SDI稍差。

松下动力电池:采用的是NCA正极材料,由于NCA正极材料在充放电过程中容易产气的特性,电芯封装以圆柱为主。圆柱形电池的优点主要有生产工艺成熟,产品良率高,有如18650、21700等统一规格型号,整体成本有优势。然而圆柱形电池缺点也比较明显,NCA圆柱形电池由于安全性较差,需要配备非常好的热管理系统,模组以及PACK集成难度大,能量密度利用率较低。另外,除了供应特斯拉的圆柱形电池外,松下还给其它车企供应方形电池,主要配套HV/PHV 车型,对于HV/PHV车型,主要向高输出功率/高容量进行突破,对于BEV车型,则向高能量密度进行突破。

总体来说,软包、圆柱、方形三种形态的电芯中,方形电芯在模组集成过程中难度最小,模组也便于电池PACK的布置集成,大容量电芯便于简化电池管理系统的复杂度,同样易于设计电池PACK的热管理系统。

1.2. 化学体系:高镍三元,大势所趋

LG化学:目前软包动力电池主要以正极采用NCM622掺杂LMO、负极采用石墨、涂覆隔膜的化学体系,以后正极材料会发展为712体系。NCM811体系的电池主要以圆柱为主,用于电动巴士上。

三星SDI:目前的动力电池同样以正极NCM 622+石墨负极的化学体系为主,也量产NCA+LMO的正极材料,目前三星SDI的单体锂离子电池产品系列比较齐全,标准产品包括高能量的BEV(纯电动)60Ah、94Ah电池,PHEV(插电式混合电动车)26Ah、37Ah电池(26Ah会逐渐被37Ah取代),HEV(混合电动车)5.2Ah、5.9Ah电池,以及与超级电容器结合应用于低压系统(LVS,low voltage system)的高功率电池(4.0Ah、11Ah)。

松下电池:松下目前的圆柱形动力电池主要为NCA+硅碳负极的化学体系。根据A2Mac1实测数据,特斯拉采用的松下圆柱形电池型号从Model S、Model X的18650逐步过渡到Model 3的21700,NCA正极材料配比由Ni:Co:Al=0.82:0.15:0.03升级为Ni:Co:Al=0.9:0.05:0.05,镍的含量进一步得到提升,钴的含量降至0.05%,极大地降低了电池的原材料成本,领先于NCM的811化学体系。

SKI电池:SKI目前的软包电池正极材料主要为NCM622为主,在2019年应该发展为NCM811混合体系,2020年发展为100%比例的NCM811体系,2021年以后预计Ni的含量将达90%。负极材料目前采用石墨,预计2021年后采用硅碳负极。

CATL:目前CATL的方形电池正极材料主要为NCM523为主,在2019年应该发展为NCM811体系。负极材料目前主要采用石墨,预计2020年后采用硅碳负极。

1.3. 成组效率:方形最优,圆柱最难

LG化学与SKI:目前软包电池虽然单体能量密度比方形电芯高,但是在成组效率方面较低,目前能量密度转化率预计在80%左右。

三星SDI与CATL:电芯由于采用的是方形电芯形态,成组效率较高,电芯至模组最高的能量密度转换效率可高达90%。

松下电池:单体能量密度高,但是由于单体数量众多,需要众多结构辅助件,系统集成难度较大,电芯至模组和电池包的集成效率较低。18650升级为21700,单体使用数量减少,一定程度上提高了集成效率。特斯拉Model 3有两种规格模组,能量密度转化效率高达84%。Model X(90kWh版本)的电池包由7104个电芯96S74P组成,能量密度148.4Wh/kg,集成效率为60.41%;Model 3的电池包由4416个电芯组成,能量密度167Wh/kg,集成效率为64.2%。

1.4. 能量密度:松下领跑,三星较慢

LG化学:电芯能量密度在250Wh/kg左右,体积能量密度在530Wh/L左右,可以满足整车400km的续航里程需求。

三星SDI:在能量密度的提升上,和国内通用的以Wh/kg所不同,所采用的标准是Wh/L,三星认为对于乘用车来讲,Wh/L其实意义更重要。目前,三星的第3代动力电池能量密度是在550Wh/L,相当于210-230Wh/kg,已经实现量产。

