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特斯拉产业链梳理以及锂离子电池材料全解读

来源:体育网 作者:七娃 人气: 发布时间:2019-09-08
摘要:简析:所使用的松下电池属于锂离子电池的一种。锂离子电池是一种二次电池(充电电池),它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中,Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌:充电时,Li+从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极,负极处于富锂状态;

简析:所使用的松下电池属于锂离子电池的一种。锂离子电池是一种二次电池(充电电池),它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中,Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌:充电时,Li+从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极,负极处于富锂状态;放电时则相反。电池一般采用含有锂元素的材料作为电极。

其主要优点有输出电压高(3.6V)、能量密度大、自放电小、循环寿命长无记忆效应、可快速充放电无有毒有害物质等。缺点是温度影响电池容量以及安全性能不好。目前主要应用领域为消费电子、电动交通工具、大型动力电源以及二次充电及储能领域。

特斯拉Model S专用的松下18650电池

18650是锂离子电池的鼻祖--日本SONY公司当年为了节省成本而定下的一种标准性的锂离子电池型号,其中18表示直径为18mm,65表示长度为65mm,0表示为圆柱形电池。

Model S所用18650电池是松下产的型号为NCR18650B三元材料电池,电容量约3.3mA,电压达到3.6V,能量密度高达243Wh/kg。

在特斯拉的Model S上使用的NCR18650B比之前Roadster所使用的比能量高出三成,区别来源于结构的不同,它以镍钴铝三元材料为正极材料,以石墨为负极材料,以六氟磷酸锂为电解液。最终达到比能量更大,稳定性、一致性更好的效果。此外,单体电池尺寸小但可控性高,可降低单个电池发生故障带来的影响,即使电池组的某个单元发生故障,也不会对电池整体性能产生影响。

的构造多种多样,松下三元电池只是其中的一种,以下我们将主要从锂电池的五大核心部件详细解析锂电池。

正极材料

正极材料决定了的主要性质,如能量密度、循环稳定性、安全性等。正极材料目前主要包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料等。目前来看,正极遵循着从二元材料向三元材料的发展趋势。松下NRC18650B的正极材料是镍钴铝三元材料,俗称NCA。

通过引入Ni含量可提高材料的容量,而松下NRC18650B正是提高了Ni含量(摩尔分数80%)从而使电池从原来的2.9Ah提高到了3.3Ah左右,能量密度大大提升。同时受益于三元协同效应,NCA正极材料综合了LiNiO2和LiCoO2诸多优点,性能比使用单一材料优越。而且,该材料用钴量较少,成本较低。

从目前市场角度上看,磷酸铁锂和三元材料为国内最主流的两种正极材料,由于新能源客车对磷酸铁池的需求量较大,磷酸铁锂的市场占有率更高一些,但三元材料以较为迅猛的势头逐渐发展,成为未来的趋势。

无论是磷酸铁锂正极材料还是三元正极材料,都离不开碳酸锂。以Model S为例测算一辆新能源汽车的碳酸锂当量需求:松下NCR18650电池单体重量44g,松下官网说明18650电池中正极材料重量占比20~35%,假设其正极材料在30%左右,则重量为15克左右。NCA化学式Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)xO2,经过测算x=0.845,分子量为87.5;碳酸锂分子式Li2CO3,分子量为74。按锂元素一比一,两者重量比是74:(87.5×2)=0.423:1。

可知其中1克锂钴镍铝三元正极材料需要0.423克碳酸锂。则生产一节18650NCA三元电池正极材料需要15*0.423=6.345g碳酸锂。一辆ModelS使用了7104节18650电池,折合碳酸锂当量=7104*6.345g=45.1kg,再加上电解液六氟磷酸锂对碳酸锂的需求和工业耗损,预计一辆ModelS对碳酸锂当量需求在60kg左右,折合耗用量为0.73kg/kWh。

按照同样的思路进行计算,我们估计松下三元电池的镍元素耗用量约为0.53kg/kWh。

此外,钴元素也是NCA和NCM三元材料必不可少的上游原料,随着三元材料对碳酸铁锂的替代趋势越来越明朗,钴需求也随之水涨船高。NCA三元材料中钴元素需求量约为0.14kg/kWh。

负极材料

石墨仍为负极材料首选

的负极是由负极活性物质碳材料或非碳材料、粘合剂和添加剂混合制成糊状胶合剂均匀涂抹在铜箔两侧,经干燥、滚压而成。负极材料是锂离子电池储存锂的主体,使锂离子在充放电过程中嵌入与脱出。

负极材料主要分为以下三类:碳材料(石墨类)、金属氧化物材料以及合金材料。松下NCR18650B电池的负极材料采用石墨材料。

动力电池市场爆发以来,相比于其他材料而言,负极材料价格相对稳定,技术路线以石墨类为主,不存在很大的争议。中国电池网数据显示,以为例,一辆新能源汽车大约需要40千克负极材料,折合石墨耗用量约为0.9kg/kWh。目前负极材料主要以天然石墨和人造石墨为主,两者性能有着各自的优缺点,应用领域也有所不同。

碳材料发展最前沿的产品就是石墨烯,它是目前为止发现的最薄的层状材料,以石墨烯作为负极材料可以加大电池的容量。传统石墨材料的能量密度上限(石墨烯)在372mAh/g,较当前正极材料的能量密度还有相当的裕量。未来提高动力电池能量密度仍是新能源汽车动力方面的关键,尽管价格昂贵或技术尚不成熟,钛酸锂以及硅基复合材料等高端负极材料也逐渐步入负极材料的应用领域。

硅基负极:负极变革趋势

Si基负极材料最大的优势在于极高的理论能量密度(4200mAh/g),远高于石墨。这也符合新能源汽车对电池的要求。从目前趋势上看,未来负极材料的发展方向先向硅基+石墨,最后将由纯硅/金属锂完全取代低能量密度的石墨。

硅基负极材料最大的不足就是膨胀问题,充电后易膨胀碎裂,无法复原,导致材料最终出现粉末化,大大缩短了电池寿命。

在充放电过程中会有300%的膨胀,而相同条件下石墨只有7%。目前松下最新研发的碳硅基复合材料负极中硅的含量达到了10%,可以看出随着技术水平的进步还有很大的发展空间。

负极集流体:锂电铜箔

按生产工艺不同,铜箔又分为压延铜箔和电解铜箔,压延铜箔一般用作建筑装饰材料。由于铜箔的导电性良好、质地较软、延展性好易加工变形,它也是制作负极集流体的首选材料。锂离子电池集流体的功用是将电池活性物质产生的电流汇集起来,以便形成较大的电流输出,因此集流体应有较低的比表面能从而易于与活性物质充分接触,且有着优良的导电性。

目前,国内外大部分锂电池生产厂家都采用电解铜箔作为锂电池的负极集流体。近年来,新能源汽车快速发展,导致新能源汽车所需的锂电池的需求量也快速增大,而铜箔是锂电池的重要原材料,其需求量当然也随之增大,所以新能源汽车的发展带动了锂电铜箔的发展,对整个铜箔产业产生了不可忽视的影响。

新能源产业的发展导致我国铜箔产品产销结构的巨变,锂电铜箔的产能由2015年的5.9万吨上升至2016年的7.03万吨;产量占比从2013年的10.35%上升至2016年的20.2%。在2013年以前,锂电铜箔主要应用于数码产品等消费性电子产品,而之后才慢慢应用于动力电池,占比慢慢提高。

责任编辑:七娃
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