从国家锂电池标准看中国锂电池产业发展,锂电池概念股,锂电池题材股

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从国家锂电池标准看中国锂电池产业发展
2018-12-27

  前言

  2013年以前,尽管业界多个标准都对锂电池的安全提出了要求,包括锂电池运输要求(UN38.3)、便携式密封蓄电池安全要求(IEC62133-2012)、移动电话用电池规范(GB/T18287-2013)等,但这些标准要么不具备国家强制性,要么不够全面。

  事故频出下,业界开始呼吁:是时候规范这个行业了。2014年12月,《便携式电子产品用锂离子电池和电池组安全要求》(GB31241-2014)在千呼万唤中出场,鱼龙混杂的锂电池行业,终于迎来洗牌。

  锂电池国家标准倒逼行业技术改革

  新标准GB31241对锂电池的测试达到了无死角覆盖,除了包含常规的安全要求(安全工作参数、标识要求、警示说明、耐久性)以外,还特别提出了对电池组环境的试验、电池组安全试验、电池组保护电路安全测试要求、系统保护电路安全要求等30多项测试,堪称当时最苛刻的国家强制标准。后续出台的锂电池标准,也都以其为基础模板进行增减、修改。

  对于大型锂电生产企业来说,锂电池国家标准的发布对企业生产影响并不大,因为大型锂电企业的生产设备相对优越,生产工艺流程也相对严格,甚至超过了国家标准。但对于没有标准化生产设备的小电池厂来说,锂电池国家标准对其产品及工艺提出了近乎苛刻的要求。可以说,锂电池国家标准,正是锂电池产品安全的最基本保障,它倒逼着行业进行设备升级和技术突破。

  为确保锂离子电池的安全使用,厂家们进行了严格、周密的电池安全性能设计,以达到国家安全标准:

  一、通过各种环境滥用测试。对电池进行各项滥用实验,如外部短路、过充、针刺、冲击、焚烧等,考察电池的安全性能;进行温度冲击实验和振动、跌落、冲击等力学性能实验,考察电池在实际使用环境下的性能。

  二、研发采用先进的SEI膜。作为电极材料的“保护伞”,一方面,SEI膜可消耗部分锂离子,降低电极材料的充放电效率;另一方面,SEI膜能有效防止溶剂分子的共嵌入,避免因溶剂分子共嵌入对电极材料造成破坏,大大提高电极的循环性能和使用寿命。

  三、研发新型电解液。目前大部分商用锂离子电池都采用LiPF6的EC/DMC作为电解液,因其较高的离子导电率与较好的电化学稳定性。由于液态电解质锂离子电池存在漏液、爆炸等安全性问题,固体电解液的研究被提上日程,固体聚合物电解质既可作为正负电极间隔膜,又可用作传递离子的电解质。

  四、挖掘新型锂电正极材料。作为锂电池的核心,正极材料在锂电池的总成本中占据40%以上的比例,其性能直接影响锂电子电池的各项性能指标。基于对锂电池性能的差异化需求,各种主流锂电正极材料在各领域中得到合适的应用。专家预计,到2020年锂电正极材料市场规模有望达到595亿元。

  以三元材料为主导的动力锂电池正在崛起

  在锂电池产业规模迅速扩张的背景下,决定锂电池能量密度、循环寿命和安全性等重要指标的正极材料备受业界关注。目前锂离子电池的负极材料仍主要以石墨为主,而正极材料领域出现了百家争鸣的局面,钴酸锂、锰酸锂、镍钴酸锂、磷酸铁锂等材料陆续产业化,并应用于众多领域。

  就现阶段而言,磷酸铁锂电池仍占据着市场的主导地位,一个重要原因是:磷酸铁锂材料具有稳定的橄榄石结构,理论上可以允许结构中的锂全部脱出,充放电可逆性好,循环性能十分优越。另一种材料锰酸锂虽然具有较高的氧化还原放热稳定性,且充放电循环300多次后容量保持率仍达到90%以上,工业化成熟度、成本、一致性均优于磷酸铁锂,但其安全性较差。

  此外,业界大多厂家认为三元材料将成为未来市场的主流。一方面,三元材料低温下性能较好,零下摄氏度时的放电效率大大高于其他材料。众所周知,高温管理比低温方便,低温升到高温的热管理设计较难实现;另一方面,三元材料的能量密度和电压平台高,对于提高电动汽车的续航里程有很大帮助。相反的,磷酸铁锂电池在能量密度的研发上已经进入瓶颈。

