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鋰電池有哪些正極材料?鋰電池正極材料介紹

鉅大鋰電  |  點(diǎn)擊量:0  |  2018年06月29日  

一,研究背景

近年來(lái),我國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量的雙豐收帶動(dòng)了整個(gè)上下游產(chǎn)業(yè)鏈快速發(fā)展,特別是對(duì)動(dòng)力電池的需求量不斷攀升。由于動(dòng)力電池占新能源整車(chē)制造成本大約30~40%,要使新能源汽車(chē)更具價(jià)格優(yōu)勢(shì),形成足夠的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,必須降低動(dòng)力電池成本。而在動(dòng)力電池的構(gòu)成成本當(dāng)中,正極材料的成本超過(guò)40%,所以如何降低正極材料的成本成為關(guān)鍵。

二,關(guān)于磷酸鐵鋰和三元材料的對(duì)比

在正極材料當(dāng)中,最常用的材料有鈷酸鋰,錳酸鋰,磷酸鐵鋰和三元材料(鎳鈷錳的聚合物)。目前來(lái)看,外資日韓企業(yè)等主要采用的是三元電池材料整體技術(shù)上確實(shí)領(lǐng)先中國(guó)企業(yè),但是在我國(guó)市場(chǎng)應(yīng)用上,磷酸鐵鋰電池相對(duì)于三元材料電池占據(jù)了上風(fēng)。去年磷酸鐵鋰搭載量高達(dá)20Gwh,占比達(dá)到了73%,而三元材料電池的搭載量?jī)H為6.3Gwh,占比只有22%。

但從技術(shù)領(lǐng)域看,對(duì)于電池路線的爭(zhēng)議還在持續(xù),未來(lái)唱主角的是磷酸鐵鋰還是三元材料電池?

從能量密度來(lái)看,三元電池確實(shí)比磷酸鐵鋰占據(jù)優(yōu)勢(shì),以特斯拉,三星,LG為代表的外企便是采用三元材料;而磷酸鐵鋰電池最近幾年技術(shù)進(jìn)步很大,在比能量上已經(jīng)能夠接近三元材料電池,國(guó)內(nèi)汽車(chē)巨頭比亞迪便是采用磷酸鐵鋰材料。據(jù)權(quán)威數(shù)據(jù)顯示,三元材料電池的比能量為160-200wh/kg,磷酸鐵鋰電池為120-150wk/kg。但有專(zhuān)家表示,比能量并非絕對(duì)的,也可以將磷酸鐵鋰電池的比能量做到160wh/kg,只不過(guò)其他數(shù)據(jù)要妥協(xié)。所以,動(dòng)力電池的數(shù)據(jù),是要根據(jù)市場(chǎng)需求來(lái)的。而從成本來(lái)看,無(wú)意是磷酸鐵鋰占據(jù)優(yōu)勢(shì),三元材料電池的原材料需要貴金屬,價(jià)格較高,未來(lái)也很難降下來(lái),而磷酸鐵鋰電池的原材料相對(duì)價(jià)格穩(wěn)定,未來(lái)還有可能大幅度降低。且三元材料主要由外資供應(yīng),因而沒(méi)有納入國(guó)家的補(bǔ)貼范圍,成本肯定比磷酸鐵鋰高;從安全性來(lái)看,也是磷酸鐵鋰更有優(yōu)勢(shì)。三元材料是有鎳鈷錳三種聚合而成,在到達(dá)一定溫度時(shí)發(fā)生分解,三元鋰材料會(huì)在更低的200度左右發(fā)生分解,而磷酸鐵鋰材料是在800度左右。并且三元鋰材料的化學(xué)反映更加劇烈,會(huì)釋放氧分子,在高溫作用下電解液迅速燃燒,發(fā)生連鎖反應(yīng)。說(shuō)簡(jiǎn)單點(diǎn),就是三元鋰材料比磷酸鐵鋰材料更容易著火。不過(guò)需要注意的是,我們提到的是材料,而不是已經(jīng)成為成品的電池。今年年初國(guó)家發(fā)布客車(chē)暫停(暫緩)使用三元材料電池條例,說(shuō)明在短期內(nèi),政策層面在客車(chē)領(lǐng)域不允許用三元,說(shuō)明國(guó)家的導(dǎo)向。

