探讨未来汽车动力电池技术发展路线.doc

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1、探讨未来汽车动力电池技术发展路线探讨未来汽车动力电池技术发展路线探讨未来汽车动力电池技术发展路线　　基于国产高镍正极材料，尤其NCM622材料，目前方壳电池单体能量密度超过200瓦时/公斤，全部电池单体能量密度在230±20瓦时/公斤，系统能量密度接近160瓦时/公斤。　　中国制造2025要求2020年300Wh/Kg，2025年400Wh/Kg，目前量产动力电池单体能量密度在230±20Wh/Kg，对目前各类电池技术体系全面分析后，我们提出汽车动力电池技术路线图：　　1.2020年高镍正极+准固态电解质+硅碳负极实现300Wh/Kg　　2.20

2、25年富锂正极+全固态电解质+硅碳/锂金属负极电池实现400Wh/Kg　　3.2030年燃料/锂硫/空气电池实现500Wh/Kg　　4.核聚变是人类社会终极能源方式　　5.动力电池命名体系——正极-中间层-负极命名体系　　目标与现状　　1.中国制造2025要求2020年300Wh/Kg，2025年400Wh/Kg　　工信部、发改委、科技部2017年4月印发《汽车产业中长期发展规划》提出：到2020年，新能源汽车动力电池单体比能量（能量密度）达到300Wh/kg以上，力争实现350Wh/kg，系统比能量力争达到260Wh/kg；到2025年，动力电

3、池系统比能量达到350Wh/kg。　　按照《中国制造2025》确定的技术目标，2020年锂电池能量密度达到300Wh/kg，2025年能量密度达到400Wh/kg，2030年能量密度达到500Wh/kg。　　　　2.目前量产200Wh/Kg，实验室实现300Wh/Kg　　基于国产高镍正极材料，尤其NCM622材料，目前方壳电池单体能量密度超过200瓦时/公斤，全部电池单体能量密度在230±20瓦时/公斤，系统能量密度接近160瓦时/公斤。　　宁德时代、力神、国轩承担新型锂离子动力电池项目，采用高镍三元正极和硅碳负极，软包电池能量密度都达到300瓦

4、时/公斤。　　我们认为，基于高镍三元+硅碳负极材料，现有体系的锂电池的能量密度很难突破300Wh/kg。　　未来电池技术分析　　3.2020年高镍正极+准固态电解质+硅碳负极实现300Wh/Kg　　技术原理　　三元正极材料通过NiCo-Mn/Al的协同作用，结合了钴酸锂循环性能好，镍酸锂高比容量和锰酸锂成本低安全性能好的优点。在三元材料的各个组分中镍决定电量，钴决定充放电速度，锰决定稳定性，随着镍含量的增加，电池的放电比容量也随之增加，热稳定性和容量保持率有所降低，但随着三元电池安全性得到提高与工艺演进，更高镍三元材料是大势所趋。　　　　传统石墨

5、负极克容量较低（372mAh/g），硅理论比容量高达4200mAh/g，是石墨的10倍以上，但其在嵌脱锂循环过程中具有严重的体积膨胀和收缩，造成材料结构的破坏和机械粉碎，从而导致电极表现出较差的循环性能。　　结合碳材料和硅材料的优缺点，将两者复合为硅碳负极使用，以最大化提高其实用性。　　　　准固态电解质采用硫化物、氧化物、聚合物等固态电解质部分替代当前有机电解液和隔膜，可提升电压平台，内部串联可提高系统能量密度。　　　　优势　　能量密度高：层状结构NCM中，镍是主要的氧化还原反应元素，提高镍含量可以有效提高NCM的比容量，高镍含量NCM材料(Ni

6、的摩尔分数≥0.6)具有高比容量，硅理论比容量高达4200mAh/g，能量密度非常高　　成本低：镍价格远低于钴　　高电压：固态电解质比有机电解液普遍具有更宽的电化学窗口，有可能达到5V，适应于高电压型电极材料　　技术难点　　循环性能差：Ni元素含量较高，晶格结构不稳定，Ni主要以+2价为稳态，循环过程中Ni离子在+2、+3、+4价之间进行氧化还原反应，Ni会缓慢的趋向+2价从而导致结构坍塌，Li+不能正常嵌插与脱出，结果使得电池电化学性能衰减较快　　高温性能差：振实密度低，表面包覆改性等技术可有效减少副反应，改善其电化学性能和热稳定性　　工艺控制

7、难：高镍NCM材料的性能和结构与制备工艺紧密相关，不同的制备过程与条件直接影响产品的最终结构和性能　　硅体积膨胀问题：硅在嵌锂过程中体积膨胀效应高达340%倍，目前主要从硅的改性、硅的合金化、硅的多孔化、硅的纳米化、电池结构设计、硅的核壳结构、三明治结构等方面进行改进　　固态电解质电导率较低，电极/电解质固固界面问题等　　目前进展　　　　2017年中国锂电池硅碳负极材料产量已经超过1500吨，同比增长超过130%，其中前五企业市场集中度占比超过90%,在全年锂电负极材料总产量中占比1%。　　　　高镍正极+硅碳负极部分锂电企业已实现量产，预计202

8、0年将大规模产业化。　　　　4.2025年富锂正极+全固态电解质+硅碳/锂金属负极电池实现400Wh/Kg　　技术原理　　富锂锰基固溶体