固态电池属性解析与成本经济性分析课件.pptx
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1、摘要固态锂电池与传统锂电池最固态锂电池与传统锂电池最大大的不的不同同在于在于电电解质解质1传统锂电池采用隔膜+电解液中间含有液态物质,而固态电池则使用固体电解质。相比传统锂电池,固态 锂电池的安全性更好,能量密度更高。目前已经在使用或接近商用目前已经在使用或接近商用的的固态固态电电池的池的电电解质有解质有:聚合聚合物物、硫化、硫化物和物和 氧化物三种,其中氧化物电氧化物三种,其中氧化物电解解质性质性能能最最优优氧化物电解质的稳定性好,循环寿命长(可达1000次以上),能量密度较高,倍率性能较好,同时成本 较低。主要缺陷是界面接触问题尚未完美解决。氧化物电解质比较适合动力电池,如今国内企业大部分
2、 选择了金属氧化物动力电池,其制造工艺和改性水平也在稳步提升。固态电池在安全性和便利性固态电池在安全性和便利性上上优势优势明显明显理论上固态电池量产成本可理论上固态电池量产成本可以以与液与液态态电池电池相相媲美媲美氧化物固态电池电解质物料价格低廉且电芯易组装,封装成本低。只要解决氧化物电解质大规模量产的技术问题,固态电池的量产成本或可以与液态电池相媲美。风险风险提示提示:固态固态锂锂电池电池作作为锂为锂离离子电子电池池的新的新技技术,术,商商业化业化应应用时用时间间尚不尚不明明确,确,存存在长在长期期无法无法大大规模规模应应用用的风的风险。险。目录什么是固态电池什么是固态电池一一便利性便利性里
3、程焦虑,我们到里程焦虑,我们到底底在焦在焦虑虑什么?什么?二二三三安全性安全性是增加安全性还是是增加安全性还是本本身安全身安全四四经济经济性性如何翻过成本这座山如何翻过成本这座山五五2固态电池相关企业固态电池相关企业1.1.什么是固态电池什么是固态电池3图图1 1:传统液态锂离子电池传统液态锂离子电池结构结构图图2 2:固态电池电池结构固态电池电池结构4相较于传统锂离子电池,固态锂电池安全性高,无自燃、爆炸风险;氧化物和硫化物电解质的固态电池能量密度高于采用相同正负极材料 的传统锂电池。固态电池:结构改性带来性能升级固态电池:结构改性带来性能升级固态电解质:氧化物或成最优解固态电解质:氧化物或
4、成最优解目前已经在使用或者接近商用的固态锂电池的电解质有三种:聚合物、目前已经在使用或者接近商用的固态锂电池的电解质有三种:聚合物、硫化物和氧化物。硫化物和氧化物。表表1:不不同电解质类型对比同电解质类型对比5类型类型优点优点缺点缺点GARNET空气稳定性好;室温离子导电率高与金属锂电极浸润性差LISICON较高的室温离子导电率对水及二氧化碳敏感;对金 属锂的稳定性也较差NASICON较高的室温离子导电率,对 水、空气具有优异的稳定性需要类似聚合物/陶瓷/聚合 物的复杂三层电解质结构才 能最大化其性能,不利于工 业化表表2:不:不同氧化物型电解质对比同氧化物型电解质对比类型类型聚合物聚合物氧化
5、物氧化物硫化物硫化物电解质材料聚环氧乙烷LiPON、NASICON等LiGPS、LiSnPS、LiSiPS等主要优点高温工作性能很好循环性能良好工作性能参数表现优异主要缺点室温离子电导率很低,电化学窗口窄,易被电解材料总体电导率较低;界面问题界面问题;稳定性和机械强度较弱成本高低较低安全性:新能源汽车放量的必 要条件便利性:新车型基本满足了便 利性条件6经济性:新技术的应用不能阻 碍购买平价安全、便安全、便利利、经济经济新能源汽车作为具有公共属性的代步工具,放量需要具备三个条件:安全性是满足公共属性代步工具最基础的要求,也是新能源汽车放量的必要条件。便利性是与传统汽车相比,满足出行需求的基本能
6、力。经济性是新能源汽车进入大众消费领域的充分条件。固态电池不但是安全性问题的解决方案,也能通过提升续航带来便利性的提升,如 果在经济性上可以与传统电池评价,固态电池的时代可能加速来临。72 2固态电池:是增加安全性还固态电池:是增加安全性还是是本身本身安安全全?新能源汽车大国:保有量已新能源汽车大国:保有量已超超41417 7万辆万辆429115326138141708100200300400500图图3:中:中国国新新能能源源汽汽车车保保有有量量情情况况600201520162017201820192020Q2新能源汽车保有量(万辆)新能源汽车保有量超过400万辆。截至2020年6月,我国新
