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“无钴”电池真的能无钴吗？
1无钴是否可行？随着新能源汽车的快速发展，整个行业对锂Li、镍Ni、钴Co金属的需求会进一步增加，但是对于金属Co来说，全球矿藏储量非常有限，且集中分布于常年局势不稳的非洲国家刚果，学术界及产业界一直试图弄清楚Co在三元材料中的最低含量界限在哪里，尽量降低新能源汽车行业对金属Co的依赖。三元体系中，不同的元素在对材料的理化性能意义也不同。三元材料鼻祖J. R. Dahn认为目前还没有确凿的证据清楚地表明镍含量高（例如，当1-x-y>0.9）的NCA中需要钴。Al、Mn或Mg等元素对于结构稳定性和热安全性等同样具有改善作用。但是我们认为，钴元素可以起稳定材料结构的作用，Co含量增加能有效减少阳离子混排，降低材料阻抗值，尤其对于提高材料电子电导率，改善倍率性能、降低电芯内阻等有其不可替代的作用。“无钴化”的方案包括：用其他有类似作用的元素替代钴；多个材料体系耦合；使用阴离子氧化还原对；精细调控高镍材料等。“无钴“是一个重要的研究目标，但也需要注意性能指标。钴元素在三元材料中短期内无法完全消除替代。除此之外，新能源尤其动力锂离子电池行业发展过程中对其他无钴材料也保持持续的关注和应用。如中国科学院院士欧阳明高所说，动力电池有三个发展趋势，第一是在材料和体系方面创新，从有机液态电解质，到无机的固态电解质；第二是借助智能制造、回收和人工智能，发展智慧电池；第三，是在设计和产品工程方面创新。不管是哪一趋势最终都对无钴材料有着深远影响：电解液抗氧化能力的提高、或高电压固态电解质的应用，为尖晶石镍锰高电压二元材料的应用提供帮助，该材料在成本、倍率性能、循环性能等方面具有明显的优势，未来随着电解液等主材的发展，有可能会扩大其市场应用范围；在低钴的基础上通过材料回收等手段，建立完整的生产-回收产业链体系，可进一步降低钴元素在三元正极材料中的使用成本，缓解钴资源压力；近期大热的无模组电池包和刀片电池是设计创新的典型代表，运用此技术预计大幅改善磷酸铁锂电池能量密度低、续航里程短的不足。从上述分析可知，无论是学术研究上，还是产业化量产上，目前三元材料体系绝对“无钴”方案并不成熟。综合考虑性能和成本，通过精细调控高镍材料组分、煅烧温度、烧结气氛，做到相对“无钴”的高镍低钴材料才是可行的。2高镍低钴趋势显著低钴高镍正极材料（镍含量≥90%，钴含量≤5%），不应该看作是目前市场应用主流NCM811/NCA电池为增加能量密度而对其他性能（如循环性、安全性等）做出妥协的一种选择。事实上，不管从开发还是市场应用角度考虑，都应该看作是在保持或改善现有主流NCM811/NCA高镍材料性能优势的同时，进一步降低成本，增加能量密度，追求极致材料，推动新能源技术的发展和普及的有力工具。理论上来说，三元材料随着镍含量的提升，比容量也会随之升高，为保证汽车长续航里程能力提供基础。但也会造成诸如循环性变差，热分解温度变低，与电解液间副反应加剧等问题。三元材料中钴元素的存在，有利于增强晶体材料结构稳定性，改善功率性能，抑制阳离子混排，提高热安全性等性能。人类社会发展到今天的文明，任何一点进步都不是一帆风顺的。近年来，不管是学术界还是工业界，做了大量关于改善高镍低钴材料的工作，包括在体相掺杂、表面处理、制备环境管控、生产全流程自动化等一系列技术上取得了长足的进步。容百科技的研究生产数据表明，LiNi0.90Co0.05Mn0.05O2材料通过工艺的改进，在性能上完全具有媲美甚至超过市场主流的LiNi0.83Co0.12Mn0.05O2材料，同时克比容量提5%以上，其带来能量密度的升高也是显而易见的。另外原材料成本可以降低10%左右。随着电解液、负极等其他主材配套材料的革新发展，电芯生产技术的不断进步，消费者对低成本长续航里程电动汽车的诉求的不断增强，高镍低钴材料的应用势必会加速扩大占据一定份额，甚至逐渐出现对8系NCM/NCA的替代现象。3理性看待电动汽车安全性电动汽车安全性一直是社会关注的重点问题，也是新能源汽车发展和普及过程中不能忽视的关键性能指标。从概率的观点来看，锂离子电池的自失效是存在的，但程度很低。公开报道表明，对于电动汽车，可通过P=1-(1-P)m-n计算车辆水平的自感故障率，其中P是考虑m辆电动汽车的故障率，每个电动汽车的电池组中包含n个电池。以特斯拉S型为例，n=7104。假设1650个电池的自失效率p为0.1 ppm，在制造过程中不存在缺陷率，那么当EV的数量等于m=10000时，失效率p=0.9992，表明失效率约为1/10000。与传统车辆（美国每10000辆车发生7.6起火灾事故）相比，电动汽车事故的概率似乎要低得多。4特斯拉的低钴路线及其逻辑特斯拉最新一代高镍电池钴含量会进一步降至3%以下，客观上已经相对“无钴”。高镍低钴的NCA材料在特斯拉上的成功应用以及大规模出货已经在一定程度上验证了高镍低钴材料巨大的市场潜力和前景趋势。特斯拉“去钴”核心在于变被动为主动，极限降钴就是以后不受制于钴，不断“去钴”也能进一步降低对钴价变化的敏感性，有利于预期管理，控制成本。特斯拉目前产能规划宏阔，不希望有任何环节阻碍其产能扩张，钴对电动车远期产能的限制与马斯克理念冲突，因此他需要降钴。降钴后，特斯拉不再受制于钴价大幅波动对整体成本造成太大影响，可以对单车成本做预期管理，降低对钴价巨幅波动的敏感性，“去钴”核心在于变被动为主动。编辑：楚晴《特约来稿》栏目介绍：2019年末至今，动力电池的话题一直很热：1、年初，一则“特斯拉正在与宁德时代磋商采用无钴电池”的消息横空出世。此消息随即造成钴材料市场大跌，同时引发了又一轮电池“无钴”技术的讨论。