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锂离子电池高镍三元正极材料的产业现状与未来



  原标题:【镍钴锂峰会】锂离子电池高镍三元正极材料的产业现状与未来发展的几点建议

  在SMM举办的“2020(第五届)中国国际镍钴锂高峰论坛暨中国国际新能源锂电材料大会”上,中南大学胡国荣在现场为大家讲解了锂离子电池高镍三元正极材料的产业现状与未来发展的几点建议。

  全球市场插电式混合动力、纯电动汽车已开始步入应用普及的发展阶段。预计至2050年,全球将有4400万辆纯电动汽车内燃机汽车市场将绝大部分被新能源汽车所代替。

  储能锂电池现在仍处于起步阶段,受益于家庭储能、电信基站、风能、太阳能等新兴能源储能需求,2020年储能类市场将达1140亿元。

  受大数据、云计算、物联网等信息技术与工业不断创新融合,全球智能装备行业将继续保持快速增长,其中工业机器人未来5年将保持11%CAGR增长;至2020年中国智能装备整体市场规模将突破1万亿元。

  高镍三元材料能量密度高,续航里程长,但镍含量的提高遇到其他问题,如安全问题。

  过去使用较多的数码类NCM111和NCM532三元材料正面临淘汰的尴尬局面,厂商们开始力推高镍NCM622、721、811、900505等的三元材料,以及NCA(851005)三元材料中,由于前驱体是一种技术难度较高且需要定制化的中间体,前驱体研发和正极材料研发需要有良好的协同机制才能够实现高效的开发。因此,正极材料厂商自产前驱体模式具有更佳的技术开发效率,有利于在高端三元材料领域占据先发优势,具备较高的投资价值;

  目前国外三元材料领域竞争格局基本成型,形成寡头竞争的格局,主要为Umicore、田中化学、住友金属、Nichia、L&F、Toda Kogyo等日韩三元材料供应商。国内三元材料厂商无论在技术上和产能上都与优美科等日韩厂家尚存一定的差距。

  前驱体在三元材料产业链中占据重要位置,具有较高的技术壁垒,并对三元材料的品质有重要影响,且为非标定制的产品,因此,自产前驱体的厂商在技术升级的竞赛中更具优势。目前处于领先位置三元材料供应商大多自产前驱体,包括当升科技、厦门钨业、巴莫-华友、宁波容百、瑞翔新材、格林美、河南科隆等厂商。

  单独生产前驱体的企业中,、邦普、贵州中伟、浙江帕瓦、金川科技为领先企业,其前驱体供应国内外一线三元材料客户。

  高镍低钴化三元材料:钴是价格昂贵的稀缺资源,降低钴含量可以节约材料的成本。目前已有钴含量降到3%的材料得到应用。目前811材料的成本比523更低,但能量密度更高!

  高电压三元材料,NCM523、622材料可以实现高电压化。 NCM523、622材料结构相对于811材料更稳定,因而可以合成与高电压钴酸锂类似的高电压NCM;

  高镍三元系材料表面改性,包括水洗降低表面残碱含量,以及表面包覆,包括包覆非金属氧化物和有机导电高分子,降低材料对湿度的敏感性。

  当前动力电池正极材料技术路线个流派:磷酸铁锂派、三元(NCA,NCM)派,锰酸锂派

  以BYD为首,中国的各电池厂商在磷酸铁锂类电池的开发和制造方面领先,早期比亚迪纯电动车e6续航里程300,中期续航里程超过400Km,采用磷酸铁锂刀片电池的最新的“汉”纯电动车续航里程已超过600公里。磷酸铁锂电池由于安全性好,成本低,未来磷酸铁锂材料售价将低于3万元/吨,磷酸铁锂电池低于0.5元/WH,的磷酸铁锂刀片电池与CATL的CTP磷酸铁锂电池的体积能量密度显著提升,续航里程已超600公里,未来对三元电池的冲击不容忽视。特斯拉上海工厂与宁德时代合作,可能选用磷酸铁锂电池,百家乐现金网降低成本。

  以为代表,采用日本松下NCA电池、韩国LG三元811和中国CATL三元811电池,续航里程可达700公里,未来可能达到800-1000公里。已在中国上海临港新城建厂,采用NCA电池。 韩国三星在西安投资的动力电池也采用NCA。中国CATL、BYD、比克、孚能科技、力神、国轩等企业也投产三元NCM动力电池。

