鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：4191次 | 2018年12月11日
LG化學(xué)、SKI、三星SDI、松下、CATL動(dòng)力電池技術(shù)現(xiàn)狀與規(guī)劃
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全球動(dòng)力電池企業(yè)當(dāng)前技術(shù)現(xiàn)狀
1.1. 電池形態(tài)：形態(tài)各異，各有優(yōu)勢(shì)
LG化學(xué)和SKI：在動(dòng)力電池在封裝方面，都采用疊片式軟包設(shè)計(jì)。軟包鋰電池與圓柱、方形電池之間的最大區(qū)別之處在于鋁塑膜，這是軟包鋰電池比較關(guān)鍵、技術(shù)難度較高的一個(gè)環(huán)節(jié)。軟包電池主要有安全性能好（軟包電池在結(jié)構(gòu)上采用鋁塑膜包裝，發(fā)生安全問(wèn)題時(shí)，軟包電池一般會(huì)鼓氣裂開(kāi)，不會(huì)爆炸）、重量輕（軟包電池重量較同等容量鋁殼鋰電池輕10%-20%）、內(nèi)阻小、循環(huán)性能好、設(shè)計(jì)靈活（外形可變?nèi)我庑螤?，可以更薄，可根?jù)客戶(hù)的需求定制，開(kāi)發(fā)新的電芯型號(hào)）等諸多優(yōu)點(diǎn)。軟包電池的缺點(diǎn)主要是一致性較差，成本較高，容易發(fā)生漏液，技術(shù)門(mén)檻高。
三星SDI和CATL：在動(dòng)力電池封裝方面主要以方形為主。方形硬殼電池能夠生產(chǎn)大容量單體電池。此外，方形電池殼體多為鋁合金、不銹鋼等材料，內(nèi)部采用卷繞式或疊片式工藝，對(duì)電芯的保護(hù)作用優(yōu)于于軟包電池，電芯安全性相對(duì)圓柱型電池也有了較大改善。方形電池的不足之處在與型號(hào)較多，工藝難以統(tǒng)一。目前方形電池到模組的成組效率可達(dá)到88%，高于軟包、圓柱電池的成組效率。三星SDI除了生產(chǎn)方形電池外，還生產(chǎn)18650和21700規(guī)格的圓柱電池，主要應(yīng)用于消費(fèi)類(lèi)電池領(lǐng)域。同樣，CATL除了主打的方形電芯，2018年也在小批量供應(yīng)軟包電池，CATL的單體容量規(guī)格較多，主要有37Ah、43Ah、51Ah、72Ah、148Ah、153Ah等。與三星SDI相比，CATL通過(guò)加大電芯厚度來(lái)提升電芯容量，從而在一定程度提高其能量密度，然而CATL在電芯的制造工藝、模組集成輕量化方面較三星SDI稍差。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
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%
松下動(dòng)力電池：采用的是NCA正極材料，由于NCA正極材料在充放電過(guò)程中容易產(chǎn)氣的特性，電芯封裝以圓柱為主。圓柱形電池的優(yōu)點(diǎn)主要有生產(chǎn)工藝成熟，產(chǎn)品良率高，有如18650、21700等統(tǒng)一規(guī)格型號(hào)，整體成本有優(yōu)勢(shì)。然而圓柱形電池缺點(diǎn)也比較明顯，NCA圓柱形電池由于安全性較差，需要配備非常好的熱管理系統(tǒng)，模組以及PACK集成難度大，能量密度利用率較低。另外，除了供應(yīng)特斯拉的圓柱形電池外，松下還給其它車(chē)企供應(yīng)方形電池，主要配套HV/PHV 車(chē)型，對(duì)于HV/PHV車(chē)型，主要向高輸出功率/高容量進(jìn)行突破，對(duì)于BEV車(chē)型，則向高能量密度進(jìn)行突破。
總體來(lái)說(shuō)，軟包、圓柱、方形三種形態(tài)的電芯中，方形電芯在模組集成過(guò)程中難度最小，模組也便于電池PACK的布置集成，大容量電芯便于簡(jiǎn)化電池管理系統(tǒng)的復(fù)雜度，同樣易于設(shè)計(jì)電池PACK的熱管理系統(tǒng)。
