钜大LARGE | 点击量：1685次 | 2021年04月15日
探讨软包动力锂离子电池的技术发展趋势
未来新能源汽车的发展趋势是电动化、智能化、网联化、轻量化、共享化，这五化对动力锂电池肯定会提出更高的要求，未来的动力锂电池是怎么样的？
这是目前动力锂电池的应用现状，目前在一些低速车、轿车启停电源重要用铅酸电池。铅酸电池便宜，但能量密度很低。镍氢电池重要用于日系混合动力车和储能上，因为镍氢电池的能量密度比铅酸高一点，价格相关于锂离子电池便宜一点。随着新能源汽车的发展，对动力锂电池的能量密度以及寿命要求更高，所以锂离子电池目前是主流的动力锂电池，广泛应用于HEV、PHEV、BEV、FCV等方面。
这是我们国家的三个发展部门对锂离子电池提出的发展规划，从三个规划中，高能量密度电池是未来的发展方向，都要求在2020年电池的能量密度达到300Wh/Kg，力争实现350Wh/Kg，对成本以及电池系统的能量密度也提出了更高的要求，这里我就不一一讲述了，大家在以前也看到过很多。
这是2018年国家的补贴政策，这些大家应该很了解，我只是对2018年的补贴政策做了总结。第一，续航里程方面，续航越长补贴越多；第二，激励车企研发续航里程更高的车型，续航里程低于150公里的车取消补贴；第三，电池系统能量密度要求更高，因为续航里程要求更高。
在锂电产业，中日韩三足鼎立，在电池能量密度、成本方面展开技术竞争。韩国公司已经在我国大规模的扩产，表中统计了日韩公司高能量密度电池研究进展，目前日本、韩国电池的能量密度目前是在250Wh/Kg以上，跟国内的水平相当，中日韩在2020年实现300Wh/Kg的目标也是一致的。目前的研发水平处于同一水平上，但安全性研究上要加强。LG在今年年初说要发行一款NCM811体系的电池，但目前已推迟量产。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
要提高单体电池的能量密度要发展新的电化学体系，2017年170~220Wh/kg电化学体系是锰酸锂、磷酸铁锂、中镍三元、锰酸锂掺杂中镍三元对石墨体系，2018年240~260Wh/kg电化学体系是中高镍三元、锰酸锂掺杂中高镍三元对硅碳或硅氧负极，2020年300Wh/kg以上的电化学体系要采用高镍、富锂锰基正极、高电压锰酸锂对硅碳或硅氧负极。
应大规模储能和电动汽车快速发展需求，高比能量、高功率、长寿命和低成本关键材料及其制备技术是锂离子电池发展的重要方向，能量密度、寿命、成本、安全性各方面指标要统筹兼顾到。高比能是锂电行业不懈追求的目标。2016年、2022年和2025年，这些指标都在大幅度地提高，以后我们也不用担心动力锂电池的能量密度、寿命、安全性等。
目前动力锂电池较为成熟的有三种封装方式，软包、方形、圆柱。三种封装形式的电池各有优缺点，三者比较，软包电池，比容量高、安全性好、循环寿命长，内阻小，设计灵活，但是一致性较差，成本较高，容易发生漏液。由于前几年软包锂离子电池设备的自动化程度不高，从而会使得一致性较差点，但目前国内外设备公司加大了研发投入。桑顿新能源公司三厂目前锂离子电池产线设备自动化程度达到90%以上，一致性得到比较好的解决，软包电池会是未来发展的趋势。
第二部分介绍下软包电池技术特性。在相同容量下，软包电池的重量和体积最小；在相同的体积下，软包电池的容量最高。在其他条件相同的情况下，较铝壳和圆柱，软包电池的体积能量密度和质量能力密度最高。目前我们的数据是来自于高工锂电。
目前，重要从电芯设计、模组、Pack轻量化方面进一步提升电池系统能量密度。2017年开始，国内主流的电池厂加大了三元布局，现如今高镍高压三元和硅碳是主流的技术路线。从200-280，变正极，从低镍到高镍，或者低压到高压；280-300，变负极，由石墨到硅碳；300-350，三元变富锂锰基；350以上，要么变电解质，由液态变固态，或者更换锂离子电池体系，发展锂硫电池或全固态电池。
Pack轻量化，可以在很多方面做工作。可以使用一些轻量化的材料，可以优化一些设计，采用CAE的辅助，提前做一些仿真。电芯方面，可以选择一些能量密度高、电池尺寸标准化的电芯，像100302这款电芯既符合国标又符合VDA的尺寸，也可以在箱体、模组方面进行一些设计优化。另外在制造工程、结构设计方面也可以做一些优化。Pack轻量化也是未来的趋势。