2、3月4日，通用在“EV week”活动推出一款新的电池产品Ultium，其电芯将会采用LG化学最新研发的NCMA四元锂电池。该电池的四元正极材料具备高能量密度、高稳定性、低成本优势。钴元素含量下降至5%，电池量产成本为100美元。3、3月5日，江淮汽车提出“蜂窝电池”技术，并声称该技术与之前那些降成本的CTP电池包技术不同，首要解决安全问题。预计可将因电池失效导致的车辆起火概率降低一个数量级。4、三星高等研究院与三星日本研究中心在《自然-能源》杂志上，发表《通过银碳负极实现高能量密度长续航固态锂电池》论文，介绍了三星对于困扰全固态电池量产的锂枝晶与充放电效率问题的解决方案。该方案将帮助电池实现900Wh/L的能量密度，1000次以上的充放电循环以及99.8%的库伦效率（即充放电效率）。5、3月29日下午，比亚迪正式推出全新的磷酸铁锂电池“刀片电池”。据介绍，该电池实现体积比能量密度提升50%，成本下降30%，整车寿命可达百万公里以上。2020年是我国新能源汽车市场化转型的关键时期，动力电池作为新能源汽车成本最高的核心零部件，其每一次技术革新都将引起整车性能、性价比的巨大突破，引起资本市场、用户市场的快速响应。基于多种电池技术路线的创新研发，对于解决电动汽车市场化面临的里程焦虑、充电焦虑、成本焦虑等问题，有至关重要的作用。为促进行业技术交流、推动电池技术创新提速，百人会特别策划本期“特约来稿”，面向高校及行业专家定向约稿，并将各方意见整理陆续发表。
来源：中国电动汽车百人会
新能源车补贴延长 国产电池企业的“防火墙”？
近期国务院常务会议上，出台了一系列促进汽车消费的政策，其中关乎新能源车产业的则是将年底到期的购置补贴和免征车辆购置税政策延长2年。全球新能源车销量高速增长，6年以来增长近11倍，从2013年的20.2万辆增至2019年的221万辆，其中2019年国内的销量已升至120.6万辆，占全球销量比例54.6%。动力电池产业随之进入爆发期，全球动力电池出货量从2013年的13.8GWh增至2019年的16.6GWh。自2015年以来，全球动力电池企业前十均被中日韩企业所包揽，整体出货量占比在2019年达到86.9%，国内受此前的补贴政策红利及相关整车企业车型影响，国产动力电池企业享受着市场保护下的安稳发展。伴随着特斯拉的国产进程，松下、LG化学等日韩企业打开中国市场，给包括宁德时代、比亚迪在内国产动力电池企业带来相当的压力。补贴政策延长是否会在某种程度上形成一道防火墙，延缓完全市场化带来的冲击与洗牌？延长的补贴2019年，受到政策补贴下滑与大批量“国五”燃油车的抛售等因素的影响，我国新能源汽车产销量首次呈现下滑趋势。根据2019年的新能源汽车补贴政策，补贴门槛进一步提高，由2018年的200km提高到2019年的250km；最高补贴金额仅为2018年的一半；插电混动补贴仅为2018年的45%。补贴退坡直接将压力带至整车环节，特别是成本占比最高的电池环节。据中国汽车工业协会数据，2013年至2019年中国新能源汽车年销量增长了68.52倍，2019年我国新能源汽车产销量达到124.2万辆和120.6万辆，同比分别下降2.3%和4.0%，在2576.9万辆的汽车销量中占比仅4.68%。此次将新能源车购置补贴和免征购置税政策延长2年，毫无疑问对于面临低谷的新能汽车行业是利好，同时也给了动力电池厂商更多的时间和空间来应对外资动力电池企业的冲击。工信部官网2019年12月3日发布《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》（征求意见稿）。规划提出，到2025年，新能源汽车（包括新能源乘用车和新能源商用车）新车销量占比达到25%左右。我国新能源汽车销量预计将从2019年的120.6万台增长是2025年的700万台，复合增长率达34%，2025年中国动力电池需求将达到约400GWh。想要促成这一目标的实现，不只是车企单方面的推出车型、降低成本，同时也需要政策对消费侧的支持与刺激，补贴延长则为车企、动力电池企业提供了更多辗转腾挪的时间。保护期的价值根据中国汽车动力电池产业创新联盟发布数据，今年1月，日本松下电池首次进入国内动力电池装机量前十，以约0.14GWh的总装机量位列第四；2月，松下与韩国LG化学均列入前三。松下与LG化学闯入视线与国产特斯拉Model 3连续两月占据国内新能源汽车单一车型销量冠军息息相关，两家外资动力电池企业所产的圆柱电池绝大部分都供给特斯拉（上海）工厂，尽管总体来看圆柱电池的装机表现不如方形、软包，但在特斯拉不改变技术路线且具备长期合作关系的情况下，对国内动力电池厂商仍具备冲击性。实际上，在过去很长一段时间，搭在外资企业动力电池的纯电动汽车，未能进入作为补贴依据的工信部推荐名录中，即所谓的“白名单”。在“白名单”公布之前，松下、LG化学、三星、SKI由于在动力电池一致性、稳定性、循环寿命、成本等方面的优势而备受国内追捧，而在此之后步伐戛然而止。补贴占据汽车价格的比例较高，虽然松下、LG化学等外资企业的同等级电池供应成本有一定优势，但外资电池仅搭载于极少部分对于价格敏感度较低的高端汽车当中，松下与韩系三大电池企业的市占率之和甚至难以超过5%。无法进入工信部的名单，则将拖累整车企业无法拿到国家的新能源补贴，在彼时政策推动市场的环境下，这一壁垒无疑是一种对国内动力电池企业的孵化保护。因此，日、韩系动力电池企业在华市场占比难以提升，而特斯拉与之契合的技术路线成为了这个敲门砖。补贴延长政策的出台，则在一定程度上延缓了外资开疆扩土的步伐，然而这并非长久之计。随着规模化效应的形成，国内动力电池企业在技术工艺、成本控制等方面实现突破，与日韩系企业的成本差距将逐渐缩小，在此情况下，适度的政策保护则在某种程度上决定了企业的发展步伐，而外资电池未来一段时间也将主要集中于价格敏感度较低的高端车型中。安信证券的调研报告显示，在补贴继续保留的背景下，预计动力电池设备需求将迎来较大程度反弹。该证券公司新能源汽车分析师邓永康认为，随着补贴的延长，相比于头部动力电池企业，一些头部企业以外的动力电池企业，可能会迎来洗牌速度放缓的机遇。
