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储能科技
21700风起 锂离子电池产业“偏轨”?
2017-08-21 15:22:06 来源:中国储能网新闻中心 作者: 【 】 浏览:37次 评论:0

从18650到21700,单体电池向大尺寸发展肯定会在一定程度提高单体电池容量、能量密度,降低动力电池系统成本,但217000电池同样会面临着各种问题。

今年1月,特斯拉宣布采用21700型锂离子电池,行业内顿时刮起了一阵“21700”旋风。作为圆柱型锂离子电池的风向标,特斯拉将18650电池成功应用于电动汽车之后,引发了国内电池企业密集投产18650的风潮,18650电池也在电动汽车、电动工具、移动电源等领域得到了广泛应用。

而此次特斯拉大规模应用21700电池,也引起了业内的极大期待。在此情况之下,包括远东福斯特、猛狮新能源、深圳比克、亿纬锂能、力神电池等电池企业都宣称将布局21700电池,同时还有大批圆柱电池企业表示高度关注,正在进行技术储备,将21700电池纳入公司未来产品发展规划当中。

特斯拉21700电池

尤其最近一个月,一些电池企业21700电池生产线正式投产,快速将21700电池这股旋风壮大为“龙卷风”。6月28日,亿纬锂能建设的4条兼容21700与18650、年产能3.5GWh的全自动化圆柱生产线在金泉投产,这是国内首条21700电池生产线投资。7月20日,力神电池4GWh 21700动力电池项目投产。

从18650到21700,背后主要推手市特斯拉,动机就是为了降低其电动汽车成本,国内企业跟风而起以占先机。但在笔者看来,国内业界掀起的这股21700“龙卷风”对于真正推动锂离子电池技术进步、产业发展几乎没有任何意义。

21700对动力电池系统提升有限

根据特斯拉披露的信息显示,特斯拉生产的21700电池单体比能量达到300Wh/kg,比18650电池能量密度提升20%以上、单体容量提升35%、成本降低9%达155美元/KWh、在同等能量下所需电池数量可减少约1/3,系统重量减轻了10%。

据亿纬锂能表示,其21700电池容量达4Ah,比18650电池容量提升50%;能量密度达215Wh/kg,比18650电池提升5%~10%;成组数量降低约30%、产品直通率≥96%。根据天津力神发布的高容量21700电池产品显示,单体电池容量4Ah的能量密度为210Wh/kg,单体电池容量5Ah的能量密度为260Wh/kg。

力神21700电池发布现场

对比上述公司的21700电池数据可以看出,与18650电池相比,21700电池的单体容量提高了35~50%,能量密度高5~20%,成组数量降低三分之一左右。表面上看21700电池性能提升较为明显,但实际上并不如想象中的那么美好。

对比18650电池21700电池体积增加了46.5%,对应单体容量应该增长45%左右,在相同容量的动力电池组中,21700电池使用数量应较18650少四成左右;在假设壳体厚度一致的情况下,21700电池壳体重量较18650上升了26.9%,考虑到增加的电池材料重量,21700电池重量应该较18650提高了35%左右。照此计算,21700单体电池的能量密度较18650高10%左右。对照各公司发布的21700电池数据看,基本上和理论计算结果一致。

尽管21700电池的单体容量以及能量密度较18650电池有不同程度提高,同等能量下电池数量会减少,这会带来整个Pack内部金属连接件数量的减少。但其体积也提升了,在动力电池系统成组时单体电池之间的安全冗余空间也随之增大,最终结果是系统重量降低10%左右,动力电池系统成本降低不到10%。

也就是说,从18650到21700,尽管单体电池性能提升较为明显,但动力电池系统的能量密度提升和成本下降都只有10%,并不如单体电池那么明显。

单极力推 市场前景并不乐观

当前,只有特斯拉大力推动21700电池在电动汽车领域应用,其目的是为了降低其电动汽车成本,提升其电动汽车的市场竞争力。之所以这么做,还在于特斯拉在锂离子电池成组技术上的优势,通过复杂的串并联方式将近8000颗18650型电池组成动力电池系统,这也是其立足之本。

特斯拉电池成组技术优势明显

但随着市场竞争日趋激烈,为了向中低端市场拓展,特斯拉迫切需要降低电池系统乃至整车成本。在18650电池差不多到极致的情况下(工艺十分成熟,单体电池成本基本上取决于原材料价格变动情况),在锂离子电池技术没有取得关键性突破时,向大尺寸单体电池方向发展不失为一条好的路径,于是乎21700电池进入了特斯拉的视野。

