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          特斯拉產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)崂砑颁囯x子電池材料全解

          作者: 時(shí)間:2018-07-27 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          簡(jiǎn)析:特斯拉所使用的松下電池屬于的一種。是一種二次電池(充電電池),它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來工作。在充放電過程中,Li+在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌:充電時(shí),Li+從正極脫嵌,經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極,負(fù)極處于富鋰狀態(tài);放電時(shí)則相反。電池一般采用含有鋰元素的材料作為電極。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201807/384262.htm

          其主要優(yōu)點(diǎn)有輸出電壓高(3.6V)、能量密度大、自放電小、循環(huán)壽命長(zhǎng)無記憶效應(yīng)、可快速充放電無有毒有害物質(zhì)等。缺點(diǎn)是溫度影響電池容量以及安全性能不好。目前主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)橄M(fèi)電子、電動(dòng)交通工具、大型動(dòng)力電源以及二次充電及儲(chǔ)能領(lǐng)域。

          特斯拉Model S專用的松下18650電池

          18650是鋰離子電池的鼻祖--日本SONY公司當(dāng)年為了節(jié)省成本而定下的一種標(biāo)準(zhǔn)性的鋰離子電池型號(hào),其中18表示直徑為18mm,65表示長(zhǎng)度為65mm,0表示為圓柱形電池。

          Model S所用18650電池是松下產(chǎn)的型號(hào)為NCR18650B三元材料電池,電容量約3.3mA,電壓達(dá)到3.6V,能量密度高達(dá)243Wh/kg。

          在特斯拉的Model S上使用的NCR18650B比之前Roadster所使用的鈷酸鋰電池比能量高出三成,區(qū)別來源于結(jié)構(gòu)的不同,它以鎳鈷鋁三元材料為正極材料,以石墨為負(fù)極材料,以六氟磷酸鋰為電解液。最終達(dá)到比能量更大,穩(wěn)定性、一致性更好的效果。此外,單體電池尺寸小但可控性高,可降低單個(gè)電池發(fā)生故障帶來的影響,即使電池組的某個(gè)單元發(fā)生故障,也不會(huì)對(duì)電池整體性能產(chǎn)生影響。

          鋰電池的構(gòu)造多種多樣,松下三元電池只是其中的一種,以下我們將主要從鋰電池的五大核心部件詳細(xì)解析鋰電池。

          正極材料

          正極材料決定了鋰離子電池的主要性質(zhì),如能量密度、循環(huán)穩(wěn)定性、安全性等。正極材料目前主要包括鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料等。目前來看,鋰電池正極遵循著從二元材料向三元材料的發(fā)展趨勢(shì)。松下NRC18650B的正極材料是鎳鈷鋁三元材料,俗稱NCA。

          通過引入Ni含量可提高材料的容量,而松下NRC18650B正是提高了Ni含量(摩爾分?jǐn)?shù)80%)從而使電池從原來的2.9Ah提高到了3.3Ah左右,能量密度大大提升。同時(shí)受益于三元協(xié)同效應(yīng),NCA正極材料綜合了LiNiO2和LiCoO2諸多優(yōu)點(diǎn),性能比使用單一材料優(yōu)越。而且,該材料用鈷量較少,成本較低。

          從目前市場(chǎng)角度上看,磷酸鐵鋰和三元材料為國(guó)內(nèi)最主流的兩種正極材料,由于對(duì)磷酸鐵鋰電池的需求量較大,磷酸鐵鋰的市場(chǎng)占有率更高一些,但三元材料以較為迅猛的勢(shì)頭逐漸發(fā)展,成為未來的趨勢(shì)。

