新能源专题篇三:动力电池篇(下)
yj蓝天
yj蓝天 Lv.16
2023年09月04日 07:13:37
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新能源专题篇三:动力电池篇(下)目录一、 动力电池结构和种类(一)动力电池的整体结构(二)电芯种类(三)不同材料的动力电池优劣二、电池发展方向(一)总体方向(二)电池的技术升级三、前沿电池技术和产品四、动力电池装机量一、 动力电池结构和种类(一)动力电池的整体结构 1、电池单体:组成动力电池的最小单元;2、电池模组:由数个电池单体并联焊接在一起;

新能源专题篇三:动力电池篇(下)

目录

一、 动力电池结构和种类

(一)动力电池的整体结构

(二)电芯种类

(三)不同材料的动力电池优劣

二、电池发展方向

(一)总体方向

(二)电池的技术升级

三、前沿电池技术和产品

四、动力电池装机量

一、 动力电池结构和种类

(一)动力电池的整体结构

 

1电池单体:组成动力电池的最小单元;

2电池模组:由数个电池单体并联焊接在一起;

3电池单元:由数个电池单体或电池组串联在一起构成;

 

4CSC采集系统:每一个电池内部都有一个CSC信息采集系统,来检测每个电池单体或电池组的电压、温度等信息;

5控制单元:电池控制单元(BMU)安装在动力电池内部,用来将电池的电压、电流、温度等信息上报给整车控制器(VCU)并根据VCU的指令完成对动力电池的控制;

6电池高压分配单元:安装在动力电池总成的正负极输出端,由高压正极继电器、高压负极继电器、预充继电器、电流传感器和预充电阻等组成;

7冷却系统:对动力电池进行散热,使其处于最佳工作状态。

(二)电芯种类

根据封装方式、电芯形状的不同,市场上的电芯可分为三大类:方形电芯、圆柱电芯和软包电芯,前二者是用硬壳封装,钢壳、铝壳居多。国内动力电池大多使用方形电池;特斯拉使用的是圆柱形电池。

 

1方形电芯结构

方形电芯可以拆分为:顶盖、裸电芯、壳体、电解液及其他零部件。顶盖主要是正、负极极柱以及泄压阀(也称防爆阀/安全阀)。在电芯热失控产生大量气体的情况下,方形电芯上顶盖上的泄压阀会打开释放气体,避免电芯内部压力过大造成爆炸,是电芯安全的一道保障。

结构件包括电池盖板和壳体。电池盖板由10多种元器件组合而成,主要由盖板、正负极极柱、注液孔、翻转片、防爆片等结构组成,价值量约是壳体的2。壳体一般用钢壳或铝壳。

 

2圆柱形电芯结构

典型的圆柱电芯结构包括:正极极片、负极极片、隔膜、电解液、外壳、盖帽/正极帽、垫片、安全阀等。圆柱电芯一般以盖帽为电池正极,以外壳为电池负极。

圆柱电芯标准化程度较高,常见的型号有:14650145005号电池)、1865021700等。型号的的前两位数字代表圆柱电芯的直径(单位mm),第34位代表圆柱电芯的高度(单位mm),0指的是圆柱。

4680电池排布

3软包电芯结构

软包电芯其实很常见,我们的手机用的就是小型软包电芯。动力电池的软包电芯更大,铝塑包装膜替代金属壳体,包裹着正负极材料、隔膜、电解液。它的体型纤薄,单体能量密度较高,内阻小,但在安全性、可靠性和成组效率上存在一定的劣势

安全方面,软包特有的铝塑膜包装无法分担外部挤压力,挤压时易造成内部卷芯变形而发生热失控,且无法保证内部发生热失控后爆破或者热传导的方向,会鼓气裂开。

 

 

(三)不同材料的动力电池优劣


优点

缺点

钴酸锂电池

能量密度高、循环性能良好

贵(主要是钴贵)、热稳定性较差

锰酸锂电池

便宜、能量密度良好、安全性良好

循环性能差

三元材料电池(镍钴锰)

能量密度高、循环性能好、成本较低

热稳定性较差

磷酸铁锂电池

便宜、热稳定性好、循环性能好

能量密度低

磷酸锰铁锂电池

热稳定性好、循环性能好

能量密度较低

 

