在SMM舉辦的「2020(第五屆)中國國際鎳鈷鋰高峰論壇暨中國國際新能源鋰電材料大會」上,中南大學胡國榮在現場為大家講解了鋰離子電池高鎳三元正極材料的產業現狀與未來發展的幾點建議。
鋰離子電池及正極材料的應用市場
新能源汽車
全球市場插電式混合動力、純電動汽車已開始步入應用普及的發展階段。預計至2050年,全球將有4400萬輛純電動汽車內燃機汽車市場將絕大部分被新能源汽車所代替。
儲能鋰電池
儲能鋰電池現在仍處於起步階段,受益於家庭儲能、電信基站、風能、太陽能等新興能源儲能需求,2020年儲能類市場將達1140億元。
電子消費品
受大數據、雲計算、物聯網等信息技術與工業不斷創新融合,全球智能裝備行業將繼續保持快速增長,其中工業機器人未來5年將保持11%CAGR增長;至2020年中國智能裝備整體市場規模將突破1萬億元。
鋰電池正極材料保持高速增長,並逐漸向三元材料等高能量密度材料發展
商業化鋰離子電池正極材料特點
高鎳三元材料能量密度高,續航裡程長,但鎳含量的提高遇到其他問題,如安全問題。
目前商業化三元系列材料:
三元材料的產業化現狀
國內外三元材料的競爭格局
目前國內三元材料技術競爭激烈,產品更新換代速度較快,
過去使用較多的數碼類NCM111和NCM532三元材料正面臨淘汰的尷尬局面,廠商們開始力推高鎳NCM622、721、811、900505等的三元材料,以及NCA(851005)三元材料中,由於前驅體是一種技術難度較高且需要定製化的中間體,前驅體研發和正極材料研發需要有良好的協同機制才能夠實現高效的開發。因此,正極材料廠商自產前驅體模式具有更佳的技術開發效率,有利於在高端三元材料領域佔據先發優勢,具備較高的投資價值;
三元材料及其前驅體供應商
目前國外三元材料領域競爭格局基本成型,形成寡頭競爭的格局,主要為Umicore、田中化學、住友金屬、Nichia、L&F、Toda Kogyo等日韓三元材料供應商。國內三元材料廠商無論在技術上和產能上都與優美科等日韓廠家尚存一定的差距。
前驅體在三元材料產業鏈中佔據重要位置,具有較高的技術壁壘,並對三元材料的品質有重要影響,且為非標定製的產品,因此,自產前驅體的廠商在技術升級的競賽中更具優勢。目前處於領先位置三元材料供應商大多自產前驅體,包括當升科技、廈門鎢業、巴莫-華友、寧波容百、瑞翔新材、格林美、河南科隆等廠商。
單獨生產前驅體的企業中,格林美、邦普、貴州中偉、浙江帕瓦、金川科技為領先企業,其前驅體供應國內外一線三元材料客戶。
NCM的發展趨勢
高鎳低鈷化三元材料:鈷是價格昂貴的稀缺資源,降低鈷含量可以節約材料的成本。目前已有鈷含量降到3%的材料得到應用。目前811材料的成本比523更低,但能量密度更高!
高電壓三元材料,NCM523、622材料可以實現高電壓化。 NCM523、622材料結構相對於811材料更穩定,因而可以合成與高電壓鈷酸鋰類似的高電壓NCM;
高壓實單晶NCM材料,壓實密度可以達3.8
高鎳三元系材料表面改性,包括水洗降低表面殘鹼含量,以及表面包覆,包括包覆非金屬氧化物和有機導電高分子,降低材料對溼度的敏感性。
當前動力電池正極材料技術路線之爭
當前動力電池正極材料技術路線有3個流派:磷酸鐵鋰派、三元(NCA,NCM)派,錳酸鋰派
1。 磷酸鐵鋰路線
以BYD為首,中國的各電池廠商在磷酸鐵鋰類電池的開發和製造方面領先,早期比亞迪純電動車e6續航裡程300,中期續航裡程超過400Km,比亞迪採用磷酸鐵鋰刀片電池的最新的「漢」純電動車續航裡程已超過600公裡。磷酸鐵鋰電池由於安全性好,成本低,未來磷酸鐵鋰材料售價將低於3萬元/噸,磷酸鐵鋰電池低於0.5元/WH,比亞迪的磷酸鐵鋰刀片電池與CATL的CTP磷酸鐵鋰電池的體積能量密度顯著提升,續航裡程已超600公裡,未來對三元電池的衝擊不容忽視。特斯拉上海工廠與寧德時代合作,可能選用磷酸鐵鋰電池,降低成本。
2。 三元(NCA,NCM)路線
以特斯拉為代表,採用日本松下NCA電池、韓國LG三元811和中國CATL三元811電池,續航裡程可達700公裡,未來可能達到800-1000公裡。特斯拉已在中國上海臨港新城建廠,採用NCA電池。 韓國三星在西安投資的動力電池也採用NCA。中國CATL、BYD、比克、孚能科技、力神、國軒等企業也投產三元NCM動力電池。
