鉅大LARGE | 點擊量：1690次 | 2021年04月15日
探討軟包動力鋰離子電池的技術發展趨勢
未來新能源汽車的發展趨勢是電動化、智能化、網聯化、輕量化、共享化，這五化對動力鋰電池肯定會提出更高的要求，未來的動力鋰電池是怎么樣的？
這是目前動力鋰電池的應用現狀，目前在一些低速車、轎車啟停電源重要用鉛酸電池。鉛酸電池便宜，但能量密度很低。鎳氫電池重要用于日系混合動力車和儲能上，因為鎳氫電池的能量密度比鉛酸高一點，價格相關于鋰離子電池便宜一點。隨著新能源汽車的發展，對動力鋰電池的能量密度以及壽命要求更高，所以鋰離子電池目前是主流的動力鋰電池，廣泛應用于HEV、PHEV、BEV、FCV等方面。
這是我們國家的三個發展部門對鋰離子電池提出的發展規劃，從三個規劃中，高能量密度電池是未來的發展方向，都要求在2020年電池的能量密度達到300Wh/Kg，力爭實現350Wh/Kg，對成本以及電池系統的能量密度也提出了更高的要求，這里我就不一一講述了，大家在以前也看到過很多。
這是2018年國家的補貼政策，這些大家應該很了解，我只是對2018年的補貼政策做了總結。第一，續航里程方面，續航越長補貼越多；第二，激勵車企研發續航里程更高的車型，續航里程低于150公里的車取消補貼；第三，電池系統能量密度要求更高，因為續航里程要求更高。
在鋰電產業，中日韓三足鼎立，在電池能量密度、成本方面展開技術競爭。韓國公司已經在我國大規模的擴產，表中統計了日韓公司高能量密度電池研究進展，目前日本、韓國電池的能量密度目前是在250Wh/Kg以上，跟國內的水平相當，中日韓在2020年實現300Wh/Kg的目標也是一致的。目前的研發水平處于同一水平上，但安全性研究上要加強。LG在今年年初說要發行一款NCM811體系的電池，但目前已推遲量產。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
要提高單體電池的能量密度要發展新的電化學體系，2017年170~220Wh/kg電化學體系是錳酸鋰、磷酸鐵鋰、中鎳三元、錳酸鋰摻雜中鎳三元對石墨體系，2018年240~260Wh/kg電化學體系是中高鎳三元、錳酸鋰摻雜中高鎳三元對硅碳或硅氧負極，2020年300Wh/kg以上的電化學體系要采用高鎳、富鋰錳基正極、高電壓錳酸鋰對硅碳或硅氧負極。
應大規模儲能和電動汽車快速發展需求，高比能量、高功率、長壽命和低成本關鍵材料及其制備技術是鋰離子電池發展的重要方向，能量密度、壽命、成本、安全性各方面指標要統籌兼顧到。高比能是鋰電行業不懈追求的目標。2016年、2022年和2025年，這些指標都在大幅度地提高，以后我們也不用擔心動力鋰電池的能量密度、壽命、安全性等。
目前動力鋰電池較為成熟的有三種封裝方式，軟包、方形、圓柱。三種封裝形式的電池各有優缺點，三者比較，軟包電池，比容量高、安全性好、循環壽命長，內阻小，設計靈活，但是一致性較差，成本較高，容易發生漏液。由于前幾年軟包鋰離子電池設備的自動化程度不高，從而會使得一致性較差點，但目前國內外設備公司加大了研發投入。桑頓新能源公司三廠目前鋰離子電池產線設備自動化程度達到90%以上，一致性得到比較好的解決，軟包電池會是未來發展的趨勢。
第二部分介紹下軟包電池技術特性。在相同容量下，軟包電池的重量和體積最小；在相同的體積下，軟包電池的容量最高。在其他條件相同的情況下，較鋁殼和圓柱，軟包電池的體積能量密度和質量能力密度最高。目前我們的數據是來自于高工鋰電。
目前，重要從電芯設計、模組、Pack輕量化方面進一步提升電池系統能量密度。2017年開始，國內主流的電池廠加大了三元布局，現如今高鎳高壓三元和硅碳是主流的技術路線。從200-280，變正極，從低鎳到高鎳，或者低壓到高壓；280-300，變負極，由石墨到硅碳；300-350，三元變富鋰錳基；350以上，要么變電解質，由液態變固態，或者更換鋰離子電池體系，發展鋰硫電池或全固態電池。
Pack輕量化，可以在很多方面做工作。可以使用一些輕量化的材料，可以優化一些設計，采用CAE的輔助，提前做一些仿真。電芯方面，可以選擇一些能量密度高、電池尺寸標準化的電芯，像100302這款電芯既符合國標又符合VDA的尺寸，也可以在箱體、模組方面進行一些設計優化。另外在制造工程、結構設計方面也可以做一些優化。Pack輕量化也是未來的趨勢。
