鉅大LARGE | 點擊量：4183次 | 2018年12月11日
LG化學、SKI、三星SDI、松下、CATL動力電池技術現(xiàn)狀與規(guī)劃
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全球動力電池企業(yè)當前技術現(xiàn)狀
1.1. 電池形態(tài)：形態(tài)各異，各有優(yōu)勢
LG化學和SKI：在動力電池在封裝方面，都采用疊片式軟包設計。軟包鋰電池與圓柱、方形電池之間的最大區(qū)別之處在于鋁塑膜，這是軟包鋰電池比較關鍵、技術難度較高的一個環(huán)節(jié)。軟包電池主要有安全性能好（軟包電池在結構上采用鋁塑膜包裝，發(fā)生安全問題時，軟包電池一般會鼓氣裂開，不會爆炸）、重量輕（軟包電池重量較同等容量鋁殼鋰電池輕10%-20%）、內阻小、循環(huán)性能好、設計靈活（外形可變任意形狀，可以更薄，可根據(jù)客戶的需求定制，開發(fā)新的電芯型號）等諸多優(yōu)點。軟包電池的缺點主要是一致性較差，成本較高，容易發(fā)生漏液，技術門檻高。
三星SDI和CATL：在動力電池封裝方面主要以方形為主。方形硬殼電池能夠生產大容量單體電池。此外，方形電池殼體多為鋁合金、不銹鋼等材料，內部采用卷繞式或疊片式工藝，對電芯的保護作用優(yōu)于于軟包電池，電芯安全性相對圓柱型電池也有了較大改善。方形電池的不足之處在與型號較多，工藝難以統(tǒng)一。目前方形電池到模組的成組效率可達到88%，高于軟包、圓柱電池的成組效率。三星SDI除了生產方形電池外，還生產18650和21700規(guī)格的圓柱電池，主要應用于消費類電池領域。同樣，CATL除了主打的方形電芯，2018年也在小批量供應軟包電池，CATL的單體容量規(guī)格較多，主要有37Ah、43Ah、51Ah、72Ah、148Ah、153Ah等。與三星SDI相比，CATL通過加大電芯厚度來提升電芯容量，從而在一定程度提高其能量密度，然而CATL在電芯的制造工藝、模組集成輕量化方面較三星SDI稍差。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
松下動力電池：采用的是NCA正極材料，由于NCA正極材料在充放電過程中容易產氣的特性，電芯封裝以圓柱為主。圓柱形電池的優(yōu)點主要有生產工藝成熟，產品良率高，有如18650、21700等統(tǒng)一規(guī)格型號，整體成本有優(yōu)勢。然而圓柱形電池缺點也比較明顯，NCA圓柱形電池由于安全性較差，需要配備非常好的熱管理系統(tǒng)，模組以及PACK集成難度大，能量密度利用率較低。另外，除了供應特斯拉的圓柱形電池外，松下還給其它車企供應方形電池，主要配套HV/PHV 車型，對于HV/PHV車型，主要向高輸出功率/高容量進行突破，對于BEV車型，則向高能量密度進行突破。
總體來說，軟包、圓柱、方形三種形態(tài)的電芯中，方形電芯在模組集成過程中難度最小，模組也便于電池PACK的布置集成，大容量電芯便于簡化電池管理系統(tǒng)的復雜度，同樣易于設計電池PACK的熱管理系統(tǒng)。
1.2. 化學體系：高鎳三元，大勢所趨
LG化學：目前軟包動力電池主要以正極采用NCM622摻雜LMO、負極采用石墨、涂覆隔膜的化學體系，以后正極材料會發(fā)展為712體系。NCM811體系的電池主要以圓柱為主，用于電動巴士上。
三星SDI：目前的動力電池同樣以正極NCM 622+石墨負極的化學體系為主，也量產NCA+LMO的正極材料，目前三星SDI的單體鋰離子電池產品系列比較齊全，標準產品包括高能量的BEV(純電動)60Ah、94Ah電池，PHEV(插電式混合電動車)26Ah、37Ah電池(26Ah會逐漸被37Ah取代)，HEV(混合電動車)5.2Ah、5.9Ah電池，以及與超級電容器結合應用于低壓系統(tǒng)(LVS，low voltage system)的高功率電池(4.0Ah、11Ah)。