  NISSAN采用锰酸锂路线年在日本、美国和欧洲市场推出LEAF纯电动车巡航里程——160公里,目前锰酸锂在低速电动车、物流车、电动自行车领域得到广泛应用,目前主要有苏州星恒、北京中信国安等锰酸锂动力电池厂家。锰酸锂由于电压平台高,压实密度高,其体积能量密度与磷酸铁锂相当。由于锰酸锂安全性好,未来锰酸锂也可以设计成刀片电池或CTP电池(即直接由电芯cell to pack),未来锰酸锂电池的续航里程也可以达到600公里以上。

  由于碳负极可能存在锂枝晶的生成造成的安全性问题以及循环寿命问题,目前有些动力电池厂家采用三元NCM/钛酸锂负极组合,该种组合安全性好、充放电倍率高,循环寿命长(可达5000-10000次)。尽管由于钛酸锂电压高造成三元NCM/钛酸锂动力电池的能量密度偏低(甚至比磷酸铁锂电池更低),但在电动大巴车上仍具有很好的应用前景,因为公交用电动大巴对续航里程要求不高,但对安全性、充电速度、循环寿命要求很高,因此三元NCM/钛酸锂动力电池能很好地满足这些要求。

  目前国内的浙江湖州微宏动力、珠海银隆采用三元NCM/钛酸锂动力电池,受到业界的普遍关注和好评。但此技术路线是非主流派,受能量密度太低影响,在乘用车领域已被抛弃。在公交车领域,由于成本太高,目前也被抛弃。

  格力电器总裁董明珠联合房地产巨头王健林投资珠海银隆,看好NCM/钛酸锂动力电池。但这种技术路线非主流,行业并不看好!

  目前国际主流技术路线采用三元NCA或NCM正极材料,其中镍和钴属于稀有金属。下面以特斯拉采用的NCA为例进行分析:

  特斯拉采用的NCA电池为18650型圆柱电池,其容量约为3000mAh,每辆车大约需要7000颗电池。

  经过计算,每颗电池需要17克NCA,需要消耗金属镍约为8.33克,钴约为1.56克。

  按全球2020年电动车将达到500万辆,若全部采用三元材料,每年需要的镍为29.2万吨,钴为5.5万吨。

  若全球电动汽车达到年产2500万辆时,则全球需要的镍为146.0万吨,钴为27.5万吨。

  因此,若采用NCA或NCM为正极材料,则镍钴资源难以承受。即使采用镍钴回收的办法,其成本也是一个问题。

  随着镍钴资源消耗量增加,镍钴价格将会暴涨,历史上镍的价格高达40万元人民币/吨,钴的价格高达70万元/吨。三元系材料价格将会相应暴涨。

  全球铁产量大于10亿吨以上,铁资源不受限,全球磷产量大于1亿吨,资源不受限。

  2020年中国随着磷酸铁锂产能的进一步增大以及磷酸铁和碳酸锂价格大幅度下降,磷酸铁锂成本将会大幅度下降。目前磷酸铁锂价格已降至3.2万元/吨,未来可能低至2.8万元/吨

  若采用磷酸铁锂/石墨烯复合材料,磷酸铁锂电池10分钟充满80%,CATL正在研发解决磷酸铁锂电池快速充电问题,结合刀片电池和CTP电池,磷酸铁锂电池续航里程就不是问题。考虑到磷酸铁锂成本、循环与安全性能优势,未来电动汽车技术路线将是三元材料与磷酸铁锂并驾齐驱。

  1、高镍MCN、NCA材料能量密度高,是电动汽车动力锂电池的首选正极材料。

  2、高镍MCN、NCA材料目前还存在安全性、循环寿命、表面残碱含量高等问题,需要进一步加以研究改进。

  3、考虑到磷酸铁锂成本、循环与安全性能优势,结合磷酸铁锂刀片电池和CTP电池,未来电动汽车技术路线将是三元材料与磷酸铁锂并驾齐驱。

  4、高镍三元材料未来发展的几点建议:解决安全问题进一步提高续航里程,产业集中度进一步提高,装备大型化与智能化, 选址干燥地区和电力廉价的地区,上下游延伸提升产业竞争力,做好电池回收实现产业循环,高镍三元与磷酸铁锂联产,降低成本,产业并购重组,推动产业健康发展!