中國粉體網(wǎng)訊 鋰離子電池可以說是目前世界上應(yīng)用最成熟最廣泛的新能源,如手機(jī)電腦等便攜式電子產(chǎn)品,電動(dòng)汽車,電動(dòng)工具,儲能項(xiàng)目。特別是當(dāng)前中國政府和資本瘋狂投資支持新能源汽車和動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè),這也推動(dòng)著鋰電材料產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展!
鋰電池附加值較高,而電極材料占成本70%以上,決定著鋰電池的性能。本文簡單介紹一下鋰電池電極材料及其發(fā)展趨勢,望對業(yè)內(nèi)人士有所幫助!
【正極材料篇】
鋰離子電池對正極材料的要求:
比能量高、比功率大、自放電少、價(jià)格低廉、使用壽命長,安全性好。
常見的正極材料及其性能比較
磷酸鐵鋰 | 錳酸鋰 | 鈷酸鋰 | 鎳酸鋰 | 鎳鈷錳三元材料 | ||
材料主成分 | LiFePO4 | LiMn2O4 | LiMnO2 | LiCoO2 | LiNiO2 | LiNiCoMnO2 |
理論能量密度(mAh/g) | 170 | 148 | 286 | 274 | 274 | 278 |
實(shí)際能量密度(mAh/g) | 130-140 | 100-120 | 200 | 135-140 | 190-210 | 155-165 |
電壓(V) | 3.2-3.7 | 3.8-3.9 | 3.4-4.3 | 3.6 | 2.5-4.1 | 3.0-4.5 |
循環(huán)性(次) | >2000 | >500 | 差 | >300 | 差 | >800 |
過渡金屬 | 非常豐富 | 豐富 | 豐富 | 貧乏 | 豐富 | 貧乏 |
環(huán)保性 | 無毒 | 無毒 | 無毒 | 鈷有放射性 | 鎳有毒 | 鈷、鎳有毒 |
安全性能 | 好 | 良好 | 良好 | 差 | 差 | 尚好 |
適應(yīng)溫度℃ | -20~75 | >50快速衰減 | 高溫不穩(wěn)定 | -20~55 | N/A | -20~55 |
鋰電材料生產(chǎn)工藝流程:
其中粉碎分級設(shè)備處在流程的末端,對最終產(chǎn)品的性能影響很大,因此電極材料的加工是一個(gè)重要環(huán)節(jié),電池正極材料生產(chǎn)線中粉碎階段國內(nèi)常見的幾種生產(chǎn)工藝:
優(yōu)點(diǎn):產(chǎn)品純度最高,粉碎過程中攝入金屬等雜質(zhì)最低
設(shè)備故障率低,生產(chǎn)安全性和穩(wěn)定性高。
缺點(diǎn):耗能高
氣流粉碎機(jī)串聯(lián)分級機(jī)原理圖:
機(jī)械粉碎機(jī):
優(yōu)點(diǎn):粒形較好,耗能較低
缺點(diǎn):陶瓷內(nèi)襯和磨塊易碎,存在安全隱患。
高速碰撞和剪切粉碎方式容易帶入雜質(zhì)。
機(jī)械磨配分級機(jī)原理圖:
正極材料電鏡掃描圖:
目前正極材料主要集中在中、日、韓三國。正極材料行業(yè)形成寡頭壟斷的局面,日韓企業(yè)在技術(shù)水平和工藝控制上實(shí)力較強(qiáng),而中國雖然有200多家正極材料生產(chǎn)企業(yè),但廠家產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重,毛利率低于10%,其中磷酸鐵鋰的產(chǎn)能過剩最為嚴(yán)重。目前國外主要正極材料企業(yè)以生產(chǎn)三元材料為主,國內(nèi)主要正極材料企業(yè)以生產(chǎn)磷酸鐵鋰為主,中國企業(yè)扎推于中低端市場的同時(shí),高端產(chǎn)品供應(yīng)不足。