松下電池：松下目前的圓柱形動力電池主要為NCA+硅碳負極的化學體系。根據(jù)A2Mac1實測數(shù)據(jù)，特斯拉采用的松下圓柱形電池型號從Model S、Model X的18650逐步過渡到Model 3的21700，NCA正極材料配比由Ni：Co：Al=0.82:0.15:0.03升級為Ni：Co：Al=0.9:0.05:0.05，鎳的含量進一步得到提升，鈷的含量降至0.05%，極大地降低了電池的原材料成本，領先于NCM的811化學體系。
SKI電池：SKI目前的軟包電池正極材料主要為NCM622為主，在2019年應該發(fā)展為NCM811混合體系，2020年發(fā)展為100%比例的NCM811體系，2021年以后預計Ni的含量將達90%。負極材料目前采用石墨，預計2021年后采用硅碳負極。
CATL：目前CATL的方形電池正極材料主要為NCM523為主，在2019年應該發(fā)展為NCM811體系。負極材料目前主要采用石墨，預計2020年后采用硅碳負極。
1.3. 成組效率：方形最優(yōu)，圓柱最難
LG化學與SKI：目前軟包電池雖然單體能量密度比方形電芯高，但是在成組效率方面較低，目前能量密度轉化率預計在80%左右。
三星SDI與CATL：電芯由于采用的是方形電芯形態(tài)，成組效率較高，電芯至模組最高的能量密度轉換效率可高達90%。
松下電池：單體能量密度高，但是由于單體數(shù)量眾多，需要眾多結構輔助件，系統(tǒng)集成難度較大，電芯至模組和電池包的集成效率較低。18650升級為21700，單體使用數(shù)量減少，一定程度上提高了集成效率。特斯拉Model 3有兩種規(guī)格模組，能量密度轉化效率高達84%。Model X（90kWh版本）的電池包由7104個電芯96S74P組成，能量密度148.4Wh/kg，集成效率為60.41%；Model 3的電池包由4416個電芯組成，能量密度167Wh/kg，集成效率為64.2%。
1.4. 能量密度：松下領跑，三星較慢
LG化學：電芯能量密度在250Wh/kg左右，體積能量密度在530Wh/L左右，可以滿足整車400km的續(xù)航里程需求。
三星SDI：在能量密度的提升上，和國內通用的以Wh/kg所不同，所采用的標準是Wh/L，三星認為對于乘用車來講，Wh/L其實意義更重要。目前，三星的第3代動力電池能量密度是在550Wh/L，相當于210-230Wh/kg，已經實現(xiàn)量產。
松下：根據(jù)A2Mac1實測數(shù)據(jù)，在單體容量上，松下由NCR 18650B型號的3.2Ah提升至21700NCA型號的4.8Ah，電壓平臺由3.6V提升至3.7V。隨著單體容量和單體電壓的提升，能量密度由NCR 18650B的245.1Wh/kg提升至21700NCA的260Wh/kg，后續(xù)可以提升到300Wh/kg，在體積能量密度方面21700遠高于18650，經計算可知松下的21700電芯體積能量密度高達732Wh/L。
SKI：在2018年量產的64Ah規(guī)格的軟包電芯能量密度可達260Wh/kg，體積能量密度可達540Wh/L。
CATL：目前量產的153Ah規(guī)格電芯能量密度可達217Wh/kg，體積能量密度可達510Wh/L。
全球動力電池企業(yè)當前技術現(xiàn)狀與規(guī)劃
1.5. 循環(huán)壽命：圓柱電芯壽命低于軟包方形電芯
LG化學具有較好的循環(huán)壽命，能到達到2000次循環(huán)，三星SDI的動力電池循環(huán)壽命可以達到1500次，松下的18650電芯循環(huán)壽命約500-1000次。