          無論是磷酸鐵鋰正極材料還是三元正極材料,都離不開碳酸鋰。以特斯拉Model S為例測(cè)算一輛新汽車的碳酸鋰當(dāng)量需求:松下NCR18650電池單體重量44g,松下官網(wǎng)說明18650電池中正極材料重量占比20~35%,假設(shè)其正極材料在30%左右,則重量為15克左右。NCA化學(xué)式Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)xO2,經(jīng)過測(cè)算x=0.845,分子量為87.5;碳酸鋰分子式Li2CO3,分子量為74。按鋰元素一比一,兩者重量比是74:(87.5×2)=0.423:1。

          可知其中1克鋰鈷鎳鋁三元正極材料需要0.423克碳酸鋰。則生產(chǎn)一節(jié)18650NCA三元電池正極材料需要15*0.423=6.345g碳酸鋰。一輛ModelS使用了7104節(jié)18650電池,折合碳酸鋰當(dāng)量=7104*6.345g=45.1kg,再加上電解液六氟磷酸鋰對(duì)碳酸鋰的需求和工業(yè)耗損,預(yù)計(jì)一輛ModelS對(duì)碳酸鋰當(dāng)量需求在60kg左右,折合耗用量為0.73kg/kWh。

          按照同樣的思路進(jìn)行計(jì)算,我們估計(jì)松下三元電池的鎳元素耗用量約為0.53kg/kWh。

          此外,鈷元素也是NCA和NCM三元材料必不可少的上游原料,隨著三元材料對(duì)碳酸鐵鋰的替代趨勢(shì)越來越明朗,鈷需求也隨之水漲船高。NCA三元材料中鈷元素需求量約為0.14kg/kWh。

          負(fù)極材料

          石墨仍為負(fù)極材料首選

          鋰離子電池的負(fù)極是由負(fù)極活性物質(zhì)碳材料或非碳材料、粘合劑和添加劑混合制成糊狀膠合劑均勻涂抹在銅箔兩側(cè),經(jīng)干燥、滾壓而成。負(fù)極材料是鋰離子電池儲(chǔ)存鋰的主體,使鋰離子在充放電過程中嵌入與脫出。

          負(fù)極材料主要分為以下三類:碳材料(石墨類)、金屬氧化物材料以及合金材料。松下NCR18650B電池的負(fù)極材料采用石墨材料。

          動(dòng)力電池市場(chǎng)爆發(fā)以來,相比于其他材料而言,負(fù)極材料價(jià)格相對(duì)穩(wěn)定,技術(shù)路線以石墨類為主,不存在很大的爭(zhēng)議。中國(guó)電池網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示,以動(dòng)力鋰電池為例,一輛大約需要40千克負(fù)極材料,折合石墨耗用量約為0.9kg/kWh。目前負(fù)極材料主要以天然石墨和人造石墨為主,兩者性能有著各自的優(yōu)缺點(diǎn),應(yīng)用領(lǐng)域也有所不同。

          碳材料發(fā)展最前沿的產(chǎn)品就是石墨烯,它是目前為止發(fā)現(xiàn)的最薄的層狀材料,以石墨烯作為負(fù)極材料可以加大電池的容量。傳統(tǒng)石墨材料的能量密度上限(石墨烯)在372mAh/g,較當(dāng)前正極材料的能量密度還有相當(dāng)?shù)脑A?。未來提高?dòng)力電池能量密度仍是新汽車動(dòng)力方面的關(guān)鍵,盡管價(jià)格昂貴或技術(shù)尚不成熟,鈦酸鋰以及硅基復(fù)合材料等高端負(fù)極材料也逐漸步入負(fù)極材料的應(yīng)用領(lǐng)域。

          硅基負(fù)極:鋰電負(fù)極變革趨勢(shì)

          Si基負(fù)極材料最大的優(yōu)勢(shì)在于極高的理論能量密度(4200mAh/g),遠(yuǎn)高于石墨。這也符合新汽車對(duì)電池的要求。從目前趨勢(shì)上看,未來負(fù)極材料的發(fā)展方向先向硅基+石墨,最后將由純硅/金屬鋰完全取代低能量密度的石墨。