不過(guò),磷酸鐵鋰電池有一個(gè)致命性的缺點(diǎn),那就是低溫性能較差,即使將其納米化和碳包覆也沒(méi)有解決這一問(wèn)題。研究表明,一塊容量為3500mAh的電池,如果在-10℃的環(huán)境中工作,經(jīng)過(guò)不到100次的充放電循環(huán),電量將急劇衰減至500mAh,基本就報(bào)廢了。這對(duì)于我國(guó)幅員遼闊,冬天低氣溫的確較多的綜合國(guó)情來(lái)說(shuō),的確不是一件好事。此外,材料的制備成本與電池的制造成本較高,電池成品率低,一致性差,這也是導(dǎo)致很多純電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航能力并不能達(dá)到標(biāo)稱值的重要原因。因此,我們可以看到國(guó)內(nèi)有不少的新能源汽車(chē)(無(wú)論是純電動(dòng)還是混合電動(dòng)),或者是一些比較廉價(jià)的新能源汽車(chē),會(huì)出于不同的原因選擇磷酸鐵鋰電池。可以說(shuō),磷酸鐵鋰電池的使用,對(duì)于新能源汽車(chē)量產(chǎn)落地以及推廣,都有著不可磨滅的奠基作用。

那么這兩種電池現(xiàn)在的使用情況又是怎么樣的呢?讓我們來(lái)關(guān)注一組數(shù)據(jù)。去年11月,磷酸鐵鋰電池的電動(dòng)大巴裝機(jī)量占到了64.9%,三元鋰電池裝機(jī)量只有27.6%。相反,在純電動(dòng)乘用車(chē)市場(chǎng),三元鋰電池在去年11月的裝機(jī)量超過(guò)76%。而過(guò)去兩年中,商用車(chē),包括大巴的產(chǎn)銷(xiāo)增速比乘用車(chē)更快,這也從說(shuō)明了國(guó)家要把安全放在第一位的主要原因,但隨著的技術(shù)的成熟,乘用車(chē)的未來(lái)市場(chǎng)空間還很大。

三,碳酸鋰的介紹和發(fā)展現(xiàn)狀

磷酸鐵鋰的原材料當(dāng)中,主要有草酸亞鐵,氧化鐵紅,磷酸鐵,磷酸二氫鋰,磷酸二氫銨和,其中碳酸鋰占據(jù)了接近30%,而碳酸鋰由礦產(chǎn)資源提煉而成,在自然界中儲(chǔ)量非常有限,具有極強(qiáng)的地域性和稀缺性,屬于稀缺資源,因此在新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈中,碳酸鋰資源的戰(zhàn)略重要性顯得尤為突出。

從下圖可以看到目前全球鋰資源最豐富的國(guó)家是智利,擁有72%的資源,其次是中國(guó),擁有13%。而規(guī)模化生產(chǎn)碳酸鋰的企業(yè)必須擁有鋰資源儲(chǔ)量較為豐富的鹽湖資源開(kāi)采權(quán),使得該行業(yè)具有非常高的資源壁壘;另外碳酸鋰主要原料是鹽湖鹵水(礦石法由于成本高在全球產(chǎn)能很小),由于全球鹽湖絕大多數(shù)都是高鎂低鉀型,而從高鎂低鉀老鹵中提純分離碳酸鋰的工藝技術(shù)難度很大,之前這些技術(shù)僅掌握在少數(shù)公司手中,這使得碳酸鋰行業(yè)又具備了技術(shù)壁壘。因此早就了碳酸鋰行業(yè)的全球寡頭壟斷格局。據(jù)了解,智利SQM,美國(guó)FMC,德國(guó)Chemmetal三巨頭主導(dǎo)著全球70%以上的碳酸鋰產(chǎn)能。

我國(guó)西藏礦業(yè)資源最豐富,保守估計(jì)有200萬(wàn)噸碳酸鋰儲(chǔ)量,2008年產(chǎn)能2600噸,遠(yuǎn)期規(guī)劃2萬(wàn)噸。碳酸鋰按照純度可以分為工業(yè)級(jí)98~99%、醫(yī)藥級(jí)98.5%、電池級(jí)99.5%、高純級(jí)99.99~99.999%,國(guó)內(nèi)廠商生產(chǎn)碳酸鋰主要集中在工業(yè)級(jí)別,電池級(jí)產(chǎn)能占總產(chǎn)能的1/3。

