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動(dòng)力鋰電池分類介紹

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:2031次  |  2020年11月05日  

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(jìn)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(yīng)用于3C領(lǐng)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(huán)性等方面優(yōu)勢(shì)明顯,因此被廣泛應(yīng)用于動(dòng)力鋰電池領(lǐng)域。2017年,動(dòng)力鋰電池市場(chǎng)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(jù)優(yōu)勢(shì),但成本、循環(huán)性、安全性上弱于磷酸鐵鋰離子電池。加之政策引導(dǎo)因素,因此新能源汽車(chē)市場(chǎng)中,客車(chē)采用的電池以磷酸鐵鋰為主,轎車(chē)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(jí)版,中和了三種電池在能量密度和安全性、循環(huán)性方面的優(yōu)缺點(diǎn),成為動(dòng)力鋰電池領(lǐng)域主流技術(shù)路線之一。根據(jù)正極材料中鎳鈷錳三種金屬比例不同,三元電池可以細(xì)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(lái)說(shuō),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(dòng)力鋰電池行業(yè)最新技術(shù)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(jiàn)配比為8:1.5:0.5,單體能量密度可達(dá)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(chǎn)環(huán)境極為嚴(yán)苛,生產(chǎn)成本及技術(shù)要求高。目前,關(guān)于最新的高鎳三元鋰離子電池技術(shù),日韓重要選擇NCA,但產(chǎn)量不高,重要的原因?yàn)槭袌?chǎng)需求不足。國(guó)內(nèi)在NCA技術(shù)上仍不成熟,因此在高鎳三元領(lǐng)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(yè)化程度仍然較低。隨著產(chǎn)業(yè)政策要求的不斷升級(jí)、技術(shù)的不斷成熟以及下游中高端車(chē)需求量的不斷上升,預(yù)計(jì)2020年以后高鎳電池的市場(chǎng)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(jīng)退出市場(chǎng),NCM523占比上升為78%,成為行業(yè)主流;同時(shí)NCM622上升為14%,高鎳三元材料亦有少量出貨。


生產(chǎn)線方面,NCM532與NCM622電池基本可以通過(guò)改變配比實(shí)現(xiàn)在同一生產(chǎn)線上的生產(chǎn)。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(jìn)行,且濕度控制要求在10%以下,因此要公司重新設(shè)計(jì)廠房和設(shè)備,難以與其他產(chǎn)品共用生產(chǎn)線。


動(dòng)力鋰電池按照形態(tài)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(jià)格低廉)。軟包電池外殼重要為鋁塑膜(價(jià)格昂貴)。


從發(fā)展歷史看,圓柱電池為最先采用的電池封裝形態(tài),目前生產(chǎn)已標(biāo)準(zhǔn)化,主流型號(hào)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(xiàn)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(shí)縫隙更小,單位體積的電池包中結(jié)構(gòu)件更少,重量更輕,因此,在單體電池在組成系統(tǒng)時(shí)能量密度下降幅度更小[根據(jù)美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室測(cè)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(huán)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(chǎng)上重要為方型電池,圓柱電池重要被用在微型車(chē)和電動(dòng)工具上,在乘用車(chē)和商用車(chē)領(lǐng)域占比較低[2018年上半年,國(guó)內(nèi)15.58GWh里電池裝機(jī)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(chē)也不是完全沒(méi)有機(jī)會(huì)。圓柱電池雖然重量較大,成組后系統(tǒng)能量密度下降較多,但是該形態(tài)電池技術(shù)成熟、生產(chǎn)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(tài)組合,因此已實(shí)現(xiàn)與NCA、NCM811等高鎳材料的較好結(jié)合。目前,搭載了NCA正極材料的21700型號(hào)圓柱電池已應(yīng)用于特斯拉Model3上,能量密度可達(dá)300Wh/kg。未來(lái)圓柱電池的發(fā)展方向或向?qū)m(xù)航里程要求較高的高端乘用車(chē)用高鎳三元鋰離子電池發(fā)展,且型號(hào)由18650向體積和容量更大的21700發(fā)展。


軟包電池重量輕,結(jié)構(gòu)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(guī)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(jìn)口,度電成本并未明顯下降。不足方面,軟包電池的機(jī)械強(qiáng)度和一致性較其他形態(tài)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(tài)。


此外,按電極片排布方式劃分可以將動(dòng)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(huán)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(dòng)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(duì)大電流放電性能要求不高。相反,功率型鋰離子電池對(duì)功率要求較高,既動(dòng)力,而對(duì)電池耐力要求不高。


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