          硅基負(fù)極材料最大的不足就是膨脹問題,充電后易膨脹碎裂,無法復(fù)原,導(dǎo)致材料最終出現(xiàn)粉末化,大大縮短了電池壽命。

          在充放電過程中會(huì)有300%的膨脹,而相同條件下石墨只有7%。目前松下最新研發(fā)的碳硅基復(fù)合材料負(fù)極中硅的含量達(dá)到了10%,可以看出隨著技術(shù)水平的進(jìn)步還有很大的發(fā)展空間。

          負(fù)極集流體:鋰電銅箔

          按生產(chǎn)工藝不同,銅箔又分為壓延銅箔和電解銅箔,壓延銅箔一般用作建筑裝飾材料。由于銅箔的導(dǎo)電性良好、質(zhì)地較軟、延展性好易加工變形,它也是制作鋰電池負(fù)極集流體的首選材料。鋰離子電池集流體的功用是將電池活性物質(zhì)產(chǎn)生的電流匯集起來,以便形成較大的電流輸出,因此集流體應(yīng)有較低的比表面能從而易于與活性物質(zhì)充分接觸,且有著優(yōu)良的導(dǎo)電性。

          目前,國(guó)內(nèi)外大部分鋰電池生產(chǎn)廠家都采用電解銅箔作為鋰電池的負(fù)極集流體。近年來,新能源汽車快速發(fā)展,導(dǎo)致新能源汽車所需的鋰電池的需求量也快速增大,而銅箔是鋰電池的重要原材料,其需求量當(dāng)然也隨之增大,所以新能源汽車的發(fā)展帶動(dòng)了鋰電銅箔的發(fā)展,對(duì)整個(gè)銅箔產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了不可忽視的影響。

          新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展導(dǎo)致我國(guó)銅箔產(chǎn)品產(chǎn)銷結(jié)構(gòu)的巨變,鋰電銅箔的產(chǎn)能由2015年的5.9萬噸上升至2016年的7.03萬噸;產(chǎn)量占比從2013年的10.35%上升至2016年的20.2%。在2013年以前,鋰電銅箔主要應(yīng)用于數(shù)碼產(chǎn)品等消費(fèi)性電子產(chǎn)品,而之后才慢慢應(yīng)用于動(dòng)力電池,占比慢慢提高。

          在鋰電池中,銅箔的耗用量大致為0.9kg/kWh。根據(jù)銅冠銅箔的數(shù)據(jù),2016年我國(guó)的鋰電銅箔的產(chǎn)能為7.03萬噸,而2017年鋰電銅箔的需求將上升至8萬噸,供給缺口明顯。由于新建鋰電銅箔項(xiàng)目建設(shè)周期較長(zhǎng),約為24個(gè)月,想要彌補(bǔ)缺口的難度非常大,銅箔加工費(fèi)在剛性需求的支撐下持續(xù)上漲。

          電解液

          電解液,是鋰離子電池中是作為帶動(dòng)鋰離子流動(dòng)的載體,對(duì)鋰電池的運(yùn)行和安全性具有舉足輕重的作用。鋰離子電池的工作原理也就是其充放電的過程,表現(xiàn)為鋰離子在正負(fù)極之間的穿梭,而電解液正是鋰離子流動(dòng)的介質(zhì)。

          根據(jù)中國(guó)電池網(wǎng)的推算,在電解液的成本構(gòu)成中,溶劑約占30%,添加劑約占10%,最主要的成分溶質(zhì)約占60%。市場(chǎng)上的溶質(zhì)以六氟磷酸鋰(LiPF6)為主,松下NCR18650電池也選用了六氟磷酸鋰作為溶質(zhì),每kWh鋰電池需要0.15kg的六氟磷酸鋰。六氟磷酸鋰同樣可以通過碳酸鋰制備。