国内的动力电池主要使用方形电池,特斯拉主要使用圆柱形电池。三元材料成本、能量密度高于磷酸铁锂材料,安全性低于磷酸铁锂材料。国内磷酸铁锂增长速度快于三元材料。

二、电池发展方向

(一)总体方向

1安全性:通常有针刺、过热、过充、短路等测试,代表意外情况下电池燃烧的概率。

2一致性:长期稳定工作的前提,包括材料一致性和PACK工艺一致性。

3能量密度:影响续航里程,材料端围绕正极搭建化学体系,PACK成组效率提升是工艺手段。

4循环次数:影响使用年限和里程。

5倍率性能:影响充电时间,与负极克容量、倍率密切相关。

 

(二)电池的技术升级

三元正极向高镍化、单晶化发展;铁锂正极向高压实、锰铁锂方向发展;负极材料向掺硅发展。方形电池向CTPCTC发展;圆柱形电池向大圆柱、CTC发展;刀片电池升级发展。固态电池代替电解液、隔膜;钠离子电池发展。

 

1三元正极:超高镍化、单晶化

镍元素有助于提高比容量和能量密度钴有助于提高电导率和倍率性能,高镍低钴化使得电池比容量提高,但安全性和倍率性能减弱。单晶因为内部排列取向一致,不存在晶界,因此结构稳定性更强,且通过提升充电电压,迫使更多的锂离子脱嵌,提高参与反应的锂离子的数目,从而提升能量密度

 

容百科技、当升科技、中伟股份、格林美、巴莫科技已经有镍含量90%以上的三元材料及三元前驱体。宁德时代、松下等超高镍电池已有供应。

 

NCMA通过Al元素掺杂,提升高镍三元材料稳定性。格林美、中伟股份、华友钴业、容百科技、浦项化学有NCMA出货。

 

单晶正极材料稳定性更好,更适合高电压,从而提升电池能量密度。振华新材、长远锂科、厦钨新能、当升科技、容百科技、巴莫科技、杉杉股份参与高镍单晶化业务。

 

2铁锂正极:锰铁锂方向

铁锂材料能量密度低,但成组效率高。铁锂振实密度与压实密度低,理论能量密度190Wh/kg,目前行业基本达到160wh/kg,成组效率85%以上,Pack后能量密度130-140wh/kg。三元理论能量密度高于350Wh/kg,目前单体能量密度以200-250为主,成组销量75-80%左右,Pack能量密度140-160wh/kg,高镍三元可达180wh/kg

铁锂材料低温性能差。一块容量为3500mAhLFP电池在-10的环境中工作,经过不到100次的充放电循环,电量将急剧衰减至500mAh,因此铁锂电池不适应冬季北方。

磷酸锰铁锂保持铁锂稳定架构,同时提升能量密度。但从结构框架上看,即使掺入其他元素,橄榄石架构(铁锂)所含的锂离子空位仍与片层结构(三元)有不小差距,因此能量密度提升有限(极限25%),接近NCM523,可替代部分低端三元市场。

磷酸锰铁锂的玩家有德方纳米、鹏欣资源、当升科技、宁德时代。

 

宁德时代20222月率先提出M3P概念,可替代5系、6系三元电池。区别于磷酸锰铁锂,为磷酸盐三元体系,还含有其他金属元素,利用磷酸根橄榄型结构,能量密度介于LFP和高镍三元之间,可替代523622三元,能量密度可以在210-260wh/kg左右,低温性能比铁锂高很多,且比较便宜,但能量密度上无法替代高镍电池。M3P电池本质可能为掺杂了锰、镁(推测)等金属元素的磷酸铁锂电池

3负极材料:硅碳负极方向

负极材料在电池中起储锂作用,对电池性能有直接影响,成本占比10%左右。石墨的理论能量密度是372mAh/g,目前应用的石墨比容量已经接近极限。而硅负极理论能量密度高达4200mAh/g,为目前已知的能用于负极材料理论比容最高的材料,硅碳复合材料能大大提升单体电芯的容量。