来源：电动汽车门户
宁德时代/远景AESC入围Benchmark“全球一级电池制造商”
日前，英国电池原材料咨询公司——基准矿业情报机构 (Benchmark Mineral Intelligence) （简称Benchmark）发布报告称，宁德时代、LG化学、三星SDI、远景AESC和SKI、松下-特斯拉等6家电池制造企业已达到其“全球动力电池一级制造商（Tier 1）”标准。Benchmark作为海外首个专注于锂离子电池供应链的研究机构，其发布的Lithiumion Battery Megafactory Assessment （锂电池超级工厂评估）因其专业性和独立性而受到欧美国际主流车企的广泛认可，在业界具有较高的参考价值。据悉，Benchmark根据电池企业获得质量认证体系的含金量及数量、跨国大客户供应情况，以及全球产能布局规模等维度对全球锂电池生产企业进行综合评估，并最终分为Tier 1、Tier 2和Tier 3。入围“Tier 1”需具备哪些“硬实力”？“获得车企质量体系验证，拥有完整质量体系”是进入Tier1的必要条件。Benchmark针对电池生产企业质量体系评估，制定了完善的“3Q”行业标准：质量（quality）、数量（quantity）和资格认证（qualification）。高可靠性动力电池是电动汽车的保障，动力电池的质量不仅是电池生产企业自身关注，同时也是所有车企关注的重点。Benchmark表示，对于寻求全面转向电动汽车的欧美汽车制造商而言，电池产品的稳定性和一致性仍将是一个严峻的问题，“而想要入围Tier 1，电池企业必须具备完整的国际质量体系标准认证”。据电池中国网了解，此次入围的两家中国企业——宁德时代和远景AESC都立足IATF16949质量管理体系，建立起了一套契合车企标准的质量体系，并获得国际主流车企的体系验证，如宁德时代已经获得宝马、大众、丰田等车企质量体系审核；远景AESC获得Nissan的质量体系验证。拥有成熟稳定的国际主流车企配套经验和数据也是入围“Tier 1”的硬性要求之一。目前，宁德时代已与宝马、戴姆勒、丰田、现代、捷豹路虎、标致雪铁龙、大众和沃尔沃等国际车企品牌深化合作，产品已广泛应用在相关车型上，相关产品已得到广泛验证；远景AESC已在成熟车型leaf上验证10年，并创下了50万辆车零重大事故的纪录；松下电池已为特斯拉汽车配套超百万套动力电池。此外，LG化学、三星SDI和SKI也与欧美主流车企合作多年。进入“Tier 1”另一个门槛为全球化供应能力。根据Benchmark评选标准，入围Tier 1需具备年累计电池产能超过5GWh。尽管Benchmark只提到电池生产企业全球化供应能力，并未对电池生产全球化布局进行硬性要求，但从本土化服务来看，目前上榜Tier 1企业均为全球化布局。产能方面，宁德时代目前在中国的福建宁德、青海西宁、江苏溧阳等地均有电池生产基地，现有投产产能已达58GWh；为更好服务欧洲本土客户，宁德时代2018年启动欧洲德国工厂建设，项目投资达18亿欧元，预计将于2021年投产。松下电池目前在日本、美国、中国等都建有动力电池生产工厂，其中仅美国内华达州Giga factory 1现有产能就达约35GWh。LG化学目前在韩国、中国、美国和波兰也均有动力电池生产基地，规划产能已超70GWh。远景AESC在美国、英国、日本也均建有动力电池工厂，目前三地产能共7.5GWh。基于对海外工厂成熟稳定的供应能力，远景AESC计划未来将扩增欧洲地区产能。同时远景AESC中国工厂已于2019年启动建设，产能规划为20GWh，预计今年年中完成初期建设。三星 SDI和SKI均在韩国、中国、美国、匈牙利等国家和地区布局了汽车动力电池制造工厂。据测算，截止到2019年年底，此次上榜“Tier 1”的这6家企业的总产能已占全球动力电池总产能的55%，产能布局遍布全球新能源车企集中的中国、日本、韩国、美国、德国、英国等国家和地区，在面对未来几年全球新能源汽车市场的爆发方面，将具备较大的应对能力。事实上，据电池中国网观察，“技术做到行业引领”也是“Tier 1”的共有特征。如宁德时代是全球最大的方形电池生产企业，松下为全球圆柱电池生产企业龙头，LG化学为全球最大的软包电池生产企业，而远景AESC电池的安全性则是有目共睹的。具体到技术方面，当前宁德时代的CTP技术正引领全球动力电池PACK发展趋势；松下NCA技术独树一帜；而远景AESC能量密度达到290Wh/kg的电芯产品有望在今年年底率先量产，能量密度310Wh/kg的电芯产品已经处于送样阶段；三星SDI也正在加速第4代电池和第5代电池的研发，能量密度有望可以达到700Wh/L（相当于270—280 Wh/kg）和 800Wh/L（相当于300 Wh/kg）。由此也不难看出，Tire1标准考察的是动力电池生产企业的综合实力，也只有产品、技术、规模等方面均衡发展的企业，才更能获得国际整车企业的青睐。从“Tier 2”晋升“Tier 1”需要从哪些方面努力？据悉，此次Benchmark发布的“锂电池超级工厂评估”，涵盖全球70 余家电池制造商，涉及 64 家锂离子电池生产企业。目前，国内多数电池生产企业仍处于“Tier 2”或“Tier 3”阶段。