1.2. 化學(xué)體系：高鎳三元，大勢(shì)所趨
LG化學(xué)：目前軟包動(dòng)力電池主要以正極采用NCM622摻雜LMO、負(fù)極采用石墨、涂覆隔膜的化學(xué)體系，以后正極材料會(huì)發(fā)展為712體系。NCM811體系的電池主要以圓柱為主，用于電動(dòng)巴士上。
三星SDI：目前的動(dòng)力電池同樣以正極NCM 622+石墨負(fù)極的化學(xué)體系為主，也量產(chǎn)NCA+LMO的正極材料，目前三星SDI的單體鋰離子電池產(chǎn)品系列比較齊全，標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品包括高能量的BEV(純電動(dòng))60Ah、94Ah電池，PHEV(插電式混合電動(dòng)車(chē))26Ah、37Ah電池(26Ah會(huì)逐漸被37Ah取代)，HEV(混合電動(dòng)車(chē))5.2Ah、5.9Ah電池，以及與超級(jí)電容器結(jié)合應(yīng)用于低壓系統(tǒng)(LVS，low voltage system)的高功率電池(4.0Ah、11Ah)。
松下電池：松下目前的圓柱形動(dòng)力電池主要為NCA+硅碳負(fù)極的化學(xué)體系。根據(jù)A2Mac1實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，特斯拉采用的松下圓柱形電池型號(hào)從Model S、Model X的18650逐步過(guò)渡到Model 3的21700，NCA正極材料配比由Ni：Co：Al=0.82:0.15:0.03升級(jí)為Ni：Co：Al=0.9:0.05:0.05，鎳的含量進(jìn)一步得到提升，鈷的含量降至0.05%，極大地降低了電池的原材料成本，領(lǐng)先于NCM的811化學(xué)體系。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱(chēng)電壓：28.8V
標(biāo)稱(chēng)容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
SKI電池：SKI目前的軟包電池正極材料主要為NCM622為主，在2019年應(yīng)該發(fā)展為NCM811混合體系，2020年發(fā)展為100%比例的NCM811體系，2021年以后預(yù)計(jì)Ni的含量將達(dá)90%。負(fù)極材料目前采用石墨，預(yù)計(jì)2021年后采用硅碳負(fù)極。
CATL：目前CATL的方形電池正極材料主要為NCM523為主，在2019年應(yīng)該發(fā)展為NCM811體系。負(fù)極材料目前主要采用石墨，預(yù)計(jì)2020年后采用硅碳負(fù)極。
1.3. 成組效率：方形最優(yōu)，圓柱最難
LG化學(xué)與SKI：目前軟包電池雖然單體能量密度比方形電芯高，但是在成組效率方面較低，目前能量密度轉(zhuǎn)化率預(yù)計(jì)在80%左右。
三星SDI與CATL：電芯由于采用的是方形電芯形態(tài)，成組效率較高，電芯至模組最高的能量密度轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)90%。
松下電池：?jiǎn)误w能量密度高，但是由于單體數(shù)量眾多，需要眾多結(jié)構(gòu)輔助件，系統(tǒng)集成難度較大，電芯至模組和電池包的集成效率較低。18650升級(jí)為21700，單體使用數(shù)量減少，一定程度上提高了集成效率。特斯拉Model 3有兩種規(guī)格模組，能量密度轉(zhuǎn)化效率高達(dá)84%。Model X（90kWh版本）的電池包由7104個(gè)電芯96S74P組成，能量密度148.4Wh/kg，集成效率為60.41%；Model 3的電池包由4416個(gè)電芯組成，能量密度167Wh/kg，集成效率為64.2%。
1.4. 能量密度：松下領(lǐng)跑，三星較慢