這是從這幾年國外一些一流的整車廠的主流車型搭載軟包電池系統能量密度的數據。這些車型重要使用軟包電池，韓國現代今年有兩款車搭載了LGC公司的NCM811體系電池。這款電池據報道量產時間推遲了。我個人分析的原因可能有三個：一是，NCM811材料和電芯制造成本高，雖然鈷的含量降低了，但制造工藝復雜，對環境濕度要求很高；二是，NCM811材料的熱穩定性較差，導致NCM811體系電芯的安全性低；三是，NCM811體系電芯循環壽命較短，可能無法滿足整車需求。
我們對不同類型電池的事故率進行的統計，16-17年，國內新能源汽車火災事故分別發生29起和16起。配套車型看，方形電池事故較高，無論是事故次數還是車輛數量占比均超過一半；18年上半年，國內共發生8起，方形和圓柱各一半；根據統計的數據來看，軟包電池安全性相對來說最高。軟包鋰離子電池采用鋁塑膜作為包裝外殼，在發生安全隱患的情況下，軟包鋰離子電池最多只會鼓氣裂開，從封口處釋放能量，而不像鋼殼鋁殼鋰離子電池那樣會出現較大內壓而發生爆炸。目前，軟包鋰離子電池大部分仍采用液態電解質，少數采用凝膠態電解質，隨能量密度發展，固態鋰離子電池發展是必然趨勢，鋰離子電池安全性會進一步提高。
我們還對不同類型電池的成本進行了統計，從包裝成本來說，圓柱、方形、軟包的包裝成本是相似的，差異不大。但在包裝材料的構成方面，方形鋁殼的成本是最高的，方形鋁殼為了降低單位Wh的成本必須把電池容量做大，但隨著成本會降低，安全性也會降低，它可能會熱失控，中間有一些熱量傳遞速度會有限制。不同容量的軟包電池，包裝材料成本相似，相對來說降低單位瓦時成本難度更大。軟包電池的容量，一般在50~60Ah左右。
我們對軟包電池各組分重量和成本占比進行了分析。發現鋁塑膜重量占比為3.0%，成本卻占到整個鋰離子電池總成本的8%，成本構成中占到第三位，成本占比較大。這重要是由于鋁塑膜的制備工藝及市場情況導致的。目前，國內軟包動力鋰電池所用鋁塑膜有90%以上都是進口。
在這簡單介紹下鋁塑膜結構。鋁塑膜重要由外層尼龍層、中間鋁層、內層CPP/PP層三層組成，特種鋁層和CPP/PP層技術壁壘高，產品要求嚴格，全球鋁塑膜市場仍重要由日韓公司壟斷，日本DNP和昭和電工兩大巨頭合計市場占比超過70%。DNP和昭和電工分別是熱法和干法的代表公司。
國產鋁塑膜遇到的常見的技術問題是國產鋁箔在表面處理上有缺陷，穩定性差，另外CPP層材料未完全攻克，絕緣和耐高溫性都存在問題。近些年，國產鋁塑膜公司在材料技術工藝、設備等方面都在不斷完善更新，而且在產品質量、產品一致性和耐電解液性能上有了質的提升。ATL、光宇等已開始批量應用數碼類國產鋁塑膜；同時動力鋰電池領域，新綸科技通過收購日本T&T的成熟鋁塑膜廠和專利技術，成功將鋁塑膜產品導入國內動力鋰電池公司。國內公司通過技術的內生突破、引進吸收以及外延收購等發展途徑，國產化已勢不可擋。
鋁塑膜國產化后，軟包動力鋰電池成本將降低，國產鋁塑膜公司有新綸科技、紫江公司、道明光學、福斯特等。鋁塑膜國產化，鋁塑膜成本每平降低5-7元后，軟包動力鋰電池總體成本降低1.5%左右，可以加速提高軟包電池在新能源汽車市場的占有率。
第三部門介紹下軟包電池市場化趨勢。三種類型電池產量占比均不小，其中方殼電池占比較大。軟包電芯憑借著能量密度高、安全性能好、設計靈活的特點，有望加速提高軟包電池在新能源汽車市場的滲透率。目前，軟包電池在新能源乘用車市場占有率還是比較高。這是高工鋰電統計的2017年搭載不同結構電池全球新能源乘用車（top20）數量占比，其中軟包電池占比達37.4%，比方形鋁殼電池(32.8%)高；這是2017年搭載不同結構電池我國新能源乘用車（top20）數量占比，其中軟包電池占比達44.9%，比方形鋁殼電池(48.7%)略低。預計，2020年三元材料的動力鋰電池需求量將上升至71.6GWh，占比由目前的22%上升至50%左右。而三元動力鋰電池，使用軟包電池占比較大。