根据Benchmark预测，未来Tier 1电池生产企业有望占据全球约一半的市场份额，更多国际主流车企也将从中挑选自己的电池供应商。对国内不少电池生产企业来说，向Tier 1的标准努力将是未来重要发展方向。汽车产品作为工业技术现代化集成度最高的产品之一，对质量要求远高于普通工业产品。符合国际主流车企标准需求的电池产品质量体系的建立也并非易事，质量标准管理涉及设计、研发、制造、应用、流通、服务等多个维度，都需要进行严苛的标准认证，这背后往往反映着企业研发、设计、制造、管理等综合实力。电池中国网梳理对比“Tier 1”的评估标准发现，获得主流车企认证及国际高端电池质量标准体系认证，并配套国际主流车企，是企业跨入“Tier 1”的重要突破口。“对于欧美车企来讲，制约他们加速向电动化转型的不仅仅是电池产能，而是质量，是通过质量体系认可的高端电池产能。”有业内人士分析称，目前国内一些电池生产企业目前无法打入国际主流车企供应链，往往多是其质量管控体系尚未达到车企相应标准，或不具备产能规模优势，这将是国内“Tier 2”电池生产企业“出海”需要突破的关键所在。作为Benchmark“Tier 1”的评选标准，产品获得国际主流车企认证只是第一步，为国际主流车企就近建厂配套的能力也是重要指标。“事实上，对于很多电池生产企业来说，海外建厂要考虑的东西非常多，如政策环境、周边基础设施是否完备、产业配套环境是否满足及适应当地法规及习俗等，”一业内资深人士表示，电池生产企业海外建厂布局的时机也非常重要，这背后往往需要企业具备强大的资本、产品、技术、管理和市场运作实力。值得注意的是，当前正在全球肆虐的新冠肺炎疫情，使得LG化学、松下电池、三星SDI等企业被迫关停相关电池工厂，且疫情正在导致全球锂电池产业供应链物流放缓、原料短缺，对全球化布局的企业都是极大考验。未来，国内电池生产企业若想“出海”，全球化供应链体系的管理，也将是抵御类似不确定风险的“必修课”，而尚未做好相关准备的企业，对“出海”可能还需从长计议。
来源：电池中国网
新能源车补贴延长 国产电池企业的“防火墙”？
近期国务院常务会议上，出台了一系列促进汽车消费的政策，其中关乎新能源车产业的则是将年底到期的购置补贴和免征车辆购置税政策延长2年。全球新能源车销量高速增长，6年以来增长近11倍，从2013年的20.2万辆增至2019年的221万辆，其中2019年国内的销量已升至120.6万辆，占全球销量比例54.6%。动力电池产业随之进入爆发期，全球动力电池出货量从2013年的13.8GWh增至2019年的16.6GWh。自2015年以来，全球动力电池企业前十均被中日韩企业所包揽，整体出货量占比在2019年达到86.9%，国内受此前的补贴政策红利及相关整车企业车型影响，国产动力电池企业享受着市场保护下的安稳发展。伴随着特斯拉的国产进程，松下、LG化学等日韩企业打开中国市场，给包括宁德时代、比亚迪在内国产动力电池企业带来相当的压力。补贴政策延长是否会在某种程度上形成一道防火墙，延缓完全市场化带来的冲击与洗牌？延长的补贴2019年，受到政策补贴下滑与大批量“国五”燃油车的抛售等因素的影响，我国新能源汽车产销量首次呈现下滑趋势。根据2019年的新能源汽车补贴政策，补贴门槛进一步提高，由2018年的200km提高到2019年的250km；最高补贴金额仅为2018年的一半；插电混动补贴仅为2018年的45%。补贴退坡直接将压力带至整车环节，特别是成本占比最高的电池环节。据中国汽车工业协会数据，2013年至2019年中国新能源汽车年销量增长了68.52倍，2019年我国新能源汽车产销量达到124.2万辆和120.6万辆，同比分别下降2.3%和4.0%，在2576.9万辆的汽车销量中占比仅4.68%。此次将新能源车购置补贴和免征购置税政策延长2年，毫无疑问对于面临低谷的新能汽车行业是利好，同时也给了动力电池厂商更多的时间和空间来应对外资动力电池企业的冲击。工信部官网2019年12月3日发布《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》（征求意见稿）。规划提出，到2025年，新能源汽车（包括新能源乘用车和新能源商用车）新车销量占比达到25%左右。我国新能源汽车销量预计将从2019年的120.6万台增长是2025年的700万台，复合增长率达34%，2025年中国动力电池需求将达到约400GWh。想要促成这一目标的实现，不只是车企单方面的推出车型、降低成本，同时也需要政策对消费侧的支持与刺激，补贴延长则为车企、动力电池企业提供了更多辗转腾挪的时间。保护期的价值根据中国汽车动力电池产业创新联盟发布数据，今年1月，日本松下电池首次进入国内动力电池装机量前十，以约0.14GWh的总装机量位列第四；2月，松下与韩国LG化学均列入前三。松下与LG化学闯入视线与国产特斯拉Model 3连续两月占据国内新能源汽车单一车型销量冠军息息相关，两家外资动力电池企业所产的圆柱电池绝大部分都供给特斯拉（上海）工厂，尽管总体来看圆柱电池的装机表现不如方形、软包，但在特斯拉不改变技术路线且具备长期合作关系的情况下，对国内动力电池厂商仍具备冲击性。实际上，在过去很长一段时间，搭在外资企业动力电池的纯电动汽车，未能进入作为补贴依据的工信部推荐名录中，即所谓的“白名单”。在“白名单”公布之前，松下、LG化学、三星、SKI由于在动力电池一致性、稳定性、循环寿命、成本等方面的优势而备受国内追捧，而在此之后步伐戛然而止。补贴占据汽车价格的比例较高，虽然松下、LG化学等外资企业的同等级电池供应成本有一定优势，但外资电池仅搭载于极少部分对于价格敏感度较低的高端汽车当中，松下与韩系三大电池企业的市占率之和甚至难以超过5%。