  未来锂离子电池必定是朝高安全性、高能量密度、长寿命、高可靠性及低成本等方向发展。其中,安全是第一位的,补贴新政与电池能量密度挂钩,导致一味追求高能量密度的厂家比比皆是,国内外频繁的电动车事故,时刻提醒着我们:任何超越目前安全技术水平的“大跃进”,在安全面前都是站不住脚的。

  在保证安全性的前提下,降低成本、提高性能是唯一的出路。部分电池生产商通过增大电池尺寸来达到提高能量密度的目的。在现有条件下,21700三元锂电池系统的能量密度可达300Wh/kg左右,比18650锂电池系统的250Wh/kg提高了20%——由于电池单体电池容量的提升意味着同等能量下所需电芯的数量减少,如此一来虽然单个电芯的重量和成本提升了,但电池系统PACK的重量和成本却得到了降低。

  但,一味的增大电池尺寸并不是长久之计。在目前的技术水平下,高能量密度和高循环寿命两者不可兼得。据测算,容量每提升10%,电池循环寿命大约会降低20%;充放电倍率降低30~40%;同时电池会有20%左右的温升。如持续增大尺寸大话,又将面对牺牲安全性所带来的风险。因此,引导业内对三元锂电池有正确的认识,避免一味追求高能量密度,提升安全性才是重中之重。

  电动汽车发展落后于预期,锂电池成储能技术理想选择

  目前,锂离子电池主要应用于交通动力、电力储能、移动通信、航天军工等领域。受国内补贴政策和Tesla、比亚迪(002594)等大型车企影响,以电动汽车为主要载体的三元动力锂电池备受青睐。

  根据《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)》,计划到2020年,纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产能力达200万辆、累计产销量超过500万辆。在新能源双积分政策以及汽车产业转型的大环境下,国内新能源汽车产品层出不穷,更新迅速,但其性价比仍不能完全满足实际需要,电动汽车成本尤其电池组的成本仍超出普通消费者的承受能力。随着新能源汽车补贴下行,并受经济增速放缓、中美贸易摩擦、内需呈现疲软态势等因素影响,“新车卖的好,但却不赚钱”的尴尬行情持续在第三季度上演。

  总体来看,市场疲乏导致的产品积压问题困扰着大部分新能源车企。此外,还有不少国内新势力车企依旧停在“ppt”造车阶段,面对补贴政策紧缩、续航里程和电池能量密度门槛的提高,无法实现量产交付导致融资困难成为其面对的一大困扰。可见,国内电动汽车发展仍落后于国人预期,随着外来品牌的“大举入侵”,未来国内新能源汽车市场的竞争将更加严峻。

  在储能领域,锂离子电池的霸主地位已十分牢固。2018年6月,国家标准《电力储能用锂离子电池》(GB/T36280-2018)发布,并将于2019年1月实施。随着电池技术带来锂电池成本的下降和能量密度的提升,储能行业有望迎来快速发展。

  值得一提的是,将“退役”的三元锂电池回收用于储能的可行性仍然存疑。众所周知,三元锂循环寿命相对短,容量衰减较快,三元动力电池报废时,自身的容量已经下降很多,性能不再有明显优势。更可以预见的是安全性也将更差,因为随着材料不断循环,比表面积变大,活性位点也将随之增加。即便截止寿命被限定在初始容量的80%,在容量剩余不到80%以后,循环跳水的情况也容易发生。因此,笔者认为,鉴于镍钴锰的价格比磷酸铁锂更贵,尤其是钴,将其回收后提取才能带来更大的价值。

  结语

  经十几年的发展,锂离子电池产业基本形成了中日韩三分天下的格局。在可预见的未来,中国在锂离子电池正极材料的开发和产业化方面具有得天独厚的优势:锂、钴、镍、锰等原料资源丰富、正极及其前驱体产业齐全、有色金属冶炼工艺成熟,且拥有全世界最完整的动力电池产业链。

  此外,我们也应看到,在海外,仍是松下、三星、LG产品的天下,国内在锂电池材料的前期研究和知识产权方面还和顶尖跨国企业存在差距。市场竞争、适者生存,唯有科技创新是王道,国内锂电池产业虽然饱受期待,但尚需协力前行。

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