2022年新能源汽车动力电池行业发展现状分析.docx
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1、2022年新能源汽车动力电池行业发展现状分析1、新能源汽车动力电池概述新能源汽车是指采用新型动力系统、完全或主要依靠新型能源驱动的汽车,包含插电式混合动力(含增程式)汽车(PHV)、纯电动汽车(EV)和燃料电池汽车(FCV)。电池根据应用领域可分为消费电池、动力电池、储能电池三大类。消费电池可理解为3C 电池,即应用于手机、笔记本电脑等电子设备的电池。动力电池和储能电池本质相同但应用场景不同,前者主要应用于新能源汽车或电动工具,后者主要应用于电站、通信基站等场景。二者由于不同面向也有着不同的要求动力电池偏重能量密度,而储能电池更注重强稳定性、长寿命、和低成本。根据能量来源,电池可分为化学电池、
2、物理电池、生物电池三大类。化学电池通过发生化学反应将化学能转化为电能,可进一步细分为一次电池(不可再充电的电池)、二次电池(可充电的电池)和燃料电池(直接将燃料的化学能转化为电能的装置)。物理电池通常在特定条件下实现能量的直接转换。生物电池则将生物质能直接转化为电能。新能源汽车动力电池主要覆盖了上述化学电池中的二次电池和燃料电池。现阶段,电动化在新能源化过程中起着主导作用,锂电池是当下最广泛使用的动力电池目前,三元锂离子电池和磷酸铁锂离子电池二分天下,此消彼长,占据了绝大多数市场。而运用氢能的燃料电池虽然从长期上被行业寄予厚望、短期也在不断发展中,但是其技术水平、商业化和规模化程度对比电动汽车
3、仍有很大差距。人们通常所说电动汽车的电池普遍是指电池包(Pack),也称电池系统(Battery System)。从功能角度分解,电池包可拆分为电池模块、电气系统、热管理系统、电池管理系统(BMS)、结构件等。电池模块为电动汽车储存或释放能量;电气系统负责传输来自电池模块的动力以及检测信号和控制信号;热管理系统通过风冷、液冷等方式使电池温度维持在一个合理的范围之内,以提高电池的安全性和寿命;电池管理系统负责采集温度、电压、电流等数据,并对它们进行计算和评估;结构件是由壳体、各类金属支架、端板组成的电池盒,对电池起到承载和防护作用。电芯的装配有多种结构可选,传统的结构设计是模块化设计,电池模块由
4、多个模组(Module)组成,每个模组再由几十到几百个不等的电芯(Cell)串并联组成。其他结构包括 CTP (Cell to Pack)和 CTC (Cell to Chassis)CTP 跳过了模组这一环节,将电芯直接组成电池包;而 CTC 更是跳过了模组和电池包,将电芯直接集成进底盘。从动力电池的发展变化历程来看,传统模块结构模式的诞生与当时的应用环境息息相关。早期以特斯拉为主的动力电池包大量采用圆柱电芯,圆柱电芯普遍较小,因而一辆车动辄使用上千个电芯。将电芯提前集成进模组则成为了必要的一环,能够有力降低组装复杂程度、抬高生产效率。此外,模块化设计可以实现单个模组的更换,也为售后维修提供
5、了许多方便。如今,大模组化、去模组化成为技术发展的主流趋势,在提升能量密度、保证续航的基础上,还能减少零件的使用,为整车轻量化提供助力。2、电芯分类及发展变化动力电池的电芯是为新能源汽车提供能量的最小单位,其基本结构包括正负极、隔膜、电解液、电池壳(又称精密结构件)等部分。对电芯性能的要求主要包括能量密度(续航里程)、安全、快充、成本、寿命、尺寸兼容等。此外,汽车驱动需要庞大数额的动力电芯带动,电芯一致性从而成为电芯生产过程中另一大重要考量指标。市场上锂电子电芯有两种主流的分类方法。按电池正极材料分类,我们可将电芯主要分为三元电芯和磷酸铁锂电芯两大类。按电池形状分类,我们可将电芯主要分为三大类
6、:圆柱形电芯(Cylindrical Cell)、方形电芯(Prismatic Cell)和软包电芯(Pouch Cell)。三者在电池本身的工作原理相差不大,主要区别在于封装材质和形状方形电芯和圆柱形电芯采用硬壳封装,壳体材料多使用不锈钢和铝合金;软包电芯则采用铝塑(复合)膜作为封装外壳。圆柱电芯主流电动车企中,主要使用圆柱形电芯的是特斯拉。从早期 Roadster 装备的 18650 电池,到全球畅销 Model 3 装备的 21700 电池,再到近几年备受关注的 4680 大圆柱电池(也称46800),特斯拉最初选用圆柱电芯或可归因于其发展时间长、工艺相对成熟、一致性也较高,是电动汽车发