这是从这几年国外一些一流的整车厂的主流车型搭载软包电池系统能量密度的数据。这些车型重要使用软包电池，韩国现代今年有两款车搭载了LGC公司的NCM811体系电池。这款电池据报道量产时间推迟了。我个人分析的原因可能有三个：一是，NCM811材料和电芯制造成本高，虽然钴的含量降低了，但制造工艺复杂，对环境湿度要求很高；二是，NCM811材料的热稳定性较差，导致NCM811体系电芯的安全性低；三是，NCM811体系电芯循环寿命较短，可能无法满足整车需求。
我们对不同类型电池的事故率进行的统计，16-17年，国内新能源汽车火灾事故分别发生29起和16起。配套车型看，方形电池事故较高，无论是事故次数还是车辆数量占比均超过一半；18年上半年，国内共发生8起，方形和圆柱各一半；根据统计的数据来看，软包电池安全性相对来说最高。软包锂离子电池采用铝塑膜作为包装外壳，在发生安全隐患的情况下，软包锂离子电池最多只会鼓气裂开，从封口处释放能量，而不像钢壳铝壳锂离子电池那样会出现较大内压而发生爆炸。目前，软包锂离子电池大部分仍采用液态电解质，少数采用凝胶态电解质，随能量密度发展，固态锂离子电池发展是必然趋势，锂离子电池安全性会进一步提高。
我们还对不同类型电池的成本进行了统计，从包装成本来说，圆柱、方形、软包的包装成本是相似的，差异不大。但在包装材料的构成方面，方形铝壳的成本是最高的，方形铝壳为了降低单位Wh的成本必须把电池容量做大，但随着成本会降低，安全性也会降低，它可能会热失控，中间有一些热量传递速度会有限制。不同容量的软包电池，包装材料成本相似，相对来说降低单位瓦时成本难度更大。软包电池的容量，一般在50~60Ah左右。
我们对软包电池各组分重量和成本占比进行了分析。发现铝塑膜重量占比为3.0%，成本却占到整个锂离子电池总成本的8%，成本构成中占到第三位，成本占比较大。这重要是由于铝塑膜的制备工艺及市场情况导致的。目前，国内软包动力锂电池所用铝塑膜有90%以上都是进口。
在这简单介绍下铝塑膜结构。铝塑膜重要由外层尼龙层、中间铝层、内层CPP/PP层三层组成，特种铝层和CPP/PP层技术壁垒高，产品要求严格，全球铝塑膜市场仍重要由日韩公司垄断，日本DNP和昭和电工两大巨头合计市场占比超过70%。DNP和昭和电工分别是热法和干法的代表公司。
国产铝塑膜遇到的常见的技术问题是国产铝箔在表面处理上有缺陷，稳定性差，另外CPP层材料未完全攻克，绝缘和耐高温性都存在问题。近些年，国产铝塑膜公司在材料技术工艺、设备等方面都在不断完善更新，而且在产品质量、产品一致性和耐电解液性能上有了质的提升。ATL、光宇等已开始批量应用数码类国产铝塑膜；同时动力锂电池领域，新纶科技通过收购日本T&T的成熟铝塑膜厂和专利技术，成功将铝塑膜产品导入国内动力锂电池公司。国内公司通过技术的内生突破、引进吸收以及外延收购等发展途径，国产化已势不可挡。
铝塑膜国产化后，软包动力锂电池成本将降低，国产铝塑膜公司有新纶科技、紫江公司、道明光学、福斯特等。铝塑膜国产化，铝塑膜成本每平降低5-7元后，软包动力锂电池总体成本降低1.5%左右，可以加速提高软包电池在新能源汽车市场的占有率。
第三部门介绍下软包电池市场化趋势。三种类型电池产量占比均不小，其中方壳电池占比较大。软包电芯凭借着能量密度高、安全性能好、设计灵活的特点，有望加速提高软包电池在新能源汽车市场的渗透率。目前，软包电池在新能源乘用车市场占有率还是比较高。这是高工锂电统计的2017年搭载不同结构电池全球新能源乘用车（top20）数量占比，其中软包电池占比达37.4%，比方形铝壳电池(32.8%)高；这是2017年搭载不同结构电池我国新能源乘用车（top20）数量占比，其中软包电池占比达44.9%，比方形铝壳电池(48.7%)略低。预计，2020年三元材料的动力锂电池需求量将上升至71.6GWh，占比由目前的22%上升至50%左右。而三元动力锂电池，使用软包电池占比较大。