          隔膜

          隔膜的主要作用是保障正負(fù)極分開的情況下鋰離子自由流通,是保障電池安全的最重要部分之一。隔膜能夠浸潤(rùn)在電解液中,而且表面上有大量允許鋰離子通過的微孔。微孔密度以及材料選擇、厚度等等特性都會(huì)影響鋰離子穿過隔膜的速率從而影響電池性能。中國(guó)產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)估計(jì),鋰電池中隔膜的耗用量大致為20m2/kWh。

          松下供應(yīng)給特斯拉的電池所使用的隔膜,由住友化學(xué)供應(yīng)。住友化學(xué)隔膜采用單層PE作為基體材料,濕法工藝加工處理。與干法工藝相比,濕法工藝的投資成本較高,但可以提高膜表面微孔數(shù)量,且生產(chǎn)的隔膜更薄。這也是濕法工藝最大的優(yōu)勢(shì),其薄膜厚度可以低至9μm,而干法工藝制作的隔膜厚度通常在20-40μm。

          鋰電池結(jié)構(gòu)件

          作為鋰電池和電池模組的重要組成部分,精密結(jié)構(gòu)件主要包括鋁/鋼殼、蓋板、連接片等,對(duì)鋰電池的安全性、密閉性、能源使用效率等都具有直接影響。由于在使用過程中需要大量的電芯串、并聯(lián)在一起保證能量供應(yīng),導(dǎo)致需要使用大量的結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品以保證動(dòng)力電池的安全。

          鋰電池外殼保護(hù)電池在儲(chǔ)存和使用過程中免受外界損壞并維持電池內(nèi)部穩(wěn)定性,對(duì)電池的安全性、密封性和一致性等方面都有直接影響,是鋰電池重要組成部分之一。根據(jù)鋰電池形狀的不同,其所采用外殼材料各有差異:圓柱型電池外殼以鋼殼為主。方形電池外殼以鋁殼居多,軟包電池主要使用鋁塑膜和極耳來封裝。

          電池接觸片是電池上的一個(gè)重要組成部分,采用銅,鐵,不銹鋼等材料制成。電鍍鍍金、銀、鎳、錫。安裝在導(dǎo)電膜上的電池接觸片受到按壓時(shí),接觸片中心點(diǎn)接觸電池形成回路,電流通過。它具有導(dǎo)通性強(qiáng)、手感佳等特點(diǎn)。

          目前來看,在保障電池結(jié)構(gòu)件原有作用性能和安全性的前提下,電池包的輕量化是結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)最重要的目標(biāo),動(dòng)力電池企業(yè)對(duì)鋰電池精密結(jié)構(gòu)件制造企業(yè)在新產(chǎn)品、新技術(shù)等方面提出了更多的要求。同時(shí)更多的精密結(jié)構(gòu)件制造企業(yè)通過優(yōu)化電池系統(tǒng)的設(shè)置進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)輕量化。

          特斯拉21700性能成本碾壓18650

          回顧動(dòng)力鋰電發(fā)展之初,特斯拉將廣泛應(yīng)用于3C領(lǐng)域的18650引入到動(dòng)力鋰電之中,開辟了一條新能源汽車動(dòng)力的新道路。但18650受限于體積和關(guān)鍵組件限制,普遍在2.2-3.6Ah之間,而目前動(dòng)力電池最大的瓶頸仍然在于提高比能量,才能對(duì)傳統(tǒng)的燃料汽車構(gòu)成有力競(jìng)爭(zhēng)。

          因此,特斯拉新款Model3將采用21700電池全面替代之前成熟的NCR18650。

          能量密度更大

          21700電池的能量密度要優(yōu)于18650電池。根據(jù)目前特斯拉披露的信息,在現(xiàn)有條件下,其生產(chǎn)的21700電池系統(tǒng)的能量密度在300Wh/kg左右,比其原來18650電池系統(tǒng)的250Wh/kg約提高20%,容量也將達(dá)到4.8Ah左右。