3。 錳酸鋰路線
NISSAN採用錳酸鋰路線,早在2010年在日本、美國和歐洲市場推出LEAF純電動車巡航裡程——160公裡,目前錳酸鋰在低速電動車、物流車、電動自行車領域得到廣泛應用,目前主要有蘇州星恆、北京中信國安等錳酸鋰動力電池廠家。錳酸鋰由於電壓平臺高,壓實密度高,其體積能量密度與磷酸鐵鋰相當。由於錳酸鋰安全性好,未來錳酸鋰也可以設計成刀片電池或CTP電池(即直接由電芯cell to pack),未來錳酸鋰電池的續航裡程也可以達到600公裡以上。
當前動力電池正極材料技術路線之爭
三元NCM/鈦酸鋰負極
由於碳負極可能存在鋰枝晶的生成造成的安全性問題以及循環壽命問題,目前有些動力電池廠家採用三元NCM/鈦酸鋰負極組合,該種組合安全性好、充放電倍率高,循環壽命長(可達5000-10000次)。儘管由於鈦酸鋰電壓高造成三元NCM/鈦酸鋰動力電池的能量密度偏低(甚至比磷酸鐵鋰電池更低),但在電動大巴車上仍具有很好的應用前景,因為公交用電動大巴對續航裡程要求不高,但對安全性、充電速度、循環壽命要求很高,因此三元NCM/鈦酸鋰動力電池能很好地滿足這些要求。
目前國內的浙江湖州微宏動力、珠海銀隆採用三元NCM/鈦酸鋰動力電池,受到業界的普遍關注和好評。但此技術路線是非主流派,受能量密度太低影響,在乘用車領域已被拋棄。在公交車領域,由於成本太高,目前也被拋棄。
格力電器總裁董明珠聯合房地產巨頭王健林投資珠海銀隆,看好NCM/鈦酸鋰動力電池。但這種技術路線非主流,行業並不看好!
三元材料的資源分析
目前國際主流技術路線採用三元NCA或NCM正極材料,其中鎳和鈷屬於稀有金屬。下面以特斯拉採用的NCA為例進行分析:
特斯拉採用的NCA電池為18650型圓柱電池,其容量約為3000mAh,每輛車大約需要7000顆電池。
經過計算,每顆電池需要17克NCA,需要消耗金屬鎳約為8.33克,鈷約為1.56克。
每輛車需要鎳為58.3公斤,鈷為10.95公斤。
按全球2020年電動車將達到500萬輛,若全部採用三元材料,每年需要的鎳為29.2萬噸,鈷為5.5萬噸。
目前全球工業7國等主要發達國家以及中國都已開始制定燃油車禁售時間表,
若全球電動汽車達到年產2500萬輛時,則全球需要的鎳為146.0萬噸,鈷為27.5萬噸。
目前全球每年鎳產量約為200萬噸,鈷為10萬噸。
因此,若採用NCA或NCM為正極材料,則鎳鈷資源難以承受。即使採用鎳鈷回收的辦法,其成本也是一個問題。
隨著鎳鈷資源消耗量增加,鎳鈷價格將會暴漲,歷史上鎳的價格高達40萬元人民幣/噸,鈷的價格高達70萬元/噸。三元系材料價格將會相應暴漲。
磷酸鐵鋰正極材料資源分析
全球鐵產量大於10億噸以上,鐵資源不受限,全球磷產量大於1億噸,資源不受限。
此外,磷酸鐵鋰中鋰的含量約為4%,而三元系材料的鋰含量約為7%。
因此,磷酸鐵鋰對鋰資源的消耗,比三元系要低40%以上。
2020年中國隨著磷酸鐵鋰產能的進一步增大以及磷酸鐵和碳酸鋰價格大幅度下降,磷酸鐵鋰成本將會大幅度下降。目前磷酸鐵鋰價格已降至3.2萬元/噸,未來可能低至2.8萬元/噸
若採用磷酸鐵鋰/石墨烯複合材料,磷酸鐵鋰電池10分鐘充滿80%,CATL正在研發解決磷酸鐵鋰電池快速充電問題,結合刀片電池和CTP電池,磷酸鐵鋰電池續航裡程就不是問題。考慮到磷酸鐵鋰成本、循環與安全性能優勢,未來電動汽車技術路線將是三元材料與磷酸鐵鋰並駕齊驅。
高鎳三元材料未來發展的幾點建議
解決安全問題進一步提高續航裡程
產業集中度進一步提高
裝備大型化與智能化
選址慎重
上下遊延伸
高鎳三元材料與磷酸鐵鋰材料聯產
結論
1、高鎳MCN、NCA材料能量密度高,是電動汽車動力鋰電池的首選正極材料。
2、高鎳MCN、NCA材料目前還存在安全性、循環壽命、表面殘鹼含量高等問題,需要進一步加以研究改進。
3、考慮到磷酸鐵鋰成本、循環與安全性能優勢,結合磷酸鐵鋰刀片電池和CTP電池,未來電動汽車技術路線將是三元材料與磷酸鐵鋰並駕齊驅。
4、高鎳三元材料未來發展的幾點建議:解決安全問題進一步提高續航裡程,產業集中度進一步提高,裝備大型化與智能化, 選址乾燥地區和電力廉價的地區,上下遊延伸提升產業競爭力,做好電池回收實現產業循環,高鎳三元與磷酸鐵鋰聯產,降低成本,產業併購重組,推動產業健康發展!
(文章來源:SMM)