层出不穷新型电池,锂凭什么占据主导地位? | 见智研究

作者: 吴悠
面对铝、钠、镁、钛、锌等新型电池的挑战,锂离子电池如何应对?

今年以来,受益于新能源汽车终端销量的爆发,锂电池也受到了热捧,而随着而来的原材料碳酸锂、氢氧化锂价格成倍的增长也使得企业与市场将目光转向成本更佳的方案,这导致今年锂离子电池的各种替代品层出不穷,华尔街见闻·见智研究就今年热度最高的铝离子电池、钠离子电池,以及镁电池、钛电池还有锌电池做深入探讨,并从本质上分析为什么锂离子电池仍是当之无愧的目前消费电子和新能源领域的霸主,占据着主导地位底气究竟在哪?

动力电池目前最为看重的指标包括能量密度、安全性能、循环寿命、制造成本和低温水平,华尔街见闻·见智研究也就此分析一下新型电池的性能和水平。

铝离子电池

近日,亚洲电池研发公司Saturnose宣布,将公开发布其增强型铝离子电池,并计划在2022年实现铝离子电池商业化,而且要取代锂离子电池。从其发布的电池数据来看,与目前锂离子电池有不小的优势:

1)能量密度高出2-3倍:这款铝离子电池体积能量密度为1500Wh/L,而重量能量密度600Wh/kg,相比起目前锂离子电池的能量密度(磷酸铁锂电池150Wh/kg左右,高镍三元250Wh/kg左右)。

2)循环寿命高出7倍:这款铝离子电池支持20000次循环充放电,而目前锂离子电池中寿命最长的磷酸铁锂电池也只有3000次循环左右。

3)成本低出50%:这款铝离子电池由于使用的原材料中不涉及昂贵的镍钴锂,仅仅使用铝和铌,所以比锂离子电池便宜50%。

4)高安全性能:这款铝离子电池的阴极采用高能、无序的岩盐结构,活性物资又不是不稳定的元素,所以难以出现热失控等问题。

华尔街见闻·见智研究认为,目前这款铝离子电池仅看到实验数据,而从实验走到真正的量产,还需要经历样品检验、小试、中试、评估、验证等等环节,每个环节都是以年为单位来经历,并非一蹴而就。而且见智研究认为,并不存在完美无缺的电池,目前还未看到该电池的缺陷和难点问题,之后会继续跟踪。

钠离子电池

在7月29日宁德时代的钠离子电池发布会上,宁德时代展示了全球最高水平160Wh/kg能量密度的第一代钠离子电池,更是创造性的将钠离子电池和锂离子电池混搭使用,并表示钠离子电池最快会在2023年商业化,同样和目前主流的磷酸铁锂电池进行对比:

1)第一代钠离子电池的电芯单体能量密度已经达到了160Wh/kg,这也是目前全球最高水平,虽然略低于磷酸铁锂电池,但尚有突破空间,下一代钠离子电池能量密度将突破200Wh/kg;

2)第一代钠离子电池常温下充电15分钟电量就可以达到80%,具备了快充能力;

3)第一代钠离子电池在零下20°C低温的环境下,仍然有90%以上的放电保持率,而磷酸铁锂电池在低温下衰减将达到30%。

4)第一代钠离子电池在系统集成效率方面,可以达到80%以上;

5)第一代钠离子电池有着优异的热稳定性,已经超越了国家动力电池强标的安全要求。

华尔街见闻·见智研究认为,钠离子电池并非没有缺点,其较低的能量密度和循环寿命都是都不如锂离子电池。同样,钠离子电池的出现也并不是去替代锂离子电池,或用于低能量密度的领域如二轮车、储能、数据中心等领域,这点国家也是给予支持,在今年我国能源局和发改委提出的新型储能指导意见里就首次包括了钠离子电池,给储能电池选取一个新的技术。而且在宁德时代提出的实现钠离子电池与锂离子电池的集成混合共用,优势互补后两者反而更多是互补的功能。除此之外,其他类型的电池也层出不穷,包括原材料易得(镁的蕴藏量比锂多3000倍),安全性能高(镁的熔点高达约650摄氏度,比锂高3倍)的镁电池,循环寿命高(5000-6000次循环,是锂离子电池2倍)的锌电池,还有充电快的钛电池等等新型电池,都或多或少有着难以解决的重大弊端如镁二价离子和电解液与正极材料相互作用较强,导致镁离子的解离和扩散极为缓慢,因此很少有正极材料可以高效地储存镁离子。