CATL的523體系動力電池電芯循環(huán)壽命可以達到1800次，與韓國企業(yè)的壽命指標較為接近，日本的電池循環(huán)壽命顯著偏低。
國內外技術相近，CATL不懼競爭：從電池形態(tài)、化學體系、成組效率、能量密度和循環(huán)壽命等五個維度對LG化學、三星SDI、松下、SKI、CATL的動力電池進行綜合對比，CATL以NCM523體系的正極材料做出與三星SDI能量密度相近的產品，某些產品甚至高于三星SDI，循環(huán)壽命同樣具有一定的競爭優(yōu)勢?？紤]電芯至模組的成組效率，CATL與LG化學、SKI、松下在模組層面的具有很強的技術競爭力。
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全球動力電池企業(yè)未來技術規(guī)劃
2.1. 電池技術的發(fā)展路徑
LG化學：LG電芯依然為軟包形態(tài)，在長度上會根據(jù)整車需求考慮加長，主要有兩個好處：提供電芯到模組的能量密度轉化率，提到能量密度（上升約13%）。模組形式采用VDA模組和長模組形式，減去散熱鋁板采用軟包邊緣導熱膠形式，提升散熱性能，簡化模組結構，改善電芯至模組的能量密度轉化率，提升模組能量密度。2020-2022年單體能量密度將達到300Wh/kg，體積能量密度將達到700Wh/L，可以滿足整車500km的續(xù)航里程需求。2023-2024年能量密度將達330Wh/kg，可以滿足整車600km的續(xù)航里程需求。
三星SDI：下一代3.5代產品能量密度可以達到630Wh/L，預計在2019年量產。同時，三星還在加大力度研發(fā)第4代電池，能量密度可以達到700Wh/L，相當于270-280Wh/kg，預計2021~2022年左右量產，此后第5代電池會達到800Wh/L 相當于300Wh/kg，這個產品會在2023年以后量產。300Wh/kg已經是鋰電池儲能的能量密度極限，2023-2025年就需要通過變革電池創(chuàng)新來進一步提升，目前，三星也在做新型電池的基礎研發(fā)，樣品可以做出來，但距離產業(yè)化量產還比較遠：在2015年，三星SDI的全固態(tài)電池試制樣品已經可以達到300Wh/kg(采用硫化物類的固態(tài)電解質)，至于鋰金屬電池、鋰空氣電池，三星SDI現(xiàn)在只是實驗室開發(fā)，真正應用可能要10年之后，屆時能量密度有望達到900Wh/kg，一次充電可行駛700km的目標。
松下：松下的動力電池未來發(fā)展方向主要分為兩大類，方形電池主要應用于高功率輸出的HV和PHEV領域，圓柱電池主要應用于高能量密度的EV領域。并且會通過進一步優(yōu)化鎳鈷含量比例，開發(fā)繼續(xù)引領高能量密度優(yōu)勢的新型材料。發(fā)展新的結構電池單體以提高其安全性和容量。
SKI：SKI在2019年正極材料體系將由NCM 622升級為摻雜NCM 811的NCM 622體系，負極材料在2021-2022年將由石墨升級為硅碳負極。產品規(guī)格將包括63Ah、70Ah、75Ah、80Ah、86Ah、90Ah等，使用壽命方面將保證10年24萬公里，快充方面將10min可滿足100km的續(xù)航里程需求。2020年的能量密度目標為284Wh/kg，2021年的能量密度目標為294Wh/kg，2022年能量密度有望達到314Wh/kg，隨著硅碳負極的使用在2023年能量密度將達到319Wh/kg。
CATL：CATL未來的技術發(fā)展趨勢可以從材料體系、電芯、模組、PACK等幾個方面分析。
