钜大LARGE | 点击量：2152次 | 2018年11月02日
动力电池能量密度提升的三个路径
在补贴金额与电池系统能量密度挂钩的压力之下，国内动力企业都加紧了研发新一代高性能动力电池的步伐。除了改进原材料属性提升电芯单体比能量之外，做大电芯规格增加容量成为了电池企业提升能量密度最直接的方式。
当前所有的电池企业都在通过导入新材料、改进制造工艺、优化PACK结构方案、进行系统轻量化等方式提升电池能量密度，同时有多家电池企业宣称已有更高能量密度的电池实现量产，系统能量密度可以满足最高补贴系数要求。
高工锂电网通过梳理发现，目前电池企业在提升电池能量密度方面的方式都大同小异。其中，磷酸铁锂电池主要通过物理方式提升能量密度，而三元电池则正在向高镍体系迈进，而做大电芯单体尺寸增加容量成两者共同选择。
轻量化处理成普遍选择
作为当前国内占据主要市场份额的两大技术路线，磷酸铁锂电池和三元电池已经分别在纯电动大巴、纯电动乘用车及专用车领域占据主导位置。由于新补贴政策将电池系统能量密度与补贴金额直接挂钩，能量密度越高则获得的补贴越多，这直接倒逼着电池企业尽快提升能量密度。
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%
由于磷酸铁锂电池在能量密度上存在较大短板，短期内将系统能量密度提升到115wh/kg-120wh/kg的难度比较大，这直接给磷酸铁锂电池企业产生了极大的压力。
“磷酸铁锂电池系统能量密度要达到115wh/kg以上，单体电芯的质量能量密度至少要达到150wh/kg以上，这对铁锂电池企业是个不小的压力，对其材料供应商在提升磷酸铁锂材料压实密度和克容量方面也提出了更高的要求。”多位铁锂电池企业高层表示，实际上通过改进材料性能以提升铁锂电池单体比能量的作用比较有限，更直接的方法还是做大电池尺寸、增加电池容量、减轻电池包重量，通过物理方式提升电池系统能量密度。
高工锂电网了解到，目前包括比亚迪、国能电池、宁德时代、亿纬锂能、国轩高科等多家电池企业的铁锂电池系统能量密度都超过了115wh/kg达到最高补贴系数，但上述企业均表示通过减轻电池包重量，进行轻量化处理等方式提升能量密度的作用更明显。
在巡回调研中，包括鹏辉能源、桑顿新能源、湖南三迅、沃特玛等电池企业也在采取相似的措施给电池包减重以提升能量密度，效果显著。
“通过辅材(钢壳、箔材)轻量化技术和电芯空间利用率优化设计结合，在保证机械强度的同时，可提升5%的能量密度。”沃特玛电池研究院技术总监李路伟在“2017锂电供应链好产品巡回”华南站沙龙的演讲中表示，沃特玛通过采用纳米级正极磷酸铁锂及分选配级技术、表面包覆和化学改性技术、结构设计优化、极片制造技术，全面提升公司磷酸铁锂电池的能量密度。
值得注意的是，尽管做大电池尺寸提升容量、对电池包进行轻量化处理可以提升系统能量密度，但业内人士强调该方法依然有难度，对电池的安全性和一致性会产生直接影响，甚至会牺牲部分性能，因此需要特别谨慎。
“电池壳体不能做的太大、轻量化设计一定要以保证电池的安全性和一致性为前提。”湖南三迅新能源科技有限公司技术副总梁世硕对高工锂电网表示，三迅的磷酸铁锂产品未来将主打五个型号，电池容量会不断提升，目前也在进行轻量化处理，但不会牺牲电池的安全性。
密集布局高镍三元电池
相比于磷酸铁锂电池能量密度提升的困难，三元电池的能量密度提升方式显得更灵活，提升空间也更大。随着三元电池的安全性逐步得到验证，加之消费市场对于续航里程的需求提升，国家政策又倾向扶持高能量密度动力电池，高镍三元材料电池被业界普遍看好，吸引众多动力电池企业的积极布局。