LG化學(xué)：電芯能量密度在250Wh/kg左右，體積能量密度在530Wh/L左右，可以滿(mǎn)足整車(chē)400km的續(xù)航里程需求。
三星SDI：在能量密度的提升上，和國(guó)內(nèi)通用的以Wh/kg所不同，所采用的標(biāo)準(zhǔn)是Wh/L，三星認(rèn)為對(duì)于乘用車(chē)來(lái)講，Wh/L其實(shí)意義更重要。目前，三星的第3代動(dòng)力電池能量密度是在550Wh/L，相當(dāng)于210-230Wh/kg，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
松下：根據(jù)A2Mac1實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在單體容量上，松下由NCR 18650B型號(hào)的3.2Ah提升至21700NCA型號(hào)的4.8Ah，電壓平臺(tái)由3.6V提升至3.7V。隨著單體容量和單體電壓的提升，能量密度由NCR 18650B的245.1Wh/kg提升至21700NCA的260Wh/kg，后續(xù)可以提升到300Wh/kg，在體積能量密度方面21700遠(yuǎn)高于18650，經(jīng)計(jì)算可知松下的21700電芯體積能量密度高達(dá)732Wh/L。
SKI：在2018年量產(chǎn)的64Ah規(guī)格的軟包電芯能量密度可達(dá)260Wh/kg，體積能量密度可達(dá)540Wh/L。
CATL：目前量產(chǎn)的153Ah規(guī)格電芯能量密度可達(dá)217Wh/kg，體積能量密度可達(dá)510Wh/L。
全球動(dòng)力電池企業(yè)當(dāng)前技術(shù)現(xiàn)狀與規(guī)劃
1.5. 循環(huán)壽命：圓柱電芯壽命低于軟包方形電芯
LG化學(xué)具有較好的循環(huán)壽命，能到達(dá)到2000次循環(huán)，三星SDI的動(dòng)力電池循環(huán)壽命可以達(dá)到1500次，松下的18650電芯循環(huán)壽命約500-1000次。
CATL的523體系動(dòng)力電池電芯循環(huán)壽命可以達(dá)到1800次，與韓國(guó)企業(yè)的壽命指標(biāo)較為接近，日本的電池循環(huán)壽命顯著偏低。
國(guó)內(nèi)外技術(shù)相近，CATL不懼競(jìng)爭(zhēng)：從電池形態(tài)、化學(xué)體系、成組效率、能量密度和循環(huán)壽命等五個(gè)維度對(duì)LG化學(xué)、三星SDI、松下、SKI、CATL的動(dòng)力電池進(jìn)行綜合對(duì)比，CATL以NCM523體系的正極材料做出與三星SDI能量密度相近的產(chǎn)品，某些產(chǎn)品甚至高于三星SDI，循環(huán)壽命同樣具有一定的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)?？紤]電芯至模組的成組效率，CATL與LG化學(xué)、SKI、松下在模組層面的具有很強(qiáng)的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力。
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全球動(dòng)力電池企業(yè)未來(lái)技術(shù)規(guī)劃
2.1. 電池技術(shù)的發(fā)展路徑
LG化學(xué)：LG電芯依然為軟包形態(tài)，在長(zhǎng)度上會(huì)根據(jù)整車(chē)需求考慮加長(zhǎng)，主要有兩個(gè)好處：提供電芯到模組的能量密度轉(zhuǎn)化率，提到能量密度（上升約13%）。模組形式采用VDA模組和長(zhǎng)模組形式，減去散熱鋁板采用軟包邊緣導(dǎo)熱膠形式，提升散熱性能，簡(jiǎn)化模組結(jié)構(gòu)，改善電芯至模組的能量密度轉(zhuǎn)化率，提升模組能量密度。2020-2022年單體能量密度將達(dá)到300Wh/kg，體積能量密度將達(dá)到700Wh/L，可以滿(mǎn)足整車(chē)500km的續(xù)航里程需求。2023-2024年能量密度將達(dá)330Wh/kg，可以滿(mǎn)足整車(chē)600km的續(xù)航里程需求。