硅负极存在的问题是体积变化大、低电导性:

1硅在脱嵌锂过程中体积会膨胀到原来的3倍以上,导致活性物质在充放电循环过程中发生急剧粉化脱落,同时SEI膜无法稳定地存在,导致容量快速衰减,电池循环性能较差。

2硅的低电导性限制其容量的充分利用和硅电极材料的倍率性能;体积变化使活性物质与导电剂粘结剂接触差,导电性下降;硅表面的SEI膜厚且不均匀,影响导电性与电池整体比能量。

 

硅基负极的玩家有中科电气、贝特瑞、翔丰华、江西紫宸、深圳斯诺、正拓能源。受膨胀性能影响,目前硅基负极主要应用于圆柱电池,如4680

 

4电解液:LIFSI添加比例提升

电解液主要由三部分组成:1)溶剂:为获得高离子导电性,溶剂一般采用混合材料,目前溶剂一般采用DMC(碳酸二甲酯)+EC(碳酸乙烯酯),比例不定;2)锂盐:目前首选六氟磷酸锂,其具体优秀的导电率、稳定性和环保优点;3)添加剂:大规模有VCFVC,各家电解液差异化所在,满足不同电池不同性能要求。

六氟磷酸锂综合性能稳定,但缺点有:1)对水分敏感、热稳定性差、易分解;2)最终产品含有氟化氢,影响高温下电池性能;3)在低温环境下,在电解液中易结晶,导致电导率下降。

新型锂盐LiFSI(双氟磺酰亚胺锂)稳定性、导电性能更强、水敏感度低、热稳定性好。但是对铝箔产生腐蚀较高。

主流的LiFSI厂商有天赐材料、康鹏科技、新宙邦、永太科技、时代思康、多氟多等。

 

5导电剂:碳纳米管方向

导电剂是锂电池的关键辅材,与正负极材料混合用于生产电极极片。碳纳米管是一种新型石墨材料,性能优异,为一种新型导电材料。其中,单壁碳纳米管可有效解决硅基负极热膨胀、导电率低等问题,提升循环寿命。

国内从事单壁碳纳米管的企业是天奈科技。

 

6铜箔:PET方向

铜箔在锂电池中充当负极集流体,即负极活性物质的载体,铝箔在锂电池中为正极极集流体,箔材对锂离子电池的内阻及循环性能有很大的影响。

PET/铝箔是一种以聚对苯二甲酸乙二酯(PET)作为导电薄膜,两边分别以铜/铝箔为镀层的夹层状动力电池集流体材料。优点是提升了安全性、提升能量密度、减少铜箔厚度。缺点是生产效率低、存在箔材穿孔问题、增大电池内阻影响输出功率。短期内规模不大,主流仍为传统铜箔/铝箔。

 

7/负极补锂剂:电极预锂化

预锂化对电极材料进行补锂,以抵消充放电中的活性锂损失,以维持电池的总容量和能量密度。正极补锂的安全稳定性高,与现有电池生产工艺兼容性好。

 

 

电池发展的主要方向是安全性、一致性、能量密度、循环次数、倍率性能,性能提升从(主要)正极材料、负极材料、电解液(次要)导电剂、铜箔、正负极补锂剂等方面入手,主要以高容量为目标。

 

三、前沿电池技术和产品

(一)宁德时代:3.0 CTP麒麟电池

CTPCell to Pack),从电芯-模组-电池包的三级装配模式,发展到直接将电芯集成在电池包上,省去了中间模组节,有效提升了电池包的空间利用率和能量密度。3.0 CTP麒麟电池,用的是磷酸铁锂电池,能量密度可达255Wh/kg,续航1000公里。

(二)比亚迪:CTP刀片电池

刀片电池是一种长电芯CTP方案(基于方形铝壳的叠片电池),对电芯的厚度减薄,并增大电芯的长度,跳过模组由电芯直接阵列在电池包中充当结构件,从而增加整个系统的强度。未来刀片将采用软包+铝壳的方式,改用CTC的一体化方案提升续航。