材料體系方面：CATL目前的正極材料主要為NCM 523，在2019年底有望量產NCM 811體系電池，正極材料除了往高鎳方向發(fā)展，CATL一直致力于高電壓平臺的正極材料研發(fā)，并有望在2020年后量產且改善電芯的能量密度；同時，在2020年左右CATL會采用硅碳負極材料以提升負極的理論能量密度從而提高電芯的能量密度；電解液通過優(yōu)化配方并添加新型添加劑，使其耐高壓性能、熱穩(wěn)定性能更好；隔膜主要采用涂覆濕法隔膜。
電芯方面：CATL目前通過加厚電芯尺寸，將單體電芯的容量做到153Ah，顯著改善其單體的能量密度，未來的發(fā)展方向可能將高度由當前的108mm做到100mm以內，利于扁平的電池PACK設計，更好地便于整車底盤設計，增強車身內部的空間體驗。另外，CATL在快充電芯方面積累深厚，目前已有43Ah的三元快充產品量產，最大充電倍率可達4C，即最快可以25分鐘充滿電量，待成本改善后，將徹底解決電動車充電速度慢的痛點。2019年電芯的能量密度將達230Wh/kg，2020-2021年電芯的能量密度將達265Wh/kg。
模組方面：為了便于電池包PACK的集成，CATL在未來將會推出標準模組外的Combo 模組、Sandwich模組和低高度模組，能量密度以及轉化率都將得到顯著提升。集成效率在2019年將從2018年的83%提升至86%，2020年將會達到89%-90%，2021-2022年將會達到91%-92%。
PACK方面：CATL2018年電池PACK的能量密度在150-160Wh/kg，2019-2020年能量密度將達180Wh/kg，2021年以后能量密度將達210Wh/kg。冷卻系統(tǒng)均采用水冷方式，冷卻板為口琴管形式，在2019年將會與電池包托盤集成為一體，提高集成效率。集成效率2018年在72%左右，2019年有望提升至76%，2021年有望達到80%的目標。
2.2. 材料體系的發(fā)展趨勢
LG化學未來從622做到70％的鎳，10％的鈷和20％的錳以達到712。而NCMA是LG的一個中長期目標，通過向NCM添加氧化鋁，使鎳含量接近90％，鈷含量低于10%。目前的情況是622軟包電芯正在量產，712型正在積極開發(fā)，會在兩到三年內進行大規(guī)模生產。NCM811正極材料更適用于圓柱電池，會大量生產用于電動公交車，第三代電池主要的發(fā)展方向是增加能量密度（增加鎳含量），降低成本（減少鈷含量）和提高充電性能（引入人造石墨負極）。
三星SDI未來采用NCA材料，因為鋰離子在循環(huán)往復的使用過程中，容易在NCA表面形成一些殘留，會影響它的使用壽命。三星SDI通過在NCA表面做一層金屬的涂布，減少殘留，提高它的使用壽命。
松下已開發(fā)出的正極材料有鎳鈷錳酸鋰、鎳鈷鋁酸鋰等，并已經在規(guī)?；瘧谩榱私鉀Q鎳氧化物帶來的熱穩(wěn)定性低和安全方面的問題，松下在正極材料表面進行了納米涂層處理，特別注重通過“松下固溶液Panasonic Solid Solution”（PSS）等技術提高安全性，該技術在新的正極中采用“耐熱層”（HRL）技術。
SKI目前的軟包電池正極材料主要為NCM622為主，在2019年應該發(fā)展為NCM811混合體系，2020年發(fā)展為100%比例的NCM811體系，2021年以后預計Ni的含量將達90%。負極材料目前采用石墨，預計2021年后采用硅碳負極。
CATL目前的正極材料主要為NCM 523，在2019年底有望量產NCM 811體系電池，正極材料除了往高鎳方向發(fā)展，CATL一直致力于高電壓平臺的正極材料研發(fā)，并有望在2020年后量產且改善電芯的能量密度；同時，在2020年左右CATL會采用硅碳負極材料以提升負極的理論能量密度從而提高電芯的能量密度；電解液通過優(yōu)化配方并添加新型添加劑，使其耐高壓性能、熱穩(wěn)定性能更好；隔膜主要采用涂覆濕法隔膜。