三星SDI：下一代3.5代產(chǎn)品能量密度可以達(dá)到630Wh/L，預(yù)計(jì)在2019年量產(chǎn)。同時(shí)，三星還在加大力度研發(fā)第4代電池，能量密度可以達(dá)到700Wh/L，相當(dāng)于270-280Wh/kg，預(yù)計(jì)2021~2022年左右量產(chǎn)，此后第5代電池會(huì)達(dá)到800Wh/L 相當(dāng)于300Wh/kg，這個(gè)產(chǎn)品會(huì)在2023年以后量產(chǎn)。300Wh/kg已經(jīng)是鋰電池儲(chǔ)能的能量密度極限，2023-2025年就需要通過(guò)變革電池創(chuàng)新來(lái)進(jìn)一步提升，目前，三星也在做新型電池的基礎(chǔ)研發(fā)，樣品可以做出來(lái)，但距離產(chǎn)業(yè)化量產(chǎn)還比較遠(yuǎn)：在2015年，三星SDI的全固態(tài)電池試制樣品已經(jīng)可以達(dá)到300Wh/kg(采用硫化物類(lèi)的固態(tài)電解質(zhì))，至于鋰金屬電池、鋰空氣電池，三星SDI現(xiàn)在只是實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)，真正應(yīng)用可能要10年之后，屆時(shí)能量密度有望達(dá)到900Wh/kg，一次充電可行駛700km的目標(biāo)。
松下：松下的動(dòng)力電池未來(lái)發(fā)展方向主要分為兩大類(lèi)，方形電池主要應(yīng)用于高功率輸出的HV和PHEV領(lǐng)域，圓柱電池主要應(yīng)用于高能量密度的EV領(lǐng)域。并且會(huì)通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化鎳鈷含量比例，開(kāi)發(fā)繼續(xù)引領(lǐng)高能量密度優(yōu)勢(shì)的新型材料。發(fā)展新的結(jié)構(gòu)電池單體以提高其安全性和容量。
SKI：SKI在2019年正極材料體系將由NCM 622升級(jí)為摻雜NCM 811的NCM 622體系，負(fù)極材料在2021-2022年將由石墨升級(jí)為硅碳負(fù)極。產(chǎn)品規(guī)格將包括63Ah、70Ah、75Ah、80Ah、86Ah、90Ah等，使用壽命方面將保證10年24萬(wàn)公里，快充方面將10min可滿(mǎn)足100km的續(xù)航里程需求。2020年的能量密度目標(biāo)為284Wh/kg，2021年的能量密度目標(biāo)為294Wh/kg，2022年能量密度有望達(dá)到314Wh/kg，隨著硅碳負(fù)極的使用在2023年能量密度將達(dá)到319Wh/kg。
CATL：CATL未來(lái)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)可以從材料體系、電芯、模組、PACK等幾個(gè)方面分析。
材料體系方面：CATL目前的正極材料主要為NCM 523，在2019年底有望量產(chǎn)NCM 811體系電池，正極材料除了往高鎳方向發(fā)展，CATL一直致力于高電壓平臺(tái)的正極材料研發(fā)，并有望在2020年后量產(chǎn)且改善電芯的能量密度；同時(shí)，在2020年左右CATL會(huì)采用硅碳負(fù)極材料以提升負(fù)極的理論能量密度從而提高電芯的能量密度；電解液通過(guò)優(yōu)化配方并添加新型添加劑，使其耐高壓性能、熱穩(wěn)定性能更好；隔膜主要采用涂覆濕法隔膜。