高工鋰電數據顯示，2017年動力軟包電池需求量為6.5GWh，市場滲透率為12%。業內預計2018年動力軟包電池需求達到10.9GWh，市場滲透率14%；2020年市場需求達到79.4GWh，滲透率將提升至40%。原因：一是市場對高能量密度電池的需求，實現300Wh/kg電池目標，只有軟包才可以，力神，國軒，CATL已經有軟包線了；二是，鋰硫電池和全固態電池，就目前的工藝、設備、結構設計適合走軟包電池路線；三是，安全問題，軟包電池相對來說更加安全。
第四部分介紹下我們桑頓新能源公司。桑頓新能源公司是隸屬于桑德集團，我們桑德集團成立于1993年，目前業務覆蓋了水資源、水生態、固廢處理、環衛、再生資源、新能源等，我們集團子現在目前控股參股2家上市公司，一家是桑德國際，一家是啟迪桑德，桑德品牌價值已經達到152個億，集團總資產400億以上。我們集團在新能源產業上已經做了布局，而且布局是比較完善的，電池、電機、電控、儲能、充電樁、新能源汽車都有布局。而我們桑頓新能源在電池板塊也形成了一個比較完整的產業布局。
桑頓新能源公司成立于2011年，目前注冊資金25.5億。公司從正極材料的前驅體、正極材料、單體電芯、電池系統、電池管理、電池云平臺管理、電池梯次利用、廢舊電池回收，已經形成完整的這個產業鏈。國家要求2020年電池單體成本控制在0.6元左右，通過目前材料的這個成本的控制，肯定是達不到的。只有完善整個產業鏈，成本才能夠在將來2020年以后得到較好的控制。
目前我們公司電池安全是核心，沒有安全何談產品。我們在安全的這一塊也做了很多的工作。我們有故障分級處理機制、安全生產保障體系、三級檢測體系以及信息化管控追溯系統。從2014年到現在已經有幾萬輛車純電動汽車搭載了我們公司的電池，到目前為止沒有一例安全事故，這也是我們比較自豪的事情。
目前，桑頓新能源電芯產量達到9GWh，在國內排到前五前六。2020年產量達到14GWh。桑頓新能源將在湘潭打造一個千億產業集群園區。
第五部分，總結。由于時間關系，最后總結一句話：三種電池類型占比均不小，但軟包電芯憑借著能量密度高、安全性能好和設計靈活的特點，再加上鋁塑膜國產化趨勢推動下，有望加速提高軟包電池在新能源汽車市場的滲透率；2020年，動力鋰電池中軟包滲透率有望提升至40%，達到79.4GWh。
軟包和方形鋁殼電池有點不相同，軟包是貧液狀態，而鋁殼電池是富液狀態。新鮮的軟包電池中能流動的電解液的量很少，軟包電池可以通過極片、隔膜來保液。隨著循環的進行，電解液也不斷被消耗，假如出現鋁塑膜破損，也不會有電解液泄漏。另外，現在設備的封裝能力較好。
我們會在極片壓實和隔膜做些改進。軟包電池正負極壓實相對鋁殼電池來說低點，隔膜方面也不相同。隔膜工藝方面，我們會在做一些改進，比如涂敷一層PVDF或者與陶瓷混涂。通過極片和隔膜自身的吸液量可以保證循環性能。目前我司的軟包電池產品1C充/1C放循環壽命都在2000次以上，完全滿足電動汽車的需求。另外，在外存在一定的壓力的情況下，軟包電池循環性會比無壓力狀態下高得多。軟包電池在Pack里是有壓力的。
我們分兩部分，廢電池回來我們會進行篩選。前幾年，電池沒有追溯系統，如大數據或是MES系統，退役回來的電池狀態無法判斷狀態，只能通過充放電測試結果篩選。目前，國家有要求，公司也有這個意識，在電池制備過程中加裝MES系統，搭載車的電池包有大數據，這樣電池退役回來后，我們首先通過電池大數據分析一下電池包的使用狀態，有沒有濫用的情況，有沒有出現一致性的問題，或是其他的可以看得出來的問題。首先，篩選好的電池包直接使用到低速車或者其他細分領域；其次，不能直接使用的，拆解出模組，篩選好的模組，重新配組成新的電池包使用到低速車或者其他細分領域；最后，一些無法再次使用的模組直接破壞性拆解，由于鎳、鈷等資源的回收經濟價值高，更適合加以回收。目前桑頓針對三元軟包電池的回收進行了一系列的研究，包括廢舊動力鋰電池包梯次利用、電池快速放電、電池包的拆解、資源的提取和再利用等方面。
國家有立法所有數據不能買賣，但我們會跟主機廠談，主機廠是有數據存儲，我們通過一些商務的模式，一起來分析數據。另外，主機廠是回收電池的主體，我相信他們愿意有這樣的公司和他們一起做。
未來五年內，還是以常規的傳統的鋰離子電池為主，五年以后鋰硫電池和全固態電池才可能在電動汽車上大規模使用。就目前而言，鋰硫電池和全固態電池重要用于3C或是無人機方面。在電動乘用車方面，氫燃料動力電池至少要在十年后才可能大規模使用，但在電動商用車方面，可能會早點，但也要在五年以后。