在经过验证之后,特斯拉开始尝试生产并使用21700电池。21700的优势已经得到了众多电池企业和业内人士的认可,国内电池生产企业纷纷响应,积极投入到21700电池产业化的大军中。

但与之对应的是国内电动汽车企业对此反应平淡。我国电动汽车企业只要极少数采用的与特斯拉类似电池成组技术,更多的是以方形和软包电池为主,不需要使用到18650电池,更不用说21700电池。即使是有电动汽车企业采用了18650电池,其电池模组、PACK、箱体和整车底盘等结构设计方面基本成型,几乎没有意愿采用21700电池。

要知道为了适配新电池,特斯拉专门为Model3设计了全新的电池组模块和Pack架构和底盘结构,能够最大限度的发挥21700电池的能量密度和综合成本优势,但国内绝大多数企业却不具备这种完全正向开发的能力。加上21700电池还没有经过市场验证盲目,跟风直接导入21700将会对新能源汽车产生极大的安全风险。

21700电池安全风险增加

一是产品性能能否有保障?经过多年研发制造的经验积累,18650电池以尺寸高度标准统一、制造工艺成熟、安全性和一致性高、成本低、能量密度高等优点得到了业内的高度认可,被广泛应用于各个领域。松下、三星SDI的18650电池良率一般在98%以上,而国内的良率一般在90%左右。但换成21700之后,制造工艺尚不完全成熟,良率肯定会受到影响,产品的一致性也难以保障。

二是安全风险如何防范?一般来说,锂离子电池单体电池体积越大,能量密度越高,安全风险呈几何级数增长。经过多年的技术攻关和应用实践,18650电池的安全性和可靠性得到了大家的认可。而21700电池尚未经过市场考验,其安全性和可靠性如何保障?尤其是数千个电池成组,其安全风险更是放大了几百倍。

三是综合成本是否具有优势?尽管特斯拉和亿纬锂能等其它电池企业都表示,21700电池在能量密度、制造成本、PACK成本等方面都比18650更有优势,是企业实现降低动力电池价格,降低整车制造成本的有效方式。

综合来看,21700电池的前景并不乐观。

瓶颈难突破 锂离子电池面临围堵

过去的30年里,锂离子电池发生了翻天覆地的变化。形状上,从最初的方形到后来的圆柱形,再到软包电池。容量上,从最开始一块手机用锂离子电池的容量不足500mAh到现在一块手机用电池的容量就达到4000mAh,而应用于电动汽车的单体电池容量超过100Ah。

主要材料方面更是突飞猛进,正极材料从钴酸锂到富锂锰酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、磷酸铁锂等,现在还有更高电压的磷酸锰锂(LiMnPO4)、磷酸钴锂(LiCoPO4)等;负极材料最初以天然石墨、中间相碳微球等材料为主,后来扩展到人工石墨、石油焦、碳纤维、热解树脂碳等碳素材料以及钛酸锂,其他尚未产业化的材料还包括锡基负极材料、合金类负极材料、含锂过渡金属氮化物负极材料等。

电解液从液态扩展到聚合物,以及现在非常热门的固态电解液;隔膜主要使用聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃微孔膜,其他隔膜种类包括聚偏氟乙烯(PVDF)、纤维素复合膜、聚酰亚胺膜(PI)、纳米纤维隔膜等。

应用领域上,从最初使用的手机,拓展到笔记本电脑等消费电子产品,到现在已经深入生活的各个领域,包括电动工具、电动玩具、电动自行车、电动汽车等。但随着电动汽车的广泛普及,锂离子电池能量密度低、充电时间长等问题愈发突出,已经成为制约锂离子电池发展的关键因素。

锂离子电池看起来非常简单,正极材料、负极材料、隔膜和电解液,再加上电极。事实上,别看它不起眼,锂离子电池材料体系非常严密,真正是牵一发而动全身。如果要动它哪怕一分一毫,假设只是一个电极换成新材料,没有长年累月的测试,谁也不敢打包票。

这也是现在锂离子电池材料研究非常热火,各种新材料、新技术报道层出不穷,而锂离子电池进步缓慢,材料体系基本没有变化的根本原因。与之同时,各类新型电池的研发及产业化正在加速,直接剑指锂离子电池的各项弱点。

