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全球动力电池研究报告(上)

发布日期:
2018-09-15
浏览量:
72797

随着全球电动汽车市场的快速发展,动力电池产业相得益彰,发展潜力巨大。近几年来,新能源汽车市场发展迅速,一提到购买新能源电动汽车,“补贴”、“不限号”、“新牌照”等政策就会浮现在脑海。根据相关预测,在未来20年,电动汽车将占据全球汽车采购量的40%,目前全球汽车每年的生产销售量约为1亿辆,这意味着电动汽车每年的销售约为4000万辆。

而电机和电控系统作为新能源汽车的三大关键组成部分,其中动力电池是最关键的一环,可以说就是新能源汽车的“心脏”。假设电池价格与一般内燃机的6000美元成本相当,那么电池行业未来就有可能达到2400亿美元。为满足预期需求,以便在这个价值2400亿美元的蛋糕中分得一杯羹,全球动力电池制造商都在致力于扩能增产。


一、电池分类及应用

1、电池分类

(1)铅酸电池

法国人普兰特于1859年发明铅酸蓄电池,已经历了近150年的发展历程。老式电池一般寿命在2年左右,而且需定期检查电解液的高度并添加蒸馏水,不过随着科技的发展,铅酸蓄电池的寿命变得更长而且维护也更简单了。由于技术成熟、价格便宜,是目前在汽车领域应用得最为广泛的电池。铅酸电池具有可靠性好、原材料易得、价格便宜等优点,比功率也基本上能满足电动汽车的动力性要求。北京奥运会时,有20辆使用铅酸电池的电动汽车,为奥运会提供交通服务。由于其成分是硫酸电解质,因此,废弃后对环境的污染相对严重。而其最大的缺点在于,续驶能力比较低,所以,应用于纯电动汽车上并不能满足人们日常需求。从目前来看,铅酸电池多应用于低速电动车,特别是老年代步车、电动自行车等。

· 代表车型:低速电动车,老年代步车



(2)镍金属电池

目前在电动汽车上使用的镍金属电池主要有镍镉电池和镍氢电池两种。镍氢动力电池刚刚进入成熟期,是目前混合动力汽车所用电池体系中唯一被实际验证并被商业化、规模化的电池体系,现有混合动力电池99%的市场份额为镍氢动力电池,商业化的代表是丰田的普锐斯。与铅酸电池相比,镍镉电池在比能量、比功率和使用寿命方面都占有一定的优势,且可以快速充电。它的主要的优点是它可以适应大电流放电,对于需要较大功率输出要求的场合比较适用。它的能量密度较大,增加了续航的里程。镍氢电池放出的电比较平稳,发热量较小。它主要的缺点是具有“记忆效应”,即电池在循环充放电过程中容量会出现衰减,而过度充电或放电,都可能加剧电池的容量损耗。

· 代表车型:丰田普锐斯


(3)磷酸铁锂电池

磷酸铁锂电池:是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。其特色是不含钴等贵重元素,原料价格低且磷、铁存在于地球的资源含量丰富,不会有供料问题。其工作电压适中(3.2V)、单位重量下电容量大(170mAh/g)、高放电功率、可快速充电且循环寿命长,在高温与高热环境下的稳定性高。磷酸铁锂电池的安全性在锂电池中首屈一指,它在700℃~800℃时才发生分解,但不会像三元锂材料的化学反应那么剧烈,也不会释放出氧分子,拥有良好的安全性。也正因如此,其也成为目前电动车电池的主要门类之一。此外充放电效率高、对环境无污染等也都是它的优势所在。不过,磷酸铁锂电池有一个致命性的缺点,那就是低温性能较差,即使将其纳米化和碳包覆也没有解决这一问题。研究表明,一块容量为3500mAh的电池,如果在-10℃的环境中工作,经过不到100次的充放电循环,电量将急剧衰减至500mAh,基本就报废了。而且,材料的制备成本与电池的制造成本较高,电池成品率低,一致性差,这也是导致很多纯电动汽车续航能力并不能达到标称值的重要原因。

