鉅大LARGE | 點擊量:2009次 | 2020年11月05日
動力鋰電池分類介紹
鋰離子電池按正極材料不同,可以分為鈷酸鋰離子電池、三元電池(鎳鈷錳酸鋰NCM或鎳鈷鋁酸鋰NCA)、錳酸鋰離子電池、磷酸鐵鋰離子電池。其中三元電池NCM又可以按三種金屬配比不同進行分類,如NCM111、NCM532、NCM622、NCM811等。
雖然鈷酸鋰離子電池能量密度高,但成本高、安全性差,因此重要被應用于3C領域。三元電池、磷酸鐵鋰離子電池、錳酸鋰離子電池雖然能量密度方面不及鈷酸鋰離子電池,但因在安全性、循環性等方面優勢明顯,因此被廣泛應用于動力鋰電池領域。2017年,動力鋰電池市場中磷酸鐵鋰和三元電池出貨量幾乎各占一半,錳酸鋰離子電池占比較小。三元材料在電池能量密度、比功率、大倍率充電、耐低溫性能等方面占據優勢,但成本、循環性、安全性上弱于磷酸鐵鋰離子電池。加之政策引導因素,因此新能源汽車市場中,客車采用的電池以磷酸鐵鋰為主,轎車以三元電池為主。
三元電池可以看做是鈷酸鋰、錳酸鋰和鎳酸鋰離子電池的混合升級版,中和了三種電池在能量密度和安全性、循環性方面的優缺點,成為動力鋰電池領域主流技術路線之一。根據正極材料中鎳鈷錳三種金屬比例不同,三元電池可以細分為NCM111、NCM532、NCM622、NCM811等。例如NCM532即為三元電池中鎳、錳、鈷的比例為5:3:2。一般來說,三元電池中,鎳的含量越高,電池能量密度越高,但安全性越差。
目前動力鋰電池行業最新技術為高鎳三元鋰離子電池,重要包括NCA和NCM811。其中,NCA為鎳鈷鋁的混合,常見配比為8:1.5:0.5,單體能量密度可達300Wh/kg,高于目前能量上限約為280Wh/kg的NCM811電池,為目前世界上能量密度最高的鋰離子電池。NCA生產環境極為嚴苛,生產成本及技術要求高。目前,關于最新的高鎳三元鋰離子電池技術,日韓重要選擇NCA,但產量不高,重要的原因為市場需求不足。國內在NCA技術上仍不成熟,因此在高鎳三元領域重要選擇了NCM811。部分正極材料公司和電池公司已小批量出貨,但商業化程度仍然較低。隨著產業政策要求的不斷升級、技術的不斷成熟以及下游中高端車需求量的不斷上升,預計2020年以后高鎳電池的市場份額將逐步上升。2016年,上游三元正極材料出貨量中NCM111、NCM523和NCM622占比分別為61%、34%和5%。但到2018年一季度,MCM111已經退出市場,NCM523占比上升為78%,成為行業主流;同時NCM622上升為14%,高鎳三元材料亦有少量出貨。
生產線方面,NCM532與NCM622電池基本可以通過改變配比實現在同一生產線上的生產。但由于高鎳三元(NCM811、NCA)正極材料的高溫合成、組裝均需在純氧氛圍進行,且濕度控制要求在10%以下,因此要公司重新設計廠房和設備,難以與其他產品共用生產線。
動力鋰電池按照形態和包裝方法則分為圓柱電池、方型電池和軟包電池。其中圓柱電池和方型電池屬于硬包,外殼重要為鋼殼或鋁殼(價格低廉)。軟包電池外殼重要為鋁塑膜(價格昂貴)。
從發展歷史看,圓柱電池為最先采用的電池封裝形態,目前生產已標準化,主流型號為18650和21700[21700圓柱電池中21指電池直徑為21mm,70指高度為70mm,0代表圓柱體型的電池]。之后出現的方型電池(一般采用鋁殼),單體電池體積比圓柱電池更大,成組時縫隙更小,單位體積的電池包中結構件更少,重量更輕,因此,在單體電池在組成系統時能量密度下降幅度更小[根據美國阿貢實驗室測算,圓柱型成組后能量密度下降約40%,方型電池成組后能量密度下降30%]。此外,方型電池的充放電倍率、循環壽命和安全性等方面也好于圓柱電池。因此在以磷酸鐵鋰和三元材料(NCM523和NCM611)為主流的背景下,目前市場上重要為方型電池,圓柱電池重要被用在微型車和電動工具上,在乘用車和商用車領域占比較低[2018年上半年,國內15.58GWh里電池裝機中,方型占比76%,圓柱占比11.5%,軟包占比12.5%]。但是,圓柱電池在新能源汽車也不是完全沒有機會。圓柱電池雖然重量較大,成組后系統能量密度下降較多,但是該形態電池技術成熟、生產效率高、PACK成本低、電池良品率以及電池組一致性好、散熱快,便于多種形態組合,因此已實現與NCA、NCM811等高鎳材料的較好結合。目前,搭載了NCA正極材料的21700型號圓柱電池已應用于特斯拉Model3上,能量密度可達300Wh/kg。未來圓柱電池的發展方向或向對續航里程要求較高的高端乘用車用高鎳三元鋰離子電池發展,且型號由18650向體積和容量更大的21700發展。
軟包電池重量輕,結構件空間占用更小,使得電池成組后能量密度下降更少(三元軟包電池容量較同等尺寸規格的鋼殼三元鋰離子電池能量密度高10~15%、較鋁殼三元鋰離子電池高5~10%);但由于鋁塑膜成本較高且依賴進口,度電成本并未明顯下降。不足方面,軟包電池的機械強度和一致性較其他形態電池較差,因此一些高鎳正極材料如NCA等較難使用軟包形態。
此外,按電極片排布方式劃分可以將動力鋰電池分為卷繞式和疊片式。圓柱電池和方型電池都采用卷繞式,即電極片以中心為軸,環形或方型卷繞。軟包電池重要采用疊片式,即電極片采用層疊的方式排列。按功能分,動力鋰電池可以分為功率型和容量型。容量型鋰離子電池重視電池容量,既耐力,對大電流放電性能要求不高。相反,功率型鋰離子電池對功率要求較高,既動力,而對電池耐力要求不高。
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