无法进入工信部的名单，则将拖累整车企业无法拿到国家的新能源补贴，在彼时政策推动市场的环境下，这一壁垒无疑是一种对国内动力电池企业的孵化保护。因此，日、韩系动力电池企业在华市场占比难以提升，而特斯拉与之契合的技术路线成为了这个敲门砖。补贴延长政策的出台，则在一定程度上延缓了外资开疆扩土的步伐，然而这并非长久之计。随着规模化效应的形成，国内动力电池企业在技术工艺、成本控制等方面实现突破，与日韩系企业的成本差距将逐渐缩小，在此情况下，适度的政策保护则在某种程度上决定了企业的发展步伐，而外资电池未来一段时间也将主要集中于价格敏感度较低的高端车型中。安信证券的调研报告显示，在补贴继续保留的背景下，预计动力电池设备需求将迎来较大程度反弹。该证券公司新能源汽车分析师邓永康认为，随着补贴的延长，相比于头部动力电池企业，一些头部企业以外的动力电池企业，可能会迎来洗牌速度放缓的机遇。
来源：电动汽车门户
展望中国，日本，欧盟和美国的电池研发工作
高性能锂离子电池的最新发展已经引发了现代社会的深刻变革。启用无线通信后，锂离子电池为汽车行业全面过渡到电动化时代铺平了道路。然而，对于寻求具有高性能的，高安全性的和低成本的电池技术仍在持续。因此，在经济上也投入了大量的人力和物力。第12届国际先进动力锂电池年度会议（Annual International Conference on Advanced Lithium Batteries for Automobile Applications, ABAA-12）于2019年10月在德国乌尔姆举行，来自中国，德国，日本，欧盟委员会和美国的诸多政策制定者们，对如何推动锂离子电池技术在电动汽车中的应用提出了富有建设性的意见，对相关愿景进行了深入的描述。这篇前瞻性文章的目的旨在对当前各国的研发趋势以及电动汽车在大众市场中的渗透给出一定见解。【背景导读】全球人口的不断增长以及城市的扩展，挑战着现有的交通和能源解决方案。锂离子电池（Li-ion batteries, LIBs）技术触发了道路运输，家庭能源存储电气化的第一步，更广泛地讲，减少了社会整体对于化石燃料的依赖。确实，锂离子电池技术的成功正在加速社会能源结构向可再生能源的过渡，并扩大对电动汽车（Electric vehicles, EVs）的接受度和市场渗透率。预计到2028年将有2亿辆各类电动汽车投入使用。自1991年Sony首次商业化锂离子电池以来，它们的性能不断被提高以实现这些成就。这些提升不仅要考虑到体积能量密度（Wh/L）和重量能量密度（Wh/kg），还要考虑安全性，成本和充电速度[1, 2]。但是，为了推动现代社会可目睹的能源革命，还是需要进一步的提升[3]。与任何其他类型的电池技术相比，锂离子电池具有出色的能量和功率性能[4]。这就是为什么这种突破性电池技术是迄今为止研究最多的原因。尽管如此，历史告诉我们，锂离子电池技术仍相对较年轻，距离首次商业化应用仅30年之久。因此，电池驱动的电动汽车要与由传统内燃机（Internal combustion engines, ICE）驱动的汽车竞争已不是一件容易的事，传统的内燃机已经发展了近150年。另一方面，工业界和中央政府的承诺和财政支持正在推动锂离子电池的研发工作，电动汽车的大规模生产和电池的商业化。因此，瑞典皇家科学院基于锂离子电池技术的研发及应用对我们整个社会取得巨大进步的影响，将2019年诺贝尔化学奖授予该突破性技术发明的三位科学家：Akira Yoshino, M. Stanley Whittingham和John B. Goodenough。【文章正文 】1. 科研&学术发展：如图1，通过观察2000年至2019年相关科学出版物数量的增加，也可以明显地看出，关于锂离子电池的学术研究工作在不断增加，2019年已发表超过10000篇论文。而在同一时间范围内，已提交了涉及锂离子电池的发明专利也有10500多项（数据来源：Google Patents）。图1. 与锂离子电池主题相关的出版物数量 (数据来源：Scopus)2. 政策激励：尽管如此，期望锂离子电池技术的所有关键性能指标（即安全性，能量，功率和成本）将进一步改善，从而扩大终端客户对混合动力（Hybrid EV, HEV），插电式混合动力（Plug-inhybrid EV, PHEV）或纯电动动力（BEV）等电动汽车的接受程度。此类改善主要是由汽车行业推动的，事实上，即使2017年电动汽车的份额“仅”占全球汽车总销量的1%以上，汽车行业仍利用了锂离子电池总产能的约60%[5]。值得一提的是，电动汽车份额在接下来的一年中增长了两倍以上，在2019年达到了略高于3%。其中销售PHEV和BEV车型受到中央政府激励措施的大力推动，这可以被视为补贴优惠（购买补贴）或者税收优惠。在欧盟，几乎所有成员国都在扩大此类激励措施，而一些成员国已经宣布禁止传统内燃机的汽车销售（如图2）。图2. 计划禁止（纯粹）以汽油为动力的汽车进行注册（以年为单位）以及购买电动汽车具有补贴的欧洲国家/地区总体概览（以绿色“对号√”表示）在美国，中国和日本也提出了相应的激励措施。这些框架计划无疑为增加全球电动汽车注册量（如图3a）和累计销量（如图3b）做出了贡献，两者均显示出了惊人的增长率。需要指出的是，尽管2019年中国和美国对电动汽车的财政支持减少了，因此导致了全球范围内新电动汽车较低的注册增长率（+4%），但这些国家的销量无论如何都接近了之前的水平。而在欧洲的销售额进一步增加（数据来源：ZSW Data ServiceRenewable Energies）。图3. 