7、展早期有限条件限制下可选的最合适量产的选项;而圆柱电芯也借助特斯拉的畅销,在动力电池市场异军突起,占据可观份额。圆柱电芯因其特定形状,有着散热性能强、空间利用率低、径向导热性差的特征。单体能量密度(Wh/L)较高,但由于钢壳或铝壳较重,比能量(Wh/kg)相对较低。此外,圆柱形电芯采用卷绕工艺,因卷绕圈数有限而单体容量(Ah)较低,导致能量密度的上升空间小、成组效率低,而大量组合又对电池管理系统(BMS)提出较高要求。圆柱电芯的尺寸规格相对规范,可以在名字中有所辨别。通常电芯型号由五位数字组成,前两位表示直径(mm),中间两位数字表示高度(mm),最后一个 0 表示圆柱。如18650 电芯是直
8、径 18mm,高 65mm 的圆柱形电芯。方形电芯方形电芯的繁荣主要源于中国新能源市场的带动。早期政策利好首先向新能源商用车倾斜,由于公交大巴等大型交通工具普遍对动力电池容量要求很大,方形电芯通过其单体容量大、空间利用率高等特征受到青睐,得以大幅发展。方形电芯如今仍是市场主流,大多使用卷绕压实工艺,少数使用叠片工艺。其优点是整体机械稳定性高、强度高、内阻小、寿命长、空间利用率高,缺点是散热难度高。同时,方形电芯可根据产品尺寸进行定制化生产,因而市场上有大量不同型号,生产工艺较难统一。软包电芯软包电芯采用叠片工艺,使用铝塑(复合)膜作为封装外壳。对比其他类型,软包电芯的设计灵活性更强、外壳重量更
9、低同等容量下,较钢壳电池轻 40%,较铝壳电池轻20%,进而带动能量密度的提升,在轻量化需求逐渐增大的将来,有望成为车企首选的电池类型。出现安全问题时,软包电池会鼓气或裂开,而不像钢壳铝壳电芯那样发生爆炸,因而安全性较好。软包电芯也有明显不足,电芯性能需要持续改善,例如铝塑膜作为壳体在长期使用情况下有被金属小颗粒刺穿而造成漏液的风险;刚性不强,成组需要更多结构件提供支撑,因此成组效率较低;一致性较差;成本较高等。技术路线的发展趋势在面向未来的研发上,大电芯、大模组、去模组化已成为主流的发展趋势。圆柱电池方面,特斯拉主导的 4680 大圆柱电池有望进入量产化进程;方形电池方面,比亚迪推出刀片电池
10、,蜂巢能源推出长条型 L600 电池,推动了方形电池的革新和发展。此外,固态电池的技术发展路线也逐渐清晰,当电解液不再是液态时,电芯或许也不再需要硬壳的封装保护了;因此行业推测,在新的封装形态出现之前,软包或将是最适合的固态电池包装形式,有机会随着固态电池的产业化得到大幅发展。总体来说,随着新能源行业不断发展,动力电池性能也不断提升以应对市场日益提高的要求。提升电芯能量密度是技术发展的一大重点,对动力电池提升续航里程贡献巨大;Pack 轻量化、紧凑化亦是技术路线的一大趋势,有助于整车能耗降低,继而降低整车成本、提升续航能力;此外,规模效益、电芯或模组标准化、电池回收和梯次利用均有助于在生产中降
11、低成本增加效益。3、电池壳分类概述电池壳也称动力电池精密结构件,包括盖板、壳体、连接片、安全结构件等。起到传输能量、承载电解液、保护电池安全性、固定支承电池、外观装饰等作用,是保障电池安全稳定的重要部件。3.1、硬壳结构、工艺、材质及行业标准结构圆柱、方形电池均使用硬壳封装,电芯内部组织成型后,由外部的盖帽或顶盖以及壳体进行包裹,再通过激光焊接等方式进行密封。通常壳体构造相对简单,而顶盖、盖帽相对复杂。以方形电芯为例,顶盖主要由顶盖板,正、负极柱,防爆装置,注液孔等部分组成。除了密封和固定的基本作用外,顶盖的极柱用于保证电芯充放电中电流的导通和串并联的连接,防爆装置用于在内环境气压过大时开启防
12、爆阀进行泄压、以降低爆炸风险。磷酸铁锂体系电池顶盖通常采用单个防爆阀设计,当内部压强达到一定压力时,防爆阀会从刻痕处破裂开始泄压;三元体系电池则常常在防爆阀基础上再叠加翻转片,当电池内部压强增大至翻转压力时,翻转片会向上弹起并切断电流。工艺从生产工艺层面来看,参考震裕科技的生产过程,盖板的制造工艺相对复杂,包括冲压(冲模)、清洗、退火、焊接、注塑等;壳体制造工艺相对简单,主要包括冲压和拉伸。生产过程中,所需设备包括高速冲床、精密冲压模具、激光焊接机、摩擦焊接机、数控机床、清洗机、影像测量仪、测量显微镜等;所需技术包括高精密模具冲压工艺、激光焊接技术、摩擦焊接技术、注塑技术等。电池壳需具备的性能