所以短时间内这些新型电池都无法动摇锂离子电池的根基,不仅因为电化学发展了近百年时间,元素周期表中各种元素电池早就有过尝试最后选择了锂离子电池,近期也是因为原材料涨价太多导致开始关注其他路径,更大的理由在于,相比起其他新型电池还在实验室中,锂离子电池技术仍在实践中不断发展。

锂离子电池

锂离子电池之所以能霸占目前全球动力电池和消费电池领域,能作为目前消费电子、新能源汽车、储能等各个领域的主流电池,根本原因在于其综合性能最为符合需求。华尔街见闻·见智研究认为锂离子电池于1991年进行首次商业化到现在,研发出了钴酸锂电池、锰酸锂电池、磷酸铁锂电池、三元锂电池等等锂离子电池,都在各自领域占据着主要地位,并且为了进一步满足未来的需求,锂离子电池还在持续的有着新的工艺和技术上进展:

1)负极有硅基负极材料:目前锂离子电池主要使用的负极是人造石墨,比容量为372 mAh/g,在传统的石墨负极能量密度潜力以及充分挖掘的情况下,硅基负极材料成为了加强锂离子电池能量密度的有效手段之一,硅基负极材料的理论比容量可达 4200mAh/g,是石墨的 10 倍,并且具备碳材的高导电性和硅材的高容量性,可搭配高镍三元提高锂离子电池的能量密度。

2)正极材料:正极材料目前以三元正极材料和磷酸铁锂正极材料为主,其中磷酸铁锂正极材料有望朝磷酸锰铁锂发展,既加强了20%能量密度,又保持了优秀的安全性能,而三元则是低钴乃至无钴逐渐成为主流,不管是超高镍9系还是四元电池都在降低成本的同时加强了能量密度。

3)电解液:目前无机锂盐六氟磷酸锂是锂离子电池的主要选择,但因其化学性质不稳定、低温环境下效率严重不足等缺陷,逐渐无法跟上锂电池发展的需求。LiFSI具有离子电导率高、电化学稳定性高、热稳定性高等优点,更能满足未来电池性高能量密度以及宽工作温度的发展需求,有望成为替代六氟磷酸锂的最佳选择。

4)隔膜:锂离子电池隔膜根据需要,主要使用干法和湿法隔膜,而未来占比越来越高的涂覆湿法隔膜不仅有效提高隔膜的抗穿刺能力,进一步提高电池的安全性能,还能与电解液保持更高的浸润性,降低电池内阻,加强放电功率。

5)工艺:比亚迪的刀片电池、宁德时代的CTP技术,特斯拉的CTC技术等等都是在不改变材料本身,仅通过优化结构,删除冗余零件,高效利用空间的方式加强了锂离子电池的性能。

6)固态锂电池:液态锂电池的终极目标固态锂电池同样也可以继续巩固锂离子电池的地位,固态电池是一种使用固体电极和固体电解质的电池,由于不再使用液态电解液所以自燃等风险降低,同样能量密度也能达到500 Wh/kg以上,进一步满足消费者对续航的要求。

 

 

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4 条评论
Joyning
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印度的公司你们也信?哈哈哈 哎,

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手机用户8316
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 (ΦωΦ)夜猫子
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铝离子电池只要有两个优势我就敢融资。今天一次见到四个反而不妙!

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MobileUser2669
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可以可以

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