          究其原因,21700在保有高鎳含量的NCA三元正極材料的同時(shí),負(fù)極材料由原來的100%的碳基材料升級(jí)為摻有10%左右Si的碳硅復(fù)合材料。前文已述Si的理論能量密度要遠(yuǎn)高于石墨,但存在容易膨脹的缺陷。21700也是首次將碳硅復(fù)合材料負(fù)極運(yùn)用到動(dòng)力電池中,具有里程碑意義。

          同時(shí)因?yàn)槟芰棵芏鹊奶嵘?,相同容量的電池組需要的電芯數(shù)量會(huì)大幅減少,BMS更簡(jiǎn)單,PACK所需要的附件更少,輕量化都會(huì)有大幅度提升。

          成本不升反降

          根據(jù)Tesla披露的電池價(jià)格信息,預(yù)計(jì)21700的動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)售價(jià)為170美元/Wh,相比18650的售價(jià)185美元/Wh,價(jià)格下降幅度可達(dá)8.1%左右。18650的系統(tǒng)的成本約為171美元/Wh,改用21700后,系統(tǒng)成本約能實(shí)現(xiàn)9%左右的降幅,達(dá)到155美元/Wh。

          單體容量提升后,PACK所需配件數(shù)同比例減少帶動(dòng)PACK成本下降。從18650型號(hào)切換至21700型號(hào)后,電池單體電池容量可以達(dá)到4.8Ah,大幅提升35%,同等能量下所需電池的數(shù)量可減少約1/3,TeslaModels電動(dòng)汽車使用7104節(jié)18650電池串并聯(lián)成電池組,預(yù)計(jì)在新款MODEL3電池節(jié)數(shù)將大幅減少。在降低系統(tǒng)管理難度的同時(shí)將同比例的減少電池包采用的金屬結(jié)構(gòu)件及導(dǎo)電連接件等配件數(shù)量。

          由于整個(gè)電池系統(tǒng)都相應(yīng)簡(jiǎn)化,帶動(dòng)成本下降。特斯拉的電池占到整車成本的三成以上,那么我們預(yù)計(jì)整車的成本都相應(yīng)的出現(xiàn)可觀的下降。

          特斯拉電池產(chǎn)業(yè)鏈

          根據(jù)seekingalpha的推算數(shù)據(jù),以特斯拉ModelS為例,其電池系統(tǒng)價(jià)值占整車成本的33.23%。在特斯拉的電池系統(tǒng)里,價(jià)值最高的毫無疑問是單體電池,其成本可占整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)的83%。

          我們?cè)倮^續(xù)拆解單體電池的成本,由于沒有松下電池最精確的數(shù)據(jù),就以業(yè)內(nèi)估計(jì)的動(dòng)力鋰電池?cái)?shù)據(jù)作為參考。其中,占比最高的是正極材料,一般在30%-40%之間;隔膜和電解液均在15%-20%之間。

          由于特斯拉的電池系統(tǒng)可以分為兩個(gè)層次:?jiǎn)误w電池以及電池組管理系統(tǒng),那么以特斯拉電池為原點(diǎn)、以這兩個(gè)層次為路徑向上游追溯,則可以梳理出其完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

          產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展為最上游的原料供應(yīng)商提供了超預(yù)期的需求增量,這也是鈷、鋰等金屬價(jià)格飛漲的核心原因。以特斯拉的松下NCA電池為例,我們匯總了前文分析的各類原料的耗用狀況。隨著未來新能源汽車的滲透率不斷提高,相關(guān)原料的需求增長(zhǎng)將會(huì)非??捎^。

          特斯拉電池產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)商全梳理

          松下電器是特斯拉電池的唯一供應(yīng)商,二者的合作從2011年就已經(jīng)開始。2013年特斯拉和松下續(xù)簽4年合同,松下將在未來4年內(nèi)向特斯拉提供約20億塊電池。由于松下電池的產(chǎn)能仍不足以滿足特斯拉的生產(chǎn)需求,二者又在2014年簽訂協(xié)議,合作建立Gigafactory電池超級(jí)工廠,計(jì)劃年產(chǎn)能35GWh,目前已于2016年開業(yè),計(jì)劃在2018年生產(chǎn)出超過2013年全球產(chǎn)量總和的鋰離子電池。因此,未來特斯拉在單體電池這一塊將會(huì)逐步走向自給自足。