铝空气金属燃料电池电堆

如锌、镁、锂、铝等金属燃料电池比能量均超过300Wh/kg,甚至高达1000 Wh/kg,均大大超过了当前锂离子电池;而采用锥形纳米管状硅材料或者3D多孔结构纳米硅作为负极材料,锂离子电池的充电时间可以由目前的几个小时降至10分钟左右;有机回流电池、超级电容器、双碳电池、固态锂离子电池等技术则能有效解决当前锂离子电池起火难题。

应用牵引 加快突破核心环节

尽管特斯拉采用21700为电动汽车发展提供了新的思路,但同时也使得产业关注的核心转变为工艺制程的进步,在锂离子电池性能没有明显提升情况下,那只能治标不治本。要推动锂离子电池长久发展,关键还是要治本。

笔者窃以为,应用市场需求是带动锂离子电池进步最大的力量。二次电池的发展历史充分证明了这一点,镍镉、镍氢等电池的兴起在于小型消费电池产品市场的带动,而衰落也在于这一市场被锂离子电池所蚕食。

铅酸电池能够占据二次电池最大市场份额,在于其占据汽车启停电池市场,这也是其经久不衰的根本所在,但由于其缺乏新的应用市场,铅酸电池技术进步十分有限,同时还面临着锂离子电池的强力竞争。

当前,锂离子电池已经完全占据消费电子产品市场,随着消费电子产品不断发生变革,锂离子电池也在随着进步,由于目前还没有出现能够在消费电子产品市场与锂离子电池竞争的二次电池,锂离子电池还将占据消费电子产品市场很长一段时间。

锂离子电池已成功打开电动车市场

同时,锂离子电池正在逐步打开在电动工具、电动自行车、电动汽车等动力电池市场,为其未来技术进步提供了良好的动力,再加上其竞争对手燃料电池、液流电池等新型电池还处于起步阶段,离产业化还有一段距离,这为锂离子电池技术变革提供了难得的历史机遇期。

因此,笔者认为,锂离子电池未来发展方向应该瞄准动力电池、储能电池,在竞争对手尚未发展起来的机遇期,通过提高电池比能量、降低生产成本、增加循环次数,积极占领汽车动力市场,拓展储能市场,挤占铅酸电池市场空间,利用产业化优势对燃料电池、液流电池等新型电池产业化进程造成影响,进而抢占有利竞争地位。

要实现上述目标,最根本还在于锂离子电池实现革命性变化。从当前锂离子电池的材料结构看,正极材料已经成为制约锂离子电池性能提升的最关键因素,不管是现在已经产业化的钴酸锂、锰酸锂、三元材料和磷酸铁锂,还是在研究当中的各种新型正极材料,都存在局限性:一是理论比能量有限,相对于负极材料而言;二是实际比能量和理论值还有较大差距;三是锂离子电池充电时间过快的话就易造成正极材料结构发生变化。

正极材料突破是规模推广的关键

因此,笔者认为要实现锂离子电池革命性变化,必须首先突破正极材料的限制。一方面是继续开发全新的正极材料,具备工作电压高、理论和实际比能量高、温度特性好、材料来源丰富、循环寿命长、安全可靠、成本较低等特性,从材料特性以及过往的正极材料研究历史看,要实现这一点难度非常之大,10年、20年内完成的可能性极低。

二是充分发挥现有正极材料的潜力,创造性运用以纳米技术为代表的新材料制备技术以及碳纳米管、石墨烯等新材料,通过对现有正极材料改性、包覆等手段,改进现有正极材料制备工艺,解决当前正极材料存在的实际比能量低、充电时间长、生产成本高等问题,加快锂离子电池在动力市场、储能市场的应用。

笔者认为第二种方法实现的可能性较大,一是它不需要对现有锂离子电池材料体系做大的改变,只需要细微调整,难度低、时间短;二是纳米技术等新技术和碳纳米管、石墨烯等新材料正在不断成熟,为其在锂离子电池中的应用奠定了很好的基础。

一旦正极材料实现突破,也必然要求锂离子电池整个材料体系发生变化,只有这样才能实现锂离子电池性能根本性提升。当然,隔膜、电解液要实现突破也是存在难度的,相较而言,负极材料突破的难度就小得多。另外电池制备技术和电池成组技术进步是必要的,这也是提升锂离子电池比能量以及降低成本的关键因素。

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