(三)特斯拉:4680电池

4680电池为特斯拉推出的直径为46mm,高度为80mm的新一代圆柱电池。对于电池来讲,能量密度提升时,功率密度会下降,直径46mm是圆柱电池兼顾高能量密度和高功率密度的最优选择。

4680电池核心创新工艺为:大电芯+全极耳+干电池技术。Tesla采用的CTC技术为结构化电池,将电池直接集成在电动车底盘上,取消了4680电池阵列上的电池盖板。4680有利于实现快充、高能量密度、降低成本,未来或成为主流封装形式,取代部分软包市场。

(四)宁德时代:M3P电池

该电池基于新型材料体系,能量密度高于磷酸铁锂电池,成本优于三元锂电池,并且目前已经量产,预计在今年推向市场。应该是为掺杂了锰、镁(推测)等金属元素的磷酸铁锂电池。MMetal的简写,M3代表有三种金属元素(所谓的三元),而P代表磷元素,即架构仍为LFP中磷酸根组成的橄榄石架构。可理解为三种磷酸盐化合物的组合(磷酸铁锂+磷酸锰锂+磷酸镁锂),本质上并未脱离锰铁锂技术路线(锰铁锂本质就是磷酸铁锂中掺杂锰元素)。目前宁德时代未披露该技术原理。

(五)CTC技术

CTCCell to Chassis),电芯直接集成于车辆底盘的工艺,由特斯拉首先发布。将电芯或模组安装在车身,连接前后车身铸件,并在电池上盖取代座舱底板。

CTC并非CTP的简单延伸。CTP并没有突破PACK本身,电池企业/专业PACK企业可以独立完成开发,技术并没有延伸至下游。CTC的出现,则将打破PACK 的限制,直接涉及到汽车底盘,这是整车最为关键的核心部件,是整车厂商经历长期发展所积累的核心优势所在,是电池企业/专业PACK企业难以独立开发的。因此,在商业模式和分工协作上,CTCCTP将具有很大的差异。

(六)二线厂商拳头产品

 

 

总结来说,前沿电池的发展方向是高能量密度,为提升续航;去模组化,电池直接作为强度结构件;安全性,不易燃易爆。

 

四、动力电池装机量

(一)总观

2022年国内动力电池装机261GWh,同比+86%

 

2022年国内新能源汽车平均单车装机量47kWh,同比+2%

 

分电池材料类型看,2022年国内三元电池装机105GWh,同比+41%2022年国内磷酸铁锂装机155GWh,同比+137%,装机量与增速均超过三元。

 

分电池结构类型看,2022年国内方形电池装机241GWh,同比+99%2022年国内圆柱电池装机同比-21%

 

(二)分企业

2022年宁德时代(不含合资)装机量119GWh,稳居行业第一,同比+71%,市占率45%排在后面的有比亚迪(24%)、中创新航(6%)、国轩高科(5%)、亿纬锂能(2%)等。

 

头部企业下游装机量分布(来源:中信证券、GGII):

1宁德时代:特斯拉(19%)、吉利(12%)、上汽(11%)、蔚来(7%)、东风(5%)。

 

2比亚迪:比亚迪(95%)、一汽(3%)、长安(<1%)。

 

3中创新航:广汽(40%)、小鹏(2%)、零跑(1%)、上汽(<1%)、长安(<1%)。

 

4国轩高科:上汽(20%)、奇瑞(19%)、江淮(14%)、吉利(12%)、长安(11%)。

 

5亿纬锂能:小鹏(51%)、广汽(15%)、三一(10%)、吉利(8%)。

 

6蜂巢能源:长城(46%)、零跑(41%)、合众(9%)、吉利(2%)。

 

7欣旺达:东风(80%)、吉利(20%)。

 

8孚能科技:广汽(48%)、北汽(20%)、南京金龙(10%)、江铃(9%)、吉麦新能源(7%)。

 

国内企业动力电池从出货量看,宁德时代处于绝对领先地位,比亚迪作为第二名也拉开第三名一大截,出货量二线厂商有中创新航、国轩高科、亿纬锂能、蜂巢能源、孚能科技。其他优质标的可参考【二、电池发展方向】中参与各个前沿技术的头部玩家。

 

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yj蓝天
2024年04月01日 06:08:59
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