電芯方面：CATL目前通過(guò)加厚電芯尺寸，將單體電芯的容量做到153Ah，顯著改善其單體的能量密度，未來(lái)的發(fā)展方向可能將高度由當(dāng)前的108mm做到100mm以?xún)?nèi)，利于扁平的電池PACK設(shè)計(jì)，更好地便于整車(chē)底盤(pán)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)車(chē)身內(nèi)部的空間體驗(yàn)。另外，CATL在快充電芯方面積累深厚，目前已有43Ah的三元快充產(chǎn)品量產(chǎn)，最大充電倍率可達(dá)4C，即最快可以25分鐘充滿(mǎn)電量，待成本改善后，將徹底解決電動(dòng)車(chē)充電速度慢的痛點(diǎn)。2019年電芯的能量密度將達(dá)230Wh/kg，2020-2021年電芯的能量密度將達(dá)265Wh/kg。
模組方面：為了便于電池包PACK的集成，CATL在未來(lái)將會(huì)推出標(biāo)準(zhǔn)模組外的Combo 模組、Sandwich模組和低高度模組，能量密度以及轉(zhuǎn)化率都將得到顯著提升。集成效率在2019年將從2018年的83%提升至86%，2020年將會(huì)達(dá)到89%-90%，2021-2022年將會(huì)達(dá)到91%-92%。
PACK方面：CATL2018年電池PACK的能量密度在150-160Wh/kg，2019-2020年能量密度將達(dá)180Wh/kg，2021年以后能量密度將達(dá)210Wh/kg。冷卻系統(tǒng)均采用水冷方式，冷卻板為口琴管形式，在2019年將會(huì)與電池包托盤(pán)集成為一體，提高集成效率。集成效率2018年在72%左右，2019年有望提升至76%，2021年有望達(dá)到80%的目標(biāo)。
2.2. 材料體系的發(fā)展趨勢(shì)
LG化學(xué)未來(lái)從622做到70％的鎳，10％的鈷和20％的錳以達(dá)到712。而NCMA是LG的一個(gè)中長(zhǎng)期目標(biāo)，通過(guò)向NCM添加氧化鋁，使鎳含量接近90％，鈷含量低于10%。目前的情況是622軟包電芯正在量產(chǎn)，712型正在積極開(kāi)發(fā)，會(huì)在兩到三年內(nèi)進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。NCM811正極材料更適用于圓柱電池，會(huì)大量生產(chǎn)用于電動(dòng)公交車(chē)，第三代電池主要的發(fā)展方向是增加能量密度（增加鎳含量），降低成本（減少鈷含量）和提高充電性能（引入人造石墨負(fù)極）。
三星SDI未來(lái)采用NCA材料，因?yàn)殇囯x子在循環(huán)往復(fù)的使用過(guò)程中，容易在NCA表面形成一些殘留，會(huì)影響它的使用壽命。三星SDI通過(guò)在NCA表面做一層金屬的涂布，減少殘留，提高它的使用壽命。
松下已開(kāi)發(fā)出的正極材料有鎳鈷錳酸鋰、鎳鈷鋁酸鋰等，并已經(jīng)在規(guī)?；瘧?yīng)用。為了解決鎳氧化物帶來(lái)的熱穩(wěn)定性低和安全方面的問(wèn)題，松下在正極材料表面進(jìn)行了納米涂層處理，特別注重通過(guò)“松下固溶液Panasonic Solid Solution”（PSS）等技術(shù)提高安全性，該技術(shù)在新的正極中采用“耐熱層”（HRL）技術(shù)。
SKI目前的軟包電池正極材料主要為NCM622為主，在2019年應(yīng)該發(fā)展為NCM811混合體系，2020年發(fā)展為100%比例的NCM811體系，2021年以后預(yù)計(jì)Ni的含量將達(dá)90%。負(fù)極材料目前采用石墨，預(yù)計(jì)2021年后采用硅碳負(fù)極。
CATL目前的正極材料主要為NCM 523，在2019年底有望量產(chǎn)NCM 811體系電池，正極材料除了往高鎳方向發(fā)展，CATL一直致力于高電壓平臺(tái)的正極材料研發(fā)，并有望在2020年后量產(chǎn)且改善電芯的能量密度；同時(shí)，在2020年左右CATL會(huì)采用硅碳負(fù)極材料以提升負(fù)極的理論能量密度從而提高電芯的能量密度；電解液通過(guò)優(yōu)化配方并添加新型添加劑，使其耐高壓性能、熱穩(wěn)定性能更好；隔膜主要采用涂覆濕法隔膜。
