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2017年我国锂电池行业上、下游消费领域占比【图】

2017年12月20日 11:37:05字号:T|T

    锂电池大致可分为两类:锂金属电池和锂离子电池。锂离子电池不含有金属态的锂,并且是可以充电的。可充电电池的第五代产品锂金属电池在1996年诞生,其安全性、比容量、自放电率和性能价格比均优于锂离子电池。由于其自身的高技术要求限制,现在只有少数几个国家的公司在生产这种锂金属电池。因此,我们这里主要讨论的是锂离子电池。

锂离子电池产业链

数据来源:公开资料整理

    根据中国汽车工业协会的数据,2017年1-10月,新能源汽车生产51.7万辆,同比增长45.6%;销售49.0万辆,同比增长45.4%。其中纯电动汽车产销42.7万辆和40.2万辆,同比增长54.7%和55.8%;插电式混合动力汽车产销9.0万辆和8.8万辆,同比增长13.9%和11.4%。新能源汽车产销量仍然保持高速的增长。

    随着新能源汽车产销量爆发式增长,新能源汽车在我国汽车产量占比不断提升。2016年,新能源汽车产量占汽车总产量的比例为1.79%;新能源汽车销量占汽车总销量的比例为1.81%。2017年1-10月,新能源汽车产量占汽车总产量的比例为2.3%;新能源汽车销量占汽车总销量的比例为2.1%。

我国新能源汽车产销量爆发式增长(万辆)

数据来源:公开资料整理

我国汽车产销量中新能源汽车占比不断提升

数据来源:公开资料整理

    从应用领域来看,锂离子电池下游需求主要是3C消费电子领域、动力电池、工业及储能。目前,3C消费电子领域仍是锂电池的最大需求终端,不过随着新能源汽车产量的快速增长,刺激了对动力电池的需求,成为锂电池需求增长的最主要的支撑点。

锂离子电池内部组件成本结构图

数据来源:公开资料整理

我国锂离子电池各消费领域占比

数据来源:公开资料整理

    隔膜是决定锂离子电池性能、安全性和成本的重要部分。锂离子电池的放电原理是正极材料中的锂离子Li+脱嵌,通过电解液移动到负极中,电子则通过外电路从正极移动到负极中形成电流。正负极材料一旦发生接触就会导致电池发生短路,甚至发生燃烧和爆炸。而隔膜作为一种绝缘材料,其主要作用在于防止正负极材料接触导致短路,成为保障电池安全的最重要部分之一。隔膜能够浸润在电解液中,而且表面上有大量允许锂离子通过的微孔。材料、厚度和微孔数量等特性都会影响锂离子穿过隔膜的速度,进而影响到电池的放电倍率、循环寿命等性能。在四大锂离子电池材料中,隔膜的成本占比仅次于正极材料,约为10%-15%,在一些高端电池中,隔膜成本占比甚至超过20%,主要原因在于:四大锂离子电池材料中,隔膜技术壁垒最高,毛利率最高。

锂离子电池隔膜性能和技术要求

项目
特性
要求
作用
对工艺和材料的要求
安全性
穿刺强度
足够的穿刺强度
防止锂枝晶、极片毛刺刺穿隔膜造成短路
主要受基体材料和工艺共同影响,实现难度较高
融化温度
尽可能高的温度
防止隔膜熔化造成电池内部再短路
闭孔温度
高于电池正常使用温度,低于融化温度
防止电池过热
融化温度
尽可能高的温度
防止隔膜熔化造成电池内部再短路
一致性
孔径
保证在良好透过性的情况下满足不同电池性能的需求
保证较低的电阻和较高的离子导电性,提高电池能量密度,提升充放电性能
主要受工艺影响,对电池稳定性影响较大,实现难度较高
孔隙率
保证在一定孔径的情况下孔隙率尽可能大
 
浸润性
对电解液的浸润能力好
 
厚度
在一定机械强度下尽可能薄,越厚内阻越大
降低厚度可减少内阻,提高电池倍率性能
稳定性
电子绝缘性、化学稳定性
绝缘线良好,足够的化学、电化学稳定性
隔离正负极,防止电池短路耐电池液腐蚀(电解液的溶剂为强极性的有机化合物),保证隔膜寿命
主要受基体材料影响,实现难度相对较低
电化学稳定
 