· 代表车型:比亚迪E6,比亚迪EV300


(4)三元电池

三元聚合物锂电池是指正极材料使用锂镍钴锰三元正极材料的锂电池,锂离子电池的正极材料有很多种,主要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料、磷酸铁锂等。三元材料综合了钴酸锂、镍酸锂和锰酸锂三类材料的优点,具有容量高、成本低、安全性好等优异特性,其在小型锂电中逐步占据一定的市场份额,并在动力锂电领域具有良好的发展前景。三元锂电池能量密度高,循环性能好于正常钴酸锂。目前,随着配方的不断改进和结构完善,电池的标称电压已达到3.7V,在容量上已经达到或超过钴酸锂电池水平。三元材料动力锂电池主要有镍钴铝酸锂电池、镍钴锰酸锂电池等,由于镍钴铝的高温结构不稳定,导致高温安全性差,且pH值过高易使单体胀气,进而引发危险,目前造价较高。

· 代表车型:特斯拉ModelS


(5)锰酸锂电池

锰酸锂是较有前景的锂离子正极材料之一,相比钴酸锂等传统正极材料,锰酸锂具有资源丰富、成本低、无污染、安全性好、倍率性能好等优点,是理想的动力电池正极材料,但其较差的循环性能及电化学稳定性却大大限制了其产业化。锰酸锂主要包括尖晶石型锰酸锂和层状结构锰酸锂,其中尖晶石型锰酸锂结构稳定,易于实现工业化生产,如今市场产品均为此种结构。尖晶石型锰酸锂属于立方晶系,Fd3m空间群,理论比容量为148mAh/g,由于具有三维隧道结构,锂离子可以可逆地从尖晶石晶格中脱嵌,不会引起结构的塌陷,因而具有优异的倍率性能和稳定性。但其循环寿命衰减较快,容易发生鼓胀,高温性能较差、寿命相对短,主要用于大中型号电芯,动力电池方面,其标称电压为3.7V。虽然其能量密度不如三元锂电池,但其他综合性能相当出色。

· 代表车型:日产聆风,启辰晨风




2、应用分布

“三电”(电池、电机和电控)取代“三大件”(发动机、变速箱和底盘)成为汽车行业关键零部件。电池在新能源汽车上扮演了更为重要的角色,成本将占到整车的40%。可以说,动力电池的技术水平是掣肘新能源汽车发展的关键。动力电池的成本、技术、制造等水平,决定了新能源汽车的成本、续驶里程、性能、舒适度等。因此,我国新能源汽车企业要想在后补贴时代中生存下来,就必须要在动力电池的技术研发上下足功夫。

分车型来看,在纯电动乘用车领域三元电池的比重越来越大,从14年的16%到16年的71%;在混动乘用车领域,三元的占比还有很大的提升空间;在纯电动客车领域,目前来看依然是磷酸铁锂的市场;在混动客车领域锰酸锂是主流;在纯电动专用车领域,目前来看三元电池依然是未来的趋势。





二、掌握核心动力电池技术公司盘点

1、主要的动力电池上市公司

(1)比亚迪

比亚迪公司是我国锂离子电池行业的领军企业,作为中国电动汽车的代表之一,比亚迪电动汽车原来一直采用自行研制的磷酸铁离子电池,因为其热稳定性是目前车用锂电池中最好的。利用锂离子电池产业优势,比亚迪已经打造出新能源汽车全产业链,随着我国新能源汽车加快推广,比亚迪已经成为全球最大的动力电池生产企业之一。公司目前拥有14GWh产能,主要生产三元锂电池及磷酸铁锂电池,今年年底将达到16GWh,青海10GWh的产能目前也在建设中。

但近两年开始在部分新车型上逐步扩展三元锂电池的使用。众所周知,比亚迪最早研究锂电池就是从磷酸铁锂入手的,而且数年来一直坚持使用磷酸铁锂电池并取得了非凡的成就,是其在电动汽车领域遥遥领先的基础,但是随着技术和市场的发展,比亚迪需要快速在三元锂电池上重新建立领先优势。



