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中科院黃學(xué)杰:磷酸鐵鋰電池產(chǎn)業(yè)激烈競(jìng)爭(zhēng)下的升級(jí)方向

中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟發(fā)布時(shí)間:2023-10-13 10:00:08

  2023年9月27日,中科院物理研究所研究員黃學(xué)杰受邀在2023年“泰山鋰谷”人才創(chuàng)新發(fā)展大會(huì)暨“綠色低碳·儲(chǔ)能未來(lái)”產(chǎn)業(yè)賦能交流會(huì)儲(chǔ)能專場(chǎng)上發(fā)表了主題為《材料技術(shù)創(chuàng)新推動(dòng)鋰離子儲(chǔ)能電池升級(jí)》的講話。該會(huì)議由山東省科學(xué)技術(shù)廳、山東省工業(yè)和信息化廳、山東省人力資源和社會(huì)保障廳、中共泰安市委、泰安市人民政府主辦,儲(chǔ)能專場(chǎng)由中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟承辦。

  鋰離子電池產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

  鋰離子電池支撐電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展

  隨著新能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,我國(guó)電動(dòng)汽車產(chǎn)量很快會(huì)逼近每年千萬(wàn)輛的大關(guān)。2025年預(yù)期鋰離子電池市場(chǎng)會(huì)到2萬(wàn)億元,其中也包括儲(chǔ)能電池。目前電動(dòng)汽車?yán)锩孀钪饕氖嵌姵?,包括三元電池和鐵鋰電池,一個(gè)是為了滿足長(zhǎng)程電動(dòng)汽車需求,一個(gè)是為了滿足更廣泛的電動(dòng)汽車需求,鐵鋰占接近7成的比例。

  新型電力儲(chǔ)能快速增長(zhǎng),鋰離子電池占比 94.4%

  在儲(chǔ)能這塊,可以看到鐵鋰電池比例就更高了。在過(guò)去的一段時(shí)間,新型儲(chǔ)能快速發(fā)展,電化學(xué)儲(chǔ)能是主要的,根據(jù)中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟統(tǒng)計(jì),磷酸鐵鋰電池是主要的儲(chǔ)能電池,占94.4%。今天,全球約70%的鋰離子電池是在中國(guó)生產(chǎn),有些材料幾乎是100%在中國(guó)生產(chǎn)的,包括磷酸鐵鋰材料。

  磷酸鐵鋰電池是最主流的動(dòng)力和儲(chǔ)能電池

  磷酸鐵鋰電池是主要的動(dòng)力電池,占比約為70%,也是最主要的儲(chǔ)能電池。在過(guò)去的10年,性能提高了差不多一倍,就是它的能量密度提高了一倍,但是成本變成原來(lái)的1/4。今天鋰離子電池單體成本已經(jīng)到了每瓦時(shí)5毛錢,售價(jià)今年也到了5毛,因?yàn)槲覀兊漠a(chǎn)能建得比較快,所以卷得比較兇,掙錢不易。雖然去年碳酸鋰價(jià)格暴漲引起一時(shí)的電池價(jià)格波動(dòng),但是大趨勢(shì)是不變的,目前回到了5毛錢的區(qū)間較為正常。

  如何應(yīng)對(duì)企業(yè)盈利難?

  三元鋰離子電池成本構(gòu)成

  根據(jù)財(cái)通電新7月底的分析數(shù)據(jù),對(duì)于三元電池,正極材料非常貴,有鎳、鈷等,占電池成本的57.3%,看起來(lái)基本都是給正極材料打工的。正極材料里面鋰是主要成本,碳酸鋰漲價(jià),大家就給鋰礦打工了。對(duì)于磷酸鐵鋰電池相對(duì)會(huì)好一些,正極材料也約占40%成本,總成本要低一些,因此鐵鋰電池能夠大規(guī)模應(yīng)用,它比三元電池有更長(zhǎng)的壽命、更好的安全性、更低的成本。

  中國(guó)磷酸鐵鋰電池產(chǎn)業(yè)全球領(lǐng)先

  1. 在中國(guó)動(dòng)力電池發(fā)展初級(jí)階段避免了出現(xiàn)社會(huì)不能承受的大量安全事故。

  2. 原材料不依賴于鈷等稀有金屬避開了資源供應(yīng)的限制。

  3. 成本較低使得電動(dòng)汽車推廣代價(jià)稍低一些。

  4. 儲(chǔ)能電池絕大部分選用磷酸鐵鋰電池。

  5. 全球99%以上的磷酸鐵鋰材料和電池由中國(guó)企業(yè)生產(chǎn)。

  磷酸鐵鋰電池產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈下的升級(jí)方向

  儲(chǔ)能電池循環(huán)次數(shù)需提升到10000次以上

  十幾年前磷酸鐵鋰電池循環(huán)次數(shù)即可做到6000次,今天這個(gè)壽命并沒(méi)有增加,但是成本是大幅度下降了,因?yàn)樵谲囉眠@塊兒更多是降成本,但是對(duì)電力儲(chǔ)能,萬(wàn)次壽命是必需的。