          如果說松下電池為電動(dòng)車的續(xù)航能力與快速加速提供了可能,那么特斯拉自主研發(fā)的電池管理系統(tǒng)將這種可能變成了現(xiàn)實(shí)。特斯拉BMS能夠提供精確的電池健康狀態(tài)預(yù)估技術(shù)、電池平衡管理技術(shù)、電池殘電量管理技術(shù)、電池?zé)峁芾砑夹g(shù)、診斷與預(yù)警技術(shù)。這是這個(gè)BMS使得電動(dòng)車在續(xù)航里程、電池壽命、充電時(shí)間達(dá)到實(shí)用性的要求,從而開啟新能源汽車潮流的新時(shí)代。

          由于松下電器是特斯拉單體電池的直接供應(yīng)商,電池管理系統(tǒng)則是特斯拉自主研發(fā)的。因此要進(jìn)入到特斯拉電池產(chǎn)業(yè)鏈之中,只能采取成為松下的供應(yīng)商或者是特斯拉的認(rèn)證供應(yīng)商的方法。對(duì)此,我們進(jìn)行了細(xì)致的梳理:

          電池管理系統(tǒng)

          特斯拉的電池管理系統(tǒng)的技術(shù)來源于自主專利,而零配件采取了全球化采購策略,由全球最大車用線材廠日本矢崎以及臺(tái)灣貿(mào)聯(lián)提供線束,世界上最大的模擬電路技術(shù)部件制造商德州儀器提供芯片處理器。

          國(guó)內(nèi)的均勝電子則為特斯拉的電池管理系統(tǒng)提供傳感器原件。公司2015年的年報(bào)信息披露,公司在BMS方面是寶馬全球獨(dú)家供應(yīng)商,而在報(bào)告期內(nèi)也開始為特斯拉供應(yīng)部分傳感元器件。而到了2017年,在特斯拉最新下線的Model3上,公司旗下的普瑞(Preh)和百利得(KSS)分別為特斯拉的安全氣囊、方向盤和電池充電系統(tǒng)等多個(gè)系統(tǒng)和部件提供產(chǎn)品和技術(shù)。

          常鋁股份7月10在投資者互動(dòng)平臺(tái)上披露動(dòng)力電池散熱系統(tǒng)用鋁材通過特斯拉一級(jí)供應(yīng)商已應(yīng)用于特斯拉車輛的。

          單體電池

          松下電池的供應(yīng)商比較固定,尤其是和住友財(cái)團(tuán)的企業(yè)合作密切。比如,住友金屬礦山負(fù)責(zé)提供正極材料,住友化學(xué)提供隔膜。在其他方面,日立化成負(fù)責(zé)提供負(fù)極材料,三菱化學(xué)提供電解液。

          與此同時(shí),國(guó)內(nèi)也有不少企業(yè)獲得了松下電器的供應(yīng)商認(rèn)證,借此打入特斯拉供應(yīng)鏈。根據(jù)各公司在公開平臺(tái)上披露的信息,中國(guó)寶安旗下貝瑞特為松下提供鋰電池負(fù)極材料,新宙邦為松下提供電解液,長(zhǎng)園集團(tuán)子公司江蘇華盛給松下供應(yīng)電解液添加劑量。

          由于Gigafactory的建立,也有部分企業(yè)也相當(dāng)于是直接為特斯拉供應(yīng)零部件,比如安潔科技與旗下新星控股為松下供應(yīng)電子精密構(gòu)件,科達(dá)利為特斯拉提供電池連接件。



          關(guān)鍵詞: 鋰離子電池 能源

          評(píng)論


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