7、能源汽车保有量417 万辆;2019年我国新能源汽车产量381万辆,保有量增加36万辆。2019年我国 新能源汽车保有量增加120万辆。保有量超千万已经不远。9时间时间地点地点电池类型电池类型事故起因事故起因2019.02.12深圳不明行驶中自燃2019.03.08上海三元18650充电自燃起火后蔓延2019.03.27广州三元18650无故自燃后蔓延且复燃2019.04.07杭州三元电池充电时自燃并蔓延2019.04.21上海三元18650停放时猛烈自燃并蔓延2019.04.22西安三元方壳地盘被撞击致电池短路2019.04.23杭州三元方壳原因不明2019.04.24湖北磷酸铁锂后备箱起火
8、,电池完好无损2019.07.11金华不明等待红绿灯时起火2019.07.12江西不明停车时自燃2019.07.18北京三元电池搁置时发生自燃2019.07.25西安不明行驶过程中自燃2019.07.25宜春疑似圆柱停车时自燃事故频发,动力电池路在何方?事故频发,动力电池路在何方?根据根据清清华华大大学学电电池池安安全全实实验验室室发发布布的的2019年年动动力力电电池池安安全全性性研研究究报报告告,2019年年以以来来电电动动汽汽车车自自燃燃起起火火事事故故仍仍然然频频发。发。据不据不完完全统全统计计,19年年1月至月至7月国内月国内外外媒体媒体所所报道报道的的与动与动力力电池电池相相关的关
9、的电电动汽动汽车车安全安全事事故达到故达到40余起。余起。表表3:电:电动汽车自燃起火事故统计动汽车自燃起火事故统计图图4:2019年年新能源汽车召回情况:动力电池成为主要隐患之一新能源汽车召回情况:动力电池成为主要隐患之一102019年国家市场监督管理总 局要求召回33281辆新能源汽 车。因动力电池问题而召回的新能源汽车数量有6217辆,占今年新能源汽车总召回量的18.68%。在电池失控的主要触发条件 当中,短路占绝大多数(90%)。短路可以由多种可能的情况 造成,是电池热失控过程中 普遍的共性特征,短路原因 可大致分为:电池系统浸水 非纯水为导电介质导致外短 路;电池机械压穿刺导致隔 膜
10、机械破坏电池正负极搭接 引发内短路;析锂导致枝晶 生长枝晶刺穿隔膜诱发内短 路也称自引发内短路。随着 电池能量密度的提升,短路 问题越发明显。事故频发,动力电池路在何方?事故频发,动力电池路在何方?锂电池快充带来的安全隐患:锂电池快充带来的安全隐患:热效应大电流充电,内阻 的增大会导致焦耳 发热效应加剧带来 副反应,如电解液的反应分解、产气 等一系列问题。在快充或低温条件 下,锂离子可能会 在表面析出形成枝 晶锂。当锂晶体达 到一定量后就会从 负极向隔膜生长,造成电池短路的危险。析晶图图5:电:电池负极形成枝晶池负极形成枝晶11资料来源:D1EV,天风证券研究所图图6:辉:辉能能LCB电电池安
11、全性能测试池安全性能测试12实验证实,死折、撞击、穿刺及剪切 后LCB仍可放电。甚至在更严苛的枪 击测试后,LCB温度仅上升3C5C,无起火或冒烟且可持续 使用。此外,LCB防爆等级通过认证,安全性毋庸置疑。固态电池无疑是锂电池安全性的关键 解决方案之一。固态电池:安全性能卓越固态电池:安全性能卓越安全性的灵魂拷问安全性的灵魂拷问:降低风险概率还是本质安全降低风险概率还是本质安全3.270.40.721.181.934.791022010201120122013201620172018201920142015World BEV13图图7:全:全球新能源汽车保有量情况(百万辆)球新能源汽车保有量
12、情况(百万辆)6543关于电池安全性有两种可选模式:第一种,虽然电池可能出现安全问题,但是 通过增加安全性设计,降低出问题的概率,达到安全性标准。第二种,选用不 会起火燃烧的电池。年产百万辆新能源汽车,迫年产百万辆新能源汽车,迫切切需要需要本本质安质安全全的电池。的电池。汽车在国内新能源汽车年 产量达到百万辆,保有量已经突破400万辆,未来几年突破千万辆是大概率事件。电池出现问题的小概率事件,也可能在大基数下变得常态化。车厂对于安全性 的要求会越来越高,选择不会起火燃烧电池可能成为车厂的一致选择。142 2固态电池:当谈论里程焦虑固态电池:当谈论里程焦虑的的时候时候,我我们们 到底在焦虑什么到