  怎么樣解決這個(gè)萬(wàn)次循環(huán)的問(wèn)題?就需要發(fā)展一個(gè)新的材料,叫做加鋰材料,也叫補(bǔ)鋰材料。

  為什么要補(bǔ)鋰?鋰離子電池是靠鋰離子在正極和負(fù)極之間來(lái)回輸運(yùn)來(lái)儲(chǔ)藏電能的。鋰離子電池的正負(fù)極如同兩個(gè)水桶,鋰離子如同是水,充電時(shí),鋰離子從正極向負(fù)極移動(dòng),正如正極水桶中的水灌入負(fù)極水桶中,一些水不可避免的撒到外面!造成活性鋰離子的損失和電量下降。加鋰技術(shù)是在電池內(nèi)部引入額外的鋰源,在負(fù)極鋰缺失時(shí)快速的進(jìn)行補(bǔ)充,保持電池的滿電量循環(huán)。

  怎么補(bǔ)鋰?兩個(gè)辦法:一個(gè)補(bǔ)到正極,另一個(gè)補(bǔ)到負(fù)極,簡(jiǎn)單理解把這百分之十幾的鋰補(bǔ)進(jìn)去,進(jìn)而達(dá)到1萬(wàn)次的水平。在負(fù)極里面補(bǔ)鋰,要用活性很高的鋰源,在實(shí)驗(yàn)室里面做可以,量產(chǎn)就碰到了安全的問(wèn)題。正極里面補(bǔ)鋰,運(yùn)用硅酸鋰等穩(wěn)定的鋰源,鋰在電池早期循環(huán)階段就釋放出來(lái),明顯提升了電池的循環(huán)性能,還因?yàn)槎趸璧雀碑a(chǎn)物發(fā)揮的作用,使得電池倍率性能也得到提高。

  車用儲(chǔ)能和戶儲(chǔ)需要更低價(jià)格

  電力儲(chǔ)能要超長(zhǎng)的壽命,車用儲(chǔ)能和戶儲(chǔ)不要超長(zhǎng)壽命,而是要更低的價(jià)格。怎么降低價(jià)格?磷酸鐵鋰電池已經(jīng)不賺錢了,怎么降價(jià)格?

  這里面引入一個(gè)新材料——鎳錳酸鋰,電壓提升了40%還要多,這種提升首先帶來(lái)能量密度的提升,加上材料本身密度高,電池能量密度提升了50%,它還省鋰,成本更優(yōu)。

  發(fā)展鎳錳酸鋰電池是平衡資源供應(yīng)的重大戰(zhàn)略

  現(xiàn)在為什么碳酸鋰掉到十幾萬(wàn),還在往下掉?因?yàn)楝F(xiàn)在大量的投資從前兩年被投到開采行業(yè),投到冶煉行業(yè),所以開始進(jìn)入到過(guò)剩周期,但是全球都在發(fā)展電動(dòng)車,都在推進(jìn)儲(chǔ)能。

  如果沒(méi)有別的辦法,預(yù)測(cè)到2027年又會(huì)進(jìn)入到短缺周期,這個(gè)短缺可能會(huì)非??膳拢@會(huì)導(dǎo)致更大的缺口。為什么國(guó)家在戰(zhàn)略性角度來(lái)講,支持鈉離子電池的研發(fā),就怕到時(shí)候供應(yīng)短缺加上國(guó)際上供應(yīng)鏈干擾,會(huì)導(dǎo)致我們鋰供應(yīng)出問(wèn)題。

  鎳錳酸鋰和今天的磷酸鐵鋰比,每度電的電池少用30%的碳酸鋰,跟三元比少用40%,這對(duì)于缺口的解決很重要,所以說(shuō)這件事也變得很緊迫起來(lái)。但是把電壓提高,比把水電站水壩的高度提高還要困難得多,因?yàn)樗鼛?lái)的是界面上的不穩(wěn)定,好處有很多,但是最大缺點(diǎn)就是這么高的電壓,造成材料不穩(wěn)定了,原子受不了了,這個(gè)問(wèn)題怎么解決?

  鎳錳酸鋰電池發(fā)展趨勢(shì)

  先解決材料問(wèn)題,材料到了5000次以后,接著解決材料變極片的技術(shù),一步一步調(diào)整,今天我們能夠做到3000次以上的壽命,再努力一把,做出4000、5000次的,以后我們就能更好的利用它。

  安全怎么樣?為了解決高壓?jiǎn)栴},做了幾重加固,這種加固有利于安全性提升。

  這件事情做出來(lái)以后,它并不是作為某個(gè)電池企業(yè)的獨(dú)門技術(shù),就跟加鋰技術(shù)一樣,完全開放給行業(yè)。希望在2027年我們鋰短缺到來(lái)之前,我們能夠解決這個(gè)問(wèn)題。所以時(shí)間已經(jīng)非常緊迫了,必須要全行業(yè)一起來(lái)努力,盡可能通過(guò)技術(shù)的研發(fā),通過(guò)新技術(shù)在全行業(yè)的推廣,大幅度提升性能,降低成本,服務(wù)于行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

  來(lái)源:中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟


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