松下:根据A2Mac1实测数据,在单体容量上,松下由NCR 18650B型号的3.2Ah提升至21700NCA型号的4.8Ah,电压平台由3.6V提升至3.7V。随着单体容量和单体电压的提升,能量密度由NCR 18650B的245.1Wh/kg提升至21700NCA的260Wh/kg,后续可以提升到300Wh/kg,在体积能量密度方面21700远高于18650,经计算可知松下的21700电芯体积能量密度高达732Wh/L。

SKI:在2018年量产的64Ah规格的软包电芯能量密度可达260Wh/kg,体积能量密度可达540Wh/L。

CATL:目前量产的153Ah规格电芯能量密度可达217Wh/kg,体积能量密度可达510Wh/L。

1.5. 循环寿命:圆柱电芯寿命低于软包方形电芯

LG化学具有较好的循环寿命,能到达到2000次循环,三星SDI的动力电池循环寿命可以达到1500次,松下的18650电芯循环寿命约500-1000次。

CATL的523体系动力电池电芯循环寿命可以达到1800次,与韩国企业的寿命指标较为接近,日本的电池循环寿命显著偏低。

国内外技术相近,CATL不惧竞争:从电池形态、化学体系、成组效率、能量密度和循环寿命等五个维度对LG化学、三星SDI、松下、SKI、CATL的动力电池进行综合对比,CATL以NCM523体系的正极材料做出与三星SDI能量密度相近的产品,某些产品甚至高于三星SDI,循环寿命同样具有一定的竞争优势。考虑电芯至模组的成组效率,CATL与LG化学、SKI、松下在模组层面的具有很强的技术竞争力。

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全球动力电池企业未来技术规划

2.1. 电池技术的发展路径

LG化学:LG电芯依然为软包形态,在长度上会根据整车需求考虑加长,主要有两个好处:提供电芯到模组的能量密度转化率,提到能量密度(上升约13%)。模组形式采用VDA模组和长模组形式,减去散热铝板采用软包边缘导热胶形式,提升散热性能,简化模组结构,改善电芯至模组的能量密度转化率,提升模组能量密度。2020-2022年单体能量密度将达到300Wh/kg,体积能量密度将达到700Wh/L,可以满足整车500km的续航里程需求。2023-2024年能量密度将达330Wh/kg,可以满足整车600km的续航里程需求。

三星SDI:下一代3.5代产品能量密度可以达到630Wh/L,预计在2019年量产。同时,三星还在加大力度研发第4代电池,能量密度可以达到700Wh/L,相当于270-280Wh/kg,预计2021~2022年左右量产,此后第5代电池会达到800Wh/L 相当于300Wh/kg,这个产品会在2023年以后量产。300Wh/kg已经是锂电池储能的能量密度极限,2023-2025年就需要通过变革电池创新来进一步提升,目前,三星也在做新型电池的基础研发,样品可以做出来,但距离产业化量产还比较远:在2015年,三星SDI的全固态电池试制样品已经可以达到300Wh/kg(采用硫化物类的固态电解质),至于锂金属电池、锂空气电池,三星SDI现在只是实验室开发,真正应用可能要10年之后,届时能量密度有望达到900Wh/kg,一次充电可行驶700km的目标。

松下:松下的动力电池未来发展方向主要分为两大类,方形电池主要应用于高功率输出的HV和PHEV领域,圆柱电池主要应用于高能量密度的EV领域。并且会通过进一步优化镍钴含量比例,开发继续引领高能量密度优势的新型材料。发展新的结构电池单体以提高其安全性和容量。

SKI:SKI在2019年正极材料体系将由NCM 622升级为掺杂NCM 811的NCM 622体系,负极材料在2021-2022年将由石墨升级为硅碳负极。产品规格将包括63Ah、70Ah、75Ah、80Ah、86Ah、90Ah等,使用寿命方面将保证10年24万公里,快充方面将10min可满足100km的续航里程需求。2020年的能量密度目标为284Wh/kg,2021年的能量密度目标为294Wh/kg,2022年能量密度有望达到314Wh/kg,随着硅碳负极的使用在2023年能量密度将达到319Wh/kg。