目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)碳酸鋰的企業(yè)主要集中在西藏礦業(yè),中信國(guó)安,西部礦業(yè)集團(tuán),青海鹽湖集團(tuán),天齊鋰業(yè)和贛鋒鋰業(yè)這六家公司。但是前四家企業(yè)只限于工業(yè)級(jí)碳酸鋰,電池級(jí)碳酸鋰則由天齊鋰業(yè),贛鋒鋰業(yè)掌控中,其中天齊鋰業(yè)技術(shù)最成熟,是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定者,約占國(guó)內(nèi)60%的市場(chǎng)份額,并且有部分出口。

四,三元材料的介紹和發(fā)展現(xiàn)狀

目前在鋰電池領(lǐng)域,三元材料主要是由鎳鈷錳三者的聚合物構(gòu)成,材料中鎳鈷錳三種元素的比例并不確定,我們可以通過(guò)改變?nèi)N元素的比例來(lái)改善電池的性能。在過(guò)往,國(guó)內(nèi)的三元一般是部分的替代鈷酸鋰使用領(lǐng)域,與錳酸鋰或者鈷酸鋰混合用于中低端的電子消費(fèi)品,與錳酸鋰混合應(yīng)用于中低端動(dòng)力市場(chǎng)。但隨著近年新能源汽車(chē)的高速發(fā)展,三元材料充當(dāng)越來(lái)越重要的角色。國(guó)外像特斯拉,三星等公司,由于技術(shù)領(lǐng)先于我們?nèi)廖迥辏毡椴捎萌牧献鳛殇囯姵卣龢O材料。所以未來(lái),三元材料還有很大的提升空間。

五,低鈷高鎳的發(fā)展方向

目前,三元材料正向低鈷高鎳方向發(fā)展,電容量等性能指標(biāo)確實(shí)也越來(lái)越好,單體電池比能量也在向200Wh/kg的目標(biāo)靠近。我國(guó)目前處于從333型向523型發(fā)展的階段,2017年國(guó)內(nèi)動(dòng)力三元預(yù)計(jì)以523型為主,而國(guó)內(nèi)廠商能量產(chǎn)622型的不多,811型目前也還在研發(fā)推出階段。

三元材料業(yè)務(wù)未來(lái)的發(fā)展正是基于減少對(duì)鈷的依賴,因此未來(lái)三元材料中必將以高鎳型NCM為主導(dǎo),未來(lái)單輛新能源車(chē)的鈷的需求一直是向下走的。但未來(lái)三年市場(chǎng)還是會(huì)以NCM523以及NCM622型為主,它們的鈷金屬單位消費(fèi)量約為12%-13%,高鎳型NCM占比還是很低。新能源車(chē)的增長(zhǎng)速度能遠(yuǎn)遠(yuǎn)抵消單輛新能源車(chē)鈷的需求下降的趨勢(shì)。

我們只能站在未來(lái)可以看得清的一個(gè)領(lǐng)域里做出判斷,三元材料盡管向高鎳發(fā)展,但鈷未來(lái)在三元材料領(lǐng)域仍然大有可為,供需缺口在未來(lái)幾年必將會(huì)進(jìn)一步拉大。從另一方面看,由于國(guó)內(nèi)三元電池供應(yīng)主要依靠三星、LG等三元材料技術(shù)成熟的日韓企業(yè),但是這一塊進(jìn)不了中國(guó)新能源車(chē)的補(bǔ)貼目錄,而國(guó)內(nèi)企業(yè)技術(shù)目前又不成熟,并且在安全性等問(wèn)題還沒(méi)有得到很好的一個(gè)論證解決。近期三元材料應(yīng)用在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)可能沒(méi)有預(yù)期的發(fā)展速度,需求主要來(lái)自國(guó)外,鈷的整體需求反轉(zhuǎn)可能慢于市場(chǎng)預(yù)期,但整體來(lái)說(shuō),在未來(lái)幾年也會(huì)穩(wěn)步攀升。

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