全球电动化市场中，电动汽车存量和注册量的年度数据数据来源：ZSW Data Service Renewable Energies:https://www.zsw-bw.de/en/media-center/data-service.html#c67003. 成本下降&技术路线提升：显然，与传统的内燃机动力汽车相比，电动汽车的购买成本仍相对较高（至少在没有大量补贴的情况下）可能仍然使消费者望而却步。在这方面，由于总产能的进一步增长以及使用比钴更便宜的金属，预计电池成本将在未来几年内逐步下降（如图4）。尽管如此，必须指出的是，在2010-2018年的时间范围内，在电池包层级上每度电（KWh）的价格已下降了85%（数据来源：BloombergNEF）。NEDO的2030年下一代电池的研发目标显示，电池包的价格有望进一步下降（如图4），到95美元/kWh。图4. 2010-2030年间，电池包级别的锂离子电池价格与总产能的变化 (NEDO提供的2030年预测成本)如前所述，锂离子电池的改进很可能会体现在所有的主要性能指标上。而此，安全性被认为是最重要的。必须指出，由美国国家公路交通安全管理局（US National HighwayTraffic Safety Administration, NHTSA）出具的一份报告显示，关于发生电化学失效风险的结论是：“锂离子电池系统中使用的易燃电解质溶剂意外着火引起的火灾和爆炸的倾向性和严重性，在某种程度上仅是与汽油或柴油车发生事故相提并论的，或者是略少一些的[6]。”显然安全性仍必须进一步提高，但目前在锂离子电池安全性方面还是取得了令人瞩目的一些成就。此外，一次充电，预计充电时间为10-15分钟或更短，将使电动汽车的行驶里程延长至500公里（即约300英里）以上，这与以传统内燃机为动力的汽车加油需求相当。如图5所示，在策略上如何达到大部分都符合要求的性能目标，可预见未来技术需要使用改进的液体电解质和/或固态电解质，无钴阴极材料，更好地理解电化学反应界面以及从长远来看如何二次利用工作后的锂离子电池。此外，越来越多的努力方向指向用于材料和电池生产的回收和工业化工厂。如今，大多数锂离子电池的生产都在亚洲，特别是在中国，韩国和日本。但是，为了应对产能的不断攀升，必须增加全球产能以应对汽车行业的整体需求。就欧洲而言，已经规划了超过300 GWh/年的产能，而在美国，TESLA计划将电池总产能提高至22GWh/年。然而，随着电动汽车的不断发展，全球需要更多的产能。图5. 电动汽车电池研发工作的总体路线图，涉及使用的阳极，电解质和阴极材料【总结】2019年10月在德国乌尔姆举行第12届汽车应用领域国际先进锂电池年度会议（ABAA-12），提供了由国内（国际）资助计划支持下的当前和未来各项电池研究工作的深刻理解。因此，与这篇展望文章一起，我们向读者提供有关BMBF（德国），CAS（中国），DG研究与创新（欧盟委员会），DOE（美国），NEDO（日本）等政府机构的主要活动，指南和路线图的报告。【参考文献】[1] M. Li, J. Lu, Z. Chen, K. Amine, 30 Years of lithium-ion batteries, Adv. Mater. 30 (2018) 1800561, https://doi.org/10.1002/adma.201800561.[2] Z. P. Cano, D. Banham, S. Ye, A. Hintennach, J. Lu, M. Fowler, Z. Chen, Batteries and fuelcells for emerging electric vehicle markets, Nat. Energy. 3 (2018) 279-289, https://doi.org/10.1038/s41560-018-0108-1.[3] M. Armand, J. -M. Tarascon, Building better batteries, Nature 451 (2008) 652–657, https://doi.org/10.1038/451652a.[4] Y. Ding, Z. P. Cano, A. Yu, J. Lu, Z. Chen, Automotive Li-ion batteries: currentstatus and future perspectives, Electrochem. Energy Rev. 2 (2019) 1–28, https://doi.org/10.1007/s41918-018-0022-z.[5] D. Bresser, K. Hosoi, D. Howell, H. Li, H. Zeisel, K. Amine, S. Passerini, Perspectives of automotive battery R&D in China, Germany, Japan, and the USA, J. Power Sources 382 (2018) 176–178, https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.02.039.[6] D. Stephens, P. Stout, G. Sullivan, E. Saunders, J. Risser, J. Sayre, Lithium-ion battery safety issues for electric and plug-in hybrid vehicles, Natl. Highw. Traffic Saf. Adm, 2019 (Report No. DOT HS 812 418), Washington, DC.