(2)松下

松下是特斯拉电动汽车的独家锂电池供应商,也是世界知名的电池制造商。特斯拉的电池组件相对便宜(虽然可以找到更便宜的锂电池,但是功率及热性能不是很好)。据悉目前双方正在美国建设面向纯电动汽车蓄电池的超级工厂,通过提升电池技术和分摊电池规模化生产成本来进一步降低电池的整体成本。特斯拉MODEL S的电池为松下生产的18650型产品,电池组容量高达85千瓦时,实际上这个电池组由8142个3.4安时电池组成,日本住友化学为松下提供用于生产锂电池的耐热隔膜。


(3)AESC

AESC是日产汽车和日本NEC的合资公司,日产Leaf(聆风)采用了AESC的电池,其电池单元在日本座间工厂生产,之后运到追浜工厂组装成电池包。与镍氢电池相比,AESC的锂电池可提供近两倍的电力容量,而其独特的层压式结构,也让锂电池模组的体积更为轻巧实用。同时,NEC开发的锰金属制成的电极,拥有更佳的稳定性,片状结构也有助于散热效能。据悉,在真车行驶实验中,不但电池的安全性得到了验证,还实现了行驶100000公里以上的超长使用寿命。



(4)LG化学

LG化学以石油化学、信息电子材料、二次电池等三个事业为中心,雪佛兰Volt沃蓝达汽车就是使用了韩国LG化学研发的三元锂离子电池。该电池单元采用层压型设计,共配备了192个电池单元。为了提高散热性,以两个层压型单元为一组,在这两个单元之间配置散热板,制成“单元群”。配置方式采用了现行的安装于中央通道和后座下方的T字型方式。LG化学公司还为雷诺Zoe电动车、雪佛兰斯帕可、福特福克斯电动车、沃尔沃V60和XC90T8插电式混动车等车型提供电池技术。


(5)三星SDI

三星SDI(中国)是指中国三星的显像管生产部门,由于显示技术液晶化,目前转行生产锂电池包(battery pack),三星SDI将中国市场视为全球汽车电池市场上最重要的市场之一,为了在高速发展的中国电动汽车市场抢占先机,在众多国际电池制造企业中,三星SDI率先在中国建成了专门生产汽车动力电池的工厂,并投入批量生产。

早在2014年8月份,三星环新(西安)动力电池有限公司(简称“三星环新”)的汽车动力电池项目在西安开工建设,将成为全国最大的汽车动力电池生产基地。

于2015年10月份竣工的三星SDI西安工厂拥有年产4万台高性能汽车动力(纯电动EV标准)电池的最尖端生产线,生产线涵盖了生产汽车动力电池单元与模块的全工艺流程。正式投产的西安工厂不仅向现有的国际OEM企业供应电池,三星环新与东风襄阳旅行车有限公司签订了新能源汽车绿色供应链战略合作协议书。三星SDI还向郑州宇通客车、北汽福田供应电池。目前已与中国本地十余家商用车及轿车企业签署了供应动力电池的协议,并已开始供应产品。


(6)江森-萨福特

美国江森-萨福特(JohnsonControls-Saft)由美国江森自控和法国Saft公司合资组建,主要从事锂离子汽车电池的开发和制造,工厂位于法国那萨科(Nersac)。作为世界上首款搭载锂电池的量产混合动力车型,奔驰S400混合动力车也是值得一提的,它真正意义实现了“绿色豪华”。该车就使用了来自江森-萨福特的动力电池。奔驰S400混合动力车搭载的锂离子电池拥有很高的能量密度、更大的电力效率,使发动机舱内的布局和主要内部空间保持不变,而更轻的重量也可以使整车前后重量分配比更容易达到最优。

虽然电动汽车市场越做越大,但动力电池市场却相对越来越集中——松下、LG化学和三星SDI这三大巨头占据了很大的市场份额。此外,值得一提的是,日本和美国的相关企业,在燃料电池领域站在了绝对上游的位置。在产业链完善方面,日本和美国企业也更加成熟,从底层研发到生产配套,再到品牌包装,均有专业的厂商在做。

相应地,中国自主品牌电动车的相关技术也大都借鉴于此,比如有的国产电动车的电池来自日本TDK,也有使用三洋技术的,这有点类似于自主品牌汽车的发动机早前广泛依赖国外技术一样不过随着电动汽车的市场化步伐越来越快,动力电池的竞争也越来越激烈。