 
拉伸强度、收缩率
足够的拉伸强度、较小的收缩率
防止隔膜变形

数据来源:公开资料整理

    锂电池隔膜的生产工艺包括湿法工艺和干法工艺,同时干法工艺又可分为单向拉伸工艺和双向拉伸工艺。

    湿法工艺将液态烃或一些小分子物质与聚烯烃树脂混合,加热熔融后,形成均匀的混合物,然后降温进行相分离,压制得膜片,再将膜片加热至接近熔点温度,进行双向拉伸使分子链取向,最后保温一定时间,用易挥发物质洗脱残留的溶剂,可制备出相互贯通的微孔膜材料。日本旭化成、日本东燃、韩国SK等均采用此工艺。

    干法可细分为单向拉伸工艺和双向拉伸工艺。干法单向拉伸工艺是通过生产硬弹性纤维的方法,制备出低结晶度的高取向聚丙烯或聚乙烯薄膜,再高温退火获得高结晶度的取向薄膜。这种薄膜先在低温下进行拉伸形成微缺陷,然后在高温下使缺陷拉开,形成微孔。美国celgard、日本宇部兴产等采用此工艺。干法双向拉伸工艺是中国科学院化学研究所在20世纪90年代初开发出的具有自主知识产权的工艺。通过在聚丙烯中加入具有成核作用的β晶型改进剂,利用聚丙烯不同相态间密度的差异,在拉伸过程中发生晶型转变形成微孔,用于生产单层PP膜。

锂离子电池隔膜干法和湿法两种生产工艺比较

生产工艺
工艺原理
方法特点
产品特点
干法-单向拉伸
晶片分离
设备复杂,精度要求高、投资大工艺难掌握、控制难度高,但环境友好;
微孔尺寸、分布均匀、微孔导通性好、能生产不同厚度的产品,能生产PP、PE产品和三层复合产;
干法-双向拉伸
晶型转换
设备复杂,投资较大、工艺难掌握、控制难度高、环境友好,需成孔剂等添加剂辅助成孔;
微孔尺寸、分布均匀、稳定性差;
湿法-同步双向拉伸
热致相分离
设备复杂、投资较大、周期长、工艺难掌握、成本高、能耗大
微孔尺寸、分布均匀,适宜生产较薄产品,只能生产PE膜;

数据来源:公开资料整理

    就目前的技术工艺发展情况看,陶瓷涂覆工艺是提升隔膜品质的一种有效方式。涂覆隔膜是指在基膜上涂布PVDF等粘黏剂或陶瓷氧化铝。这样带来的直接作用是提高隔膜耐热收缩性,防止隔膜收缩造成大面积短路;防止电池中的某些热失控点扩大形成整体热失控。而在保障隔膜力学性能以及电化学性能的基础之上,能尽可能的降低隔膜的厚度,降低隔膜的内阻提高电池的体积容量和倍率性能。

    正极材料是锂电池最为关键的原材料。四大材料生产中,正极材料是锂电池的核心,占锂电池成本的30%以上,比重最大。正极材料的好坏直接决定了锂电池各种性能指标,如能量密度性能、比功率、温度适用范围及安全性能等等。

正极材料的性能指标

技术指标
钴酸锂
锰酸锂
三元材料
磷酸铁锂
晶型
三(六)方晶系
光晶石型
三(六)方晶系
正交型
工作电压/V
3.6
3.7
3.7
3.4
振实密度/g.cm3
2.8-3.0
2.2-2.4
2.0-2.3
1.0-1.4
电容量/mAh.g-1
140-155
100-115
155-165
130-140
比表面积/m2.g-1
0.4-0.6
0.4-0.8
0.2-0.4
42724
循环寿命
≥300
≥500
≥800
≥2000
原料成本
很高
低廉
较高
低廉
过渡金属
贫乏
丰富
丰富
非常丰富
环保
含钴
无毒
含钴镍
无毒
安全性能
较好
较好
优良
热稳定性
很好
较好
较好
适用领域
小型电池
动力电池
小型电池、动力电池
动力电池

数据来源:公开资料整理

    目前已进入商业化的正极材料包括钴酸锂(LCO)、三元材料(NCA、NCM)、锰酸锂(LMO)和磷酸铁锂(LFP)等。钴酸锂主要用于小型锂电,磷酸铁锂主要用于动力锂电,多元材料和锰酸锂既可用于小型锂电,又可用于动力锂电。目前在动力锂电正极材料方面主要有两条路线,磷酸铁锂有较好的循环稳定性能,成本也比较低,国内技术成熟,但其能量密度较低,大概在130Wh/kg。对于高能量高性能的追求,是技术发展的必然方向,磷酸铁锂的先天不足,使国内越来越多的企业开始转向三元材料。三元材料已经成为动力锂电正极材料的发展方向。

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