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动力电池系统轻量化技术研究总结
目前，电动汽车使用的电池大多数是锂离子电池。单体电芯通过串、并联方式实现高电压和高能量的电池系统。过重的电池系统使电动汽车的续航能力与传统燃油汽车相比明显不足，有数据表明，电动汽车质量减10%能提高续驶里程5.5%。因此，寻找高比能量电池系统是目前研究的主要方向，也是实现电动汽车轻量化的主要途径。实现电池系统轻量化可从三种途径展开：(1)提高单体电芯的能量密度；(2)减轻电池系统配件质量；(3)优化电池系统设计。一、提高单体电芯的能量密度目前，国内用在电动汽车上的电池主要是以磷酸铁锂和三元材料作为正极材料。磷酸铁锂电池因安全性能和循环寿命最好，已经大规模产业化，国内很多电池厂选择生产该类型的电池，如深圳比亚迪，合肥国轩等。但是磷酸铁锂电池单体的比能量较低(120～170Wh/kg)，而三元电池比能量较高(180～220Wh/kg)，更能迎合市场上对续航里程的要求，使三元锂电量产有所上升。目前主要的厂商有宁德时代新能源，上海卡耐等。虽然三元电池能量密度较磷酸铁锂电池高，但是距离工信部提出到2025年动力电池单体比能量达500Wh/kg的目标还有较大距离，因此，新的材料体系或电池体系要进一步研究以满足上述目标。1 采用高容量正极材料正极材料的容量和电压是限制电池能量密度最主要的因素，正极材料的质量占到单体电池的40%～45%，因此采用高工作电压和高容量的正极材料能够显著提升电池的能量密度。三元镍钴锰酸锂(NCM)材料可通过调配镍、钴、锰三者比例，从而获得不同材料特性，目前三元锂电池主要应用是NCM111和NCM523。而三元材料镍钴锰比例从 1:1:1、5:2:3到6:2:2、8:1:1，能够将电极材料的克容量提高，使得高镍三元材料高容量备受关注。一般来说三元材料中含镍比例越高，材料单位质量所贡献的能量越多，其制备的电池能量密度越高，但是电池的循环性能和稳定性有所下降。镍钴铝酸锂(NCA)是高镍三元材料的另一种，高含量的镍元素使得NCA比容量较高，达到190 Ah/kg，是最具发展前景的高能量密度锂离子电池正极材料之一。镍钴铝酸锂的结构类似于三元NCM811体系，但掺铝后材料的稳定性和循环性能更好，目前已经成功应用在电动汽车上。特斯拉顶配的Model S使用的电池为松下电池，其正极材料即为NCA，其单体电池容量达3100mAh，其比能量达250Wh/kg，使得Model S续航里程达到480km。虽然NCA锂电池有优越的电池性能，但是生产技术门槛高。NCA材料在制备技术上难度较大、材料生产成本高、生产设备要求特殊及电池设计和制造难度较高，国内目前只有少数厂家进行小批量生产。另外，高压钴酸锂通过电压的提升来增加能量密度，但钴的价格较高，不适合用于对电池成本比较敏感的汽车电池中；富锂三元具有较高的比容量，磷酸锰铁锂提高了电压平台，均有望应用于动力电池中，但此类正极材料的技术成熟度上仍然不够，需要进行进一步的研究和产业化验证。2 采用高容量负极材料在工业化的锂离子电池中，负极质量约占到电芯质量的15%～20%。石墨的理论比容量为372mAh/g，是常用负极材料，但是对电池能量密度的提高有限。硅负极的理论比容量高达4200mAh/g，是石墨容量的10倍多，成为高容量负极材料开发的热点。为解决纯硅负极材料的体积膨胀和循环性差问题，一种方式是制备纳米硅材料，另一种是制备硅的复合材料，硅/碳或者硅氧复合材料。复合材料的优势在于各组分间发挥各自的优良性能以实现协同效应，降低其体积效应。另外硅基负极材料在使用中与石墨负极进行混合使用，其添加量在5%～10%左右，在一定程度下又降低了体积效应，提高了循环寿命。特斯拉的电池中已经部分采用了硅碳负极，打开了硅碳负极在动力电池中应用的序幕，在应用过程中硅碳负极的工艺控制、使用比例、电解液成分的优化、电池结构的设计都需要进行系统的研究，以满足动力电池的需求。3 提高极片中活性物质占比一般电芯正负极极片的组分包括活性物质，导电剂和粘结剂。导电剂和粘结剂比例降低，从而提到了活性物质的占比，提高了单体电池的能量。目前碳纳米管、碳纤维、石墨烯等导电剂的应用能够有效降低导电剂的比例，从传统的3%～4%的比例降低至0.5%～1%；而苏威、阿珂玛等粘结剂厂家都在开发粘结性能更好的新产品，将活性物质占比提高至97%～98%，从而有效提高电池的能量密度。在电池设计中，导电剂和粘结剂的优化至关重要，既要提高活性物质占比，又不能影响电池的功率密度、极片的吸液能力、极片的柔韧性等。4 减轻电芯辅材质量电芯辅材包括正负极集流体、隔膜材料和电芯包装材料等。