CATL:CATL未来的技术发展趋势可以从材料体系、电芯、模组、PACK等几个方面分析。

材料体系方面:CATL目前的正极材料主要为NCM 523,在2019年底有望量产NCM 811体系电池,正极材料除了往高镍方向发展,CATL一直致力于高电压平台的正极材料研发,并有望在2020年后量产且改善电芯的能量密度;同时,在2020年左右CATL会采用硅碳负极材料以提升负极的理论能量密度从而提高电芯的能量密度;电解液通过优化配方并添加新型添加剂,使其耐高压性能、热稳定性能更好;隔膜主要采用涂覆湿法隔膜。

电芯方面:CATL目前通过加厚电芯尺寸,将单体电芯的容量做到153Ah,显著改善其单体的能量密度,未来的发展方向可能将高度由当前的108mm做到100mm以内,利于扁平的电池PACK设计,更好地便于整车底盘设计,增强车身内部的空间体验。另外,CATL在快充电芯方面积累深厚,目前已有43Ah的三元快充产品量产,最大充电倍率可达4C,即最快可以25分钟充满电量,待成本改善后,将彻底解决电动车充电速度慢的痛点。2019年电芯的能量密度将达230Wh/kg,2020-2021年电芯的能量密度将达265Wh/kg。

模组方面:为了便于电池包PACK的集成,CATL在未来将会推出标准模组外的Combo 模组、Sandwich模组和低高度模组,能量密度以及转化率都将得到显著提升。集成效率在2019年将从2018年的83%提升至86%,2020年将会达到89%-90%,2021-2022年将会达到91%-92%。

PACK方面:CATL2018年电池PACK的能量密度在150-160Wh/kg,2019-2020年能量密度将达180Wh/kg,2021年以后能量密度将达210Wh/kg。冷却系统均采用水冷方式,冷却板为口琴管形式,在2019年将会与电池包托盘集成为一体,提高集成效率。集成效率2018年在72%左右,2019年有望提升至76%,2021年有望达到80%的目标。

2.2. 材料体系的发展趋势

LG化学未来从622做到70%的镍,10%的钴和20%的锰以达到712。而NCMA是LG的一个中长期目标,通过向NCM添加氧化铝,使镍含量接近90%,钴含量低于10%。目前的情况是622软包电芯正在量产,712型正在积极开发,会在两到三年内进行大规模生产。NCM811正极材料更适用于圆柱电池,会大量生产用于电动公交车,第三代电池主要的发展方向是增加能量密度(增加镍含量),降低成本(减少钴含量)和提高充电性能(引入人造石墨负极)。

三星SDI未来采用NCA材料,因为锂离子在循环往复的使用过程中,容易在NCA表面形成一些残留,会影响它的使用寿命。三星SDI通过在NCA表面做一层金属的涂布,减少残留,提高它的使用寿命。

松下已开发出的正极材料有镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂等,并已经在规模化应用。为了解决镍氧化物带来的热稳定性低和安全方面的问题,松下在正极材料表面进行了纳米涂层处理,特别注重通过“松下固溶液Panasonic Solid Solution”(PSS)等技术提高安全性,该技术在新的正极中采用“耐热层”(HRL)技术。

SKI目前的软包电池正极材料主要为NCM622为主,在2019年应该发展为NCM811混合体系,2020年发展为100%比例的NCM811体系,2021年以后预计Ni的含量将达90%。负极材料目前采用石墨,预计2021年后采用硅碳负极。

CATL目前的正极材料主要为NCM 523,在2019年底有望量产NCM 811体系电池,正极材料除了往高镍方向发展,CATL一直致力于高电压平台的正极材料研发,并有望在2020年后量产且改善电芯的能量密度;同时,在2020年左右CATL会采用硅碳负极材料以提升负极的理论能量密度从而提高电芯的能量密度;电解液通过优化配方并添加新型添加剂,使其耐高压性能、热稳定性能更好;隔膜主要采用涂覆湿法隔膜。(信息来源:电新邓永康团队

 

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2018-12-05
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