高工锂电了解到，几乎所有的三元电池企业都将高镍三元电池作为公司下一代产品的主力，技术路线正在从目前主流的NCM523体系向NCM622、NCM811和NCA快速推进。其中已有多家电池企业开始量产高镍NCM622产品，能量密度较此前大幅提升。
例如，天劲股份称目前三元单体量产比能量达215wh/kg,今年将量产230Wh/kg产品，近期重点发展高镍三元材料电池；比克18650圆柱第三代2.9Ah产品已经实现量产，能量密度约218Wh/Kg，目前重点开发高镍811/NCA体系；鹏辉能源2.8AH18650电池比能量将达到230wh/kg以上，高镍三元电池下半年实现量产；振华新能源年内将量产250wh/kg三元电池；桑顿新能源230wh/kg三元电池可实现量产；妙盛动力三元软包电池单体比能量达200wh/kg以上；三迅新能源220wh/kg三元电池可实现量产；远东福斯特218wh/kg三元电池已经批量生产；孚能科技220wh/kg三元软包电池已批量生产等。
值得注意的是，尽管三元电池企业基本上都将NCM811和NCA作为下一代的主要产品，并且宣称可以在年内实现量产，但总体来看高镍三元电池的大规模产业化还存在一定的距离。
业内人士指出，三元正极材料的高镍低钴化在提升电池能量密度、降低材料成本等方面具有明显优势，但安全性和稳定性问题却较为突出。由于高镍三元正极材料的技术壁垒较高，在制备工艺和设备以及生产环境等方面的要求都远远高于普通三元材料，国产高镍三元材料走向成熟还需克服多项技术难题。
受下游市场明显需求拉动和技术工艺升级，国内包括当升科技、宁波金和、河南科隆、杉杉能源、格林美等材料企业都在积极布局NCM811/NCA材料，加快实现产业化。
更改电池尺寸提升能量密度
除了导入高镍材料提升三元电池比能量之外，更改电池尺寸提升电池容量依然是有效的方式。
特斯拉选择18650技术路线的成功吸引了国内众多电池企业的追随，近年来国内对动力18650的投资热情持续升温，且主要集中在三元电池领域。
高工产研锂电研究所(GGII)初步统计，国内涉足18650电池的企业目前已经超过20家。
不过，由于18650电芯单颗容量小，普遍在2-4Ah左右，串并联数量太多，单体失效风险概率较大，导致其在主流乘用车和客车领域的应用受到一定的限制。18650电池的市场正遭遇来自方形电池、软包电池等其它电池型号的挑战，18650的投资扩产潮也伴随一定的市场风险
一个明显的信号是，率先使用18650电池的特斯拉已将目光转向了21700电池。
据了解，特斯拉与松下合作生产的21700电池已经实现量产。特斯拉CEO马斯克介绍，当Model3汽车出来之后，将会重新审核是否选用21700电池制造ModelS和ModelX型号汽车。一旦审核通过，21700电池很有可能全面替代特斯拉汽车上的18650电池。
“新电池将会拥有最佳的能量密度，成本也将是最低的。”随着产能的有序提升，马斯克表示希望通过大规模量产电池将每辆Model3的成本降低30%左右，同时解决特斯拉交货紧张的问题。
据了解，特斯拉采用21700电池后，由于同等能量下，所需电池的数量可减少约1/3，这将带来整个Pack内部金属连接件数量的减少，从而进一步降低电池Pack的重量，整车的能量密度将得到部分提升。而这种方式也为国内18650电池企业在提升能量密度和降成本方面提供了参考。
目前国内18650电池企业基本上都对特斯拉的方式表示认可，并且也在进行相关布局。其中，深圳比克、远东福斯特、猛狮新能源等圆柱电池企业都明确宣称将在未来产能扩充中投产21700电池。