在确保单体电芯安全性能的前提下，通过减薄电池集流体的厚度，减薄隔膜的厚度或减轻电芯包装材料的质量等来提 高电池的能量密度。一般说来，电芯辅材的质量能占到电池质量的10%左右，这部分质量的降低能够在一定程度上提升能量密度，但并不明显。二、减轻电池系统配件质量减轻电池系统配件质量也能提升电池系统能量密度。电池系统主要配件是电池箱体，它是电动汽车的“心脏”，是电池的载体，并对保护电池的安全起关键作用，于是电池箱体需要满足密封性能、防腐性能、抗振性能、耐冲击和碰撞等功能。在减轻电池箱体质量的过程中，可选取高强度、低密度性能的材料，保证其基本的物化性能，同时也降低了其质量，这样才能进行实际应用。1 高强度钢高强度钢是指屈服强度介于210～550MPa的钢材，而屈服强度超过550MPa的钢材称为超高强度钢。在相同强度情况下，使用高强度钢可有效减薄零件厚度来实现轻量化。目前，电动汽车电池箱体主要采用钢板Q235材料。特斯拉Model 3车身底部的电池包基本被超高强度钢包围，一方面保证车身结构的稳定性，另一方面保护电池组的安全，同时取消了专程用来保护电池包的结构，从而达到结构减重的目的。2 铝合金铝合金密度低，强度较高，冲击性好，塑型性好，耐腐蚀性好，易回收，可加工成各种型材，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。但是铝合金的焊接工艺较差，材料价格较高，是钢材价格的三倍左右。因此，改善铝合金成型工艺和降低材料成本可促进电池箱体轻量化的发展。3 复合材料复合材料是指由两种或两种以上的材料组合成新材料，融合每种材料的优势，其具有质量轻，强度和弹性模量大，耐腐蚀和耐磨等优点，在某些领域逐渐取代金属合金。复合材料按结构特点可分为夹层复合材料，纤维增强复合材料，其中应用最广的为纤维增强复合材料，例如碳纤维与环氧树脂复合材料，复合材料和一般钢件相比，减重超过50%以上，和铝合金相比，减重也要达到30%以上，这对于电池箱体质量的减 轻有较为明显的效果。汪佳农等过使用有限元软件分析对比Q235钢和碳纤维/环氧树脂复合材料两种材料的电池箱体结构强度，设计了合理的碳纤维/环氧电池箱。结果表明，电池箱体承载性能没有降低，质量减轻64%。然而碳纤维的使用 需要克服价格昂贵的问题，同时复合材料在电池箱体的应用是一个渐进的过程，全部取代金属材料目前尚不成熟。三、优化电池系统设计1 采用轻量化结构通过对电池系统配件合理的结构设计，减少材料的使用，并结合计算机辅助工程(CAE)仿真分析，在配件安全性能不变的情况下达到轻量化目的，如配件中空化，复合化，薄壁化等，还可通过电芯尺寸设计和电池的重新排布使电池箱体体积不变放置更多数量电芯，以提高电池系统能量密度。例如，大部分特斯拉Model S车型的电池包分为16个小模组，而Model 3长续航版的电池包则只有4个模组。更少的模组意味着更少的电池包内部隔断、电池组BMS、线束和散热管路接口，可以从电气部分和结构两个方面减重。2 采用轻量化制造工艺制造工艺与材料、结构是相辅相成的，需要找到相适应的先进工艺来共同实现轻量化。钢材件可采用热成型技术，该技术主要是通过对钢材加热，使其变成奥氏体状态再进行加工。该技术在高温下有良好的冲压性能，成型精确，没有回弹，并且质量较轻。激光拼焊技术是将不同材质、不同涂层、不同厚度的钢材或铝合金等进行焊接组成一个完整的零件，减少零件数量和材料消耗，实现装配工艺轻量化。因此，该技术在制造工艺中得到越来越广泛的应用。例如，在特斯拉Model 3电池包中，正负极连接片从一整片变成布局在电池组两侧，而未采用传统模式的正反面的树枝状连接片。即将原先是两面的铝片变成了一面，同时所用铝片还可以更细更轻，在整个电池组层面可以减重几千克。3D打印技术是以可粘合材料如粉末状金属或塑料等为原料，采用逐层打印的方法来构造零件的技术，可以灵活地运用不同材质进行电池箱体的设计，提高电池箱体整体的功能性，降低电池箱体的整体质量，其主要优点是缩短零件制造周期，降低生产成本，减少材料浪费，减轻零件质量，但目前金属3D打印机技术还不够成熟，3D打印仍以塑料材质为主。总结：电动汽车电池系统轻量化势在必行，可通过提高单体电芯的能量密度和降低电池系统的质量来实现。采用高容量正极材料、高容量负极材料制备电芯以及使用先进复合材料制备电池系统配件等是研发高能量密度电池的主导方向。但是，面对材料成本高，工艺不成熟等问题，需要加强技术改性来降低材料成本，提高材料利用率，研发更优良的新型材料，引进国际先进设备，掌握先进制造工艺等。参考：程萍等《动力电池系统轻量化技术综述》
来源：锂电联盟会长