13、底在焦虑什么?为何会有里程焦虑?为何会有里程焦虑?15从盐湖城到丹佛的距离是525英里(845公里),传统燃油车续航275英里(442.5公里)加一次油再行驶250英里(402公里)历程8小时23分钟可以到丹佛。如果新能源汽车的续航里程可以达到300英里(482.8公里),同时支持3C以上快充,从盐湖城到丹佛的时间可以控制在8小时31分钟,便利性和燃油车几乎一样。高续航里程和快充是解决新新能源汽车便利性的最重要方式。图图8:快:快充和高续航是满足便利性需求的最佳途径充和高续航是满足便利性需求的最佳途径固态电解固态电解质质-突破能量密度天花突破能量密度天花板板300250195400450400
14、350300250200150100500液态锂离子电池NCM523/石墨赣锋量产一代赣锋研发一代赣锋探索一代NCM523/碳负极高镍三元/含Li负极高镍三元/金属锂15723125027028831433538655063070075881889301000LCO/石 墨NCM811/SiOx(14%)NCM811/SiOx(28%)NCM811/SiOx(46%)(NCM811/SiOx 63%(NCM811/SiOx 80%NCM811/SiOx(100%)20192020)2023E)2024E2025E能量密度(Wh/L)16固态电解质体系因为减少了电解液和隔膜(换成了固态电解质),
15、赣 锋采用同样正负极的固态电池能量 密度高于传统电池。图图10:辉能:辉能固固态态能能量量密密度度研研发发情情况况图图9:与相:与相同同电电极极材材料料的的液液态态电电池池相相比比,赣赣锋锋固固态态电电池池能能量量密密度度更更高高(单单位位:wh/kg)2021E2022E能量密度(Wh/kg)而且固态电池可以采用能量密度更 高的金属锂作为负极,从而进一步 提升电池能量密度。赣锋预计第三代固态电池可以将电芯能量密度提升到400WH/KG。表表4:不:不同正极同正极/负极的比容量对比负极的比容量对比17正极活正极活性物质分子式性物质分子式缩写缩写比容量比容量/m mA Ah hg g-1 1平均
16、电平均电压(压(vs.vs.L Li i)V VLiCoO2140LCO-1401403.8LiCoO2180LCO-1801804.3LiCoO2220LCO-2202204.4LiMn2O4LMO1304.05LiFeP04LFP1603.4LiCoPO4LCP1304.8LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2NCM3331603.7LiNi0.5Mn0.2Co0.3O2NCM5231803.7LiNi0.8Mn0.1Co0.1O3NCM8112203.7负极活性物质分子式缩写比容量/mAhg-1平均电压(vs.Li)V石墨/3650.1软碳-250容量SC-2502500.5软碳-
17、400容量SC-4004000.5硬碳HC2500.5SiOx-420容量SiOx-4204200.2SiOx-1000容量SiOx-100010000.4Si-C-450容量Si-C-4504500.2Si-C-1000容量Si-C-100010000.4Si-C-2000容量Si-C-200020000.4金属LiLi38600固态电池:解放电极固态电池:解放电极表表5:辉:辉能固态电池成组效率领先同业能固态电池成组效率领先同业20192019正负极正负极材料材料Cell ED质量能质量能量密度量密度成组效率Pack ED对比公司NCM811+Gr245Wh/kg73%175Wh/kg辉能
18、NCM811+Gr215Wh/kg82-85%176-183Wh/kg18固态电池成组效率高固态电池成组效率高固态电池适合采用CTP刀片电池的布局,成组效率高于传统锂电 池,成组阶段还能再次提升能量密度。固态电解质同样支持快充固态电解质同样支持快充。锂离子电池充电分三部分,电量最低时的涓流充电(0.1C最慢),电量中等时的恒流充电(可以快充),和电量快满时的恒压充电(较慢)。恒流充电阶段实现快充相对简单,固态电池在恒流充电中做到快充并不 困难。根据辉能此前提供的数据来看,2019年实现已经实现了5C倍率12分钟充电91.70%。93.10%82.10%72.20%65.50%59.20%90.
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