13、包括可连接性、抗震性、散热性、防腐蚀性、防干扰性、抗静电性等,其产品对精度、质量要求较高,因而该行业不仅需要精细化程度较高的精密生产设备和自动化程度较高的生产流程,还对制造环境中温度、粉尘含量等诸多因素有着较高要求。因此,该行业的具有一定的技术和经验壁垒。材质从电池壳材质来看,圆柱电芯壳体大多采用不锈钢、镀镍钢,方形电芯壳体大多采用铝合金。不锈钢物理稳定性强、抗压力、抗冲击力大、不生锈且容易焊接;密度大,会增加电池的质量,间接增加整车的质量,拉低电动汽车的续航里程。铝壳比钢壳成本略高,但有着诸多优势。其一,铝质材料密度为钢质材料的三分之一,且延展性能好,可以做得更薄,轻量化空间大。其二,材质厚
14、度和金属鼓胀系数也赋予了电池壳更高的安全性;对比之下,钢材质金属鼓胀系数不如铝,当电池内部发生短路是,钢壳爆炸的几率更高。其三,耐腐蚀,易于回收再生。目前,铝壳还在持续向着高硬度和轻重量的技术方向发展。以应用广泛的 3003 铝锰合金为例,主要合金元素为锰(Mn),在保持高延展性、高抗蚀性的同时,增强了可焊性。行业标准行业标准层面来看,现行钢壳相关国家标准有电池壳用冷轧钢带,现行铝壳相关国家标准有新能源动力电池壳及盖用铝及铝合金板、带材,现行铝壳相关团体标准有新能源动力电池壳用 3003 铝合金板、带材,其他标准包括 VDA(德国汽车工业协会)提供的形状及尺寸标准等。其中新能源动力电池壳及盖用
15、铝及铝合金板、带材的出台对我国锂电池铝材应用行业起了规范化和标准化的影响。相比一般工业用铝(GB/T 3880.1-2012一般工业用铝及铝合金板、带材),此标准规范了动力电池用铝只有 4 种牌号:1050、1060、3003、3005。3.2、铝塑膜结构、工艺、材质及行业企业结构铝塑膜为聚合物,由外层尼龙层(ON)、中间层铝箔层(Al)、内层热封层(CPP)压合粘结而成。尼龙在强度、耐热性、耐寒性等方面性能优良。在铝塑膜结构中,尼龙层起到了结构支撑、装饰和保护铝层不被刮伤的作用,同时防止空气中氧的渗透,维持电芯内部环境。铝箔按厚度差异可分为厚箔、单零箔和双零箔。铝塑膜中,铝箔层一般采用 40
16、 微米的单零箔。铝箔层主要起阻隔作用,隔绝电池外部水汽渗入和内部电解液渗出水分渗入电芯内部会与电解液反应生成氟化氢(HF),副反应产生大量气体,造成电池鼓胀,是软包电池的重要隐患之一;同时,铝箔层也具有一定的强度,可以防止外力对电芯的损伤。CPP 薄膜称作流延聚丙烯薄膜,在铝塑膜中起封口粘结作用。热封保证了软包电池封闭性好、抗腐蚀、不流液、抗震性强、外观美观等性能,能有效延长其使用寿命。工艺生产工艺层面来看,铝塑膜的制造主要分热法和干法,区别在于铝箔层和 CPP 层的粘结步骤。热法工艺采用 MPP 粘结,在一定温度下热压合成。高温会导致材料老化、抗短路性下降、韧性降低、成型过程中容易破裂。干法
17、工艺使用粘结剂直接粘贴,无需高温处理,故防短路性能好于热法工艺;且粘结剂本身延展性好于 CPP 层,不需要高温处理不影响成型。材质从铝塑膜材质来看,该材质赋予软包电池最大的优势在于使其不会爆炸,此外还有质量轻,厚度薄、耐高温、绝缘性强等优点。但也有其他安全层面的问题,铝塑膜机械强度差,难以分担外部挤压的压力,容易导致内部卷芯变形而发生热失控,并且长期使用有被金属小颗粒刺穿而造成漏液的风险。行业企业目前全球铝塑膜市场(不限于动力电池)第一梯队主要是大日本印刷、昭和电工、韩国栗村等日韩企业。随着国内新能源电池技术的发展进步,国内企业如新纶科技、格瑞普电池、佛塑科技、明冠新材等,也在铝塑膜市场有所斩
18、获,为铝塑膜国产化提供动力。4、结论与思考1. 动力电池电芯是为新能源汽车提供能量的最小单位,根据形状可分为圆柱电芯、方形电芯、软包电芯三大类;对应电池壳分别为圆柱形硬壳、方形硬壳和铝塑膜。硬壳普遍由不锈钢、铝合金两类材质制成,软包应用的铝塑膜则是一种聚合物。2. 从材质性能对比来看,铝壳在延展性、轻重量、安全性等方面优于钢壳,有望对钢壳产生替代;铝塑膜帮助电池不爆炸,还有更薄、更轻的优点。从技术发展来看,软包电池有望与固态电池相匹配,为行业所青睐。5、动力电池需求预估新能源汽车的高速发展大幅拉升了动力电池需求。2018 年至 2021 年间,中国动力电池装机 量从 56.9GWh 上升 至
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