發(fā)展趨勢:目前市場上主流新能源汽車的動(dòng)力電池正極材料的選擇以三元材料、錳酸鋰和磷酸鐵鋰為主。在動(dòng)力電池領(lǐng)域,磷酸鐵鋰正極材料擁有超長的循環(huán)壽命、極好的安全性能、較好的高溫性能和相對低廉的價(jià)格,并且磷酸鐵鋰材料其低溫性能和倍率放電已經(jīng)可以達(dá)到鈷酸鋰的水平,但由于能量密度的缺陷,同時(shí)其產(chǎn)品一致性和低溫性能差,正在逐步被三元材料取代。
而隨著動(dòng)力電池對于功率和能量密度要求不斷提高,國內(nèi)動(dòng)力電池正極材料將向三元材料方向發(fā)展,總發(fā)展方向?yàn)楦唠妷、高能量、高功率和寬溫度范圍,有業(yè)內(nèi)人士表示,三元電池能量密度提升空間要大于磷酸鐵鋰,要達(dá)到國家對于動(dòng)力電池的新要求,未來電池正極材料要走三元材料的路線。
【負(fù)極材料篇】
理想中的鋰離子電池負(fù)極材料:
(1) 大量Li+能夠快速、可逆的嵌入和脫出,以便得到高容量密度。
(2) Li+嵌入、脫出的可逆性好,立體結(jié)構(gòu)沒有或者變化很小。
(3) Li+嵌入、脫出過程中,電極電位變化盡量小,保持電壓平穩(wěn)。
(4) 具有較好的表面結(jié)構(gòu),固體電解質(zhì)中間相穩(wěn)定、致密。
(5) Li+在電極材料中具有較大擴(kuò)散系數(shù),變化小,便于快速充放電。
負(fù)極材料常見分類:
現(xiàn)如今大規(guī)模商業(yè)化的負(fù)極材料只有兩大類,那就是石墨類碳材料和LTO。其他負(fù)極材料包括Si類,Sn等合金負(fù)極材料。
常見負(fù)極材料市場應(yīng)用占比:
資料來源:浙商證券,數(shù)據(jù)僅供參考
發(fā)展趨勢:以傳統(tǒng)石墨為主,行業(yè)集中度繼續(xù)提高。鋰離子電池負(fù)極材料未來將向著高容量、高能量密度、高倍率性能、高循環(huán)性能等方面發(fā)展。而隨著石墨資源瓜分完畢,企業(yè)間焦點(diǎn)將重新回到技術(shù)方面,重點(diǎn)將朝著高比容量、高充放電效率、高循環(huán)性能和較低成本的方向發(fā)展。
其中碳材料的研究開發(fā)相當(dāng)活躍并在Si/C摻雜和石墨改性、軟硬碳和碳納米材料方面取得了很大的進(jìn)展,其他材料的研究也為鋰離子電池負(fù)極材料提供了更多的選擇。
其中鈦酸鋰材料目前也已經(jīng)商業(yè)化使用,其中國內(nèi)代表性的電池企業(yè)就是最近比較火的董小姐收購的珠海銀隆和微宏動(dòng)力了。
LTO材料結(jié)構(gòu)零應(yīng)變被認(rèn)為是比碳更安全、壽命更長的負(fù)極材料。但是同樣的人無完人,物無完物,鈦酸鋰負(fù)極鋰離子電池在充放電及儲存過程中由于水分,雜質(zhì),界面反應(yīng)等極易發(fā)生氣脹,未來究竟如何,還需拭目以待!
綜述:正負(fù)極材料是決定動(dòng)力電池性能的關(guān)鍵,國內(nèi)主要正極材料企業(yè)以生產(chǎn)磷酸鐵鋰為主,但有業(yè)內(nèi)人士表示,三元電池能量密度提升空間要大于磷酸鐵鋰,要達(dá)到國家對于動(dòng)力電池的新要求,未來電池正極材料要走三元材料的路線。目前負(fù)極材料依然以傳統(tǒng)石墨為主,鈦酸鋰勢頭很猛,相信在不久的將來必將突破技術(shù)壁壘,至于鈦酸鋰負(fù)極的未來如何,就需要市場去驗(yàn)證了!