高工锂电数据显示，2017年动力软包电池需求量为6.5GWh，市场渗透率为12%。业内预计2018年动力软包电池需求达到10.9GWh，市场渗透率14%；2020年市场需求达到79.4GWh，渗透率将提升至40%。原因：一是市场对高能量密度电池的需求，实现300Wh/kg电池目标，只有软包才可以，力神，国轩，CATL已经有软包线了；二是，锂硫电池和全固态电池，就目前的工艺、设备、结构设计适合走软包电池路线；三是，安全问题，软包电池相对来说更加安全。
第四部分介绍下我们桑顿新能源公司。桑顿新能源公司是隶属于桑德集团，我们桑德集团成立于1993年，目前业务覆盖了水资源、水生态、固废处理、环卫、再生资源、新能源等，我们集团子现在目前控股参股2家上市公司，一家是桑德国际，一家是启迪桑德，桑德品牌价值已经达到152个亿，集团总资产400亿以上。我们集团在新能源产业上已经做了布局，而且布局是比较完善的，电池、电机、电控、储能、充电桩、新能源汽车都有布局。而我们桑顿新能源在电池板块也形成了一个比较完整的产业布局。
桑顿新能源公司成立于2011年，目前注册资金25.5亿。公司从正极材料的前驱体、正极材料、单体电芯、电池系统、电池管理、电池云平台管理、电池梯次利用、废旧电池回收，已经形成完整的这个产业链。国家要求2020年电池单体成本控制在0.6元左右，通过目前材料的这个成本的控制，肯定是达不到的。只有完善整个产业链，成本才能够在将来2020年以后得到较好的控制。
目前我们公司电池安全是核心，没有安全何谈产品。我们在安全的这一块也做了很多的工作。我们有故障分级处理机制、安全生产保障体系、三级检测体系以及信息化管控追溯系统。从2014年到现在已经有几万辆车纯电动汽车搭载了我们公司的电池，到目前为止没有一例安全事故，这也是我们比较自豪的事情。
目前，桑顿新能源电芯产量达到9GWh，在国内排到前五前六。2020年产量达到14GWh。桑顿新能源将在湘潭打造一个千亿产业集群园区。
第五部分，总结。由于时间关系，最后总结一句话：三种电池类型占比均不小，但软包电芯凭借着能量密度高、安全性能好和设计灵活的特点，再加上铝塑膜国产化趋势推动下，有望加速提高软包电池在新能源汽车市场的渗透率；2020年，动力锂电池中软包渗透率有望提升至40%，达到79.4GWh。
软包和方形铝壳电池有点不相同，软包是贫液状态，而铝壳电池是富液状态。新鲜的软包电池中能流动的电解液的量很少，软包电池可以通过极片、隔膜来保液。随着循环的进行，电解液也不断被消耗，假如出现铝塑膜破损，也不会有电解液泄漏。另外，现在设备的封装能力较好。
我们会在极片压实和隔膜做些改进。软包电池正负极压实相对铝壳电池来说低点，隔膜方面也不相同。隔膜工艺方面，我们会在做一些改进，比如涂敷一层PVDF或者与陶瓷混涂。通过极片和隔膜自身的吸液量可以保证循环性能。目前我司的软包电池产品1C充/1C放循环寿命都在2000次以上，完全满足电动汽车的需求。另外，在外存在一定的压力的情况下，软包电池循环性会比无压力状态下高得多。软包电池在Pack里是有压力的。
我们分两部分，废电池回来我们会进行筛选。前几年，电池没有追溯系统，如大数据或是MES系统，退役回来的电池状态无法判断状态，只能通过充放电测试结果筛选。目前，国家有要求，公司也有这个意识，在电池制备过程中加装MES系统，搭载车的电池包有大数据，这样电池退役回来后，我们首先通过电池大数据分析一下电池包的使用状态，有没有滥用的情况，有没有出现一致性的问题，或是其他的可以看得出来的问题。首先，筛选好的电池包直接使用到低速车或者其他细分领域；其次，不能直接使用的，拆解出模组，筛选好的模组，重新配组成新的电池包使用到低速车或者其他细分领域；最后，一些无法再次使用的模组直接破坏性拆解，由于镍、钴等资源的回收经济价值高，更适合加以回收。目前桑顿针对三元软包电池的回收进行了一系列的研究，包括废旧动力锂电池包梯次利用、电池快速放电、电池包的拆解、资源的提取和再利用等方面。
国家有立法所有数据不能买卖，但我们会跟主机厂谈，主机厂是有数据存储，我们通过一些商务的模式，一起来分析数据。另外，主机厂是回收电池的主体，我相信他们愿意有这样的公司和他们一起做。
未来五年内，还是以常规的传统的锂离子电池为主，五年以后锂硫电池和全固态电池才可能在电动汽车上大规模使用。就目前而言，锂硫电池和全固态电池重要用于3C或是无人机方面。在电动乘用车方面，氢燃料动力电池至少要在十年后才可能大规模使用，但在电动商用车方面，可能会早点，但也要在五年以后。
