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新能源汽车、大规模储能和先进消费电子领域的快速发展,对锂离子二次电池的能量密度要求日益提高

2019-11-5 11:47:17  三胜产业研究中心  http://www.china1baogao.com/

  一、锂离子电池容量的提高仍将依赖于炭负极材材料的发展和完善


  商品化的锂离子电池的结构通常包括:正极、负极、隔膜、电解液、中心端子、正极引线、电池外壳、负极引线、绝缘材料、安全阀、温度控制端子川。其中,正负极、电解液以及隔膜是锂离子电池的主要研究对象。常用的正极材料主要为钻酸锂、锰酸锂、磷酸亚铁锂等;负极材料主要为天然石墨、MCMB、针状焦、树脂炭、生物质炭等炭材料,还有近年成为研究热点的钦酸锂等。


  目前,锂离子电池炭负极的研究和应用主要是围绕着石墨化炭和难石墨化炭(硬炭)两大类材料而展开的。锂离子电池的炭负极最先商业化应用的是非石墨化炭材料(石油焦),1993-1994年松下电池工业公司和三洋电机公司进人市场后采用了容量更高的石墨化炭材料,从此两大类炭材料的竞争也山此展开。两类炭负极的实际应用情况虽然没有准确的统计数据,但有专家估计目前市售的锂离子电池中有75%以上的负极材料采用的是石墨类炭负极材料。虽然目前有很多具有发展前景的非碳类负极有可能应用于锂离子电池领域,但他们仍将面临很多的挑战,因此今后在很长一段时间内,锂离子电池容量的提高仍将依赖于炭负极材材料的发展和完善。当前,市售的石墨类炭材料主要有以下几类,包括石墨化MCMB、石墨落尽干维、人造石墨和天然石墨等,它们虽然都同属于石墨类材料。但在实际应用中有各白的特点。形成了相互竞争的局面。


  在动力电池的应用方面,在性能更好、价格更低的负极材料出现以前,MCMB仍然是目前研究比较多的负极材料之一。MCMB用作锂离子负极材料处理除了具有石墨类炭负极的一般特征外,在其结构和形态方面也具有以下特有的优势。


  (1)MCMB本身具有球状结构,堆积密度大。可以实现紧密填充,制作体积比容量更高的电他;


  (2)比表面积小。减少了充电时电解液在其表面生成SEI膜等副反应引起的不可逆容量损失,还可以提高安全性;


  (3)MCMB具有层状分子平行排列结构,有刊于锂离子的嵌人与脱嵌。一般经分级处理后,符合粒径要求的产品就直接用作锂离子负极材料;


  (4)由于其特有的球形和稳定的内部结构,能满足大电流充放电的要求。当前,在低成本、高性能的大背景下。炭微球如何继续进一步提高其可逆放电容量并保持自己独特的性能优势,同时降低生产成本。是迫切需要解决的问题。但是。炭微球的生产工艺决定了MCMB的价格较高。因此,如果能从沥青、石油焦等廉价的原料出发,开发一种具有同样优良倍率特性的锂离子电池负极材料,将会是具有一定科研价值和市场价值的。


  两亲性炭材料(anrphiphiliccarbonaceousmaterial,ACM)是一种以沥青、生焦等为前躯体制备的具有水溶性、富官能团性、热固性等优点的碳质材料。ACM在制备炭材料过程中可以避免有机溶剂的使用。降低化学试剂用量,省去氧化稳定化过程,共有经济、节能、环保等特点,符合绿色化工的要求。本研究以ACM水溶液为分散相,二甲M硅油为分散介质,采用溶剂挥发法宏量制得ACM微米球。经测试,石墨化后的ACM基炭微球作为锂离子电池负极材料具有较高的容量与首次效率,井表现出优良的倍率放电性能,是一种很有潜力的新型锂离子电池负极材料。


  二、未来三年负极材料市场竞争将进一步加剧,低端重复产能将被淘汰


  中国产业信息研究网发布的《2019-2024年中国锂电负极材料行业市场调查研究及发展前景预测报告》数据显示,2018年中国锂电池负极材料市场规模94.1亿元,同比增长14.5%;出货量19.2万吨,增幅31.2%。


  2018年负极材料市场出货量保持稳速增长,主要原因有:1)市场增长主要受动力电池市场增长拉动,2018年中国动力电池出货量同比增长46.1%,达65.0GWh,动力型人造石墨成负极材料市场主要增长点;2)以贝特瑞、江西紫宸、宁波杉杉为代表的企业出口保持增加,尤其是紫宸,随着其产能的释放,对日韩企业的出口量大幅增加;3)以凯金为代表的负极材料企业产销量在国内主流动力电池企业如CATL的带动下,实现快速增长。


  2018年中国负极材料市场产值保持较高速增长,主要原因是:1)2018年中国负极材料出货量同比增幅31.2%,虽然整体价格相对2017年出现微幅下调,但降幅有限;2)随着行业进入“降本增质”阶段,高端天然石墨与人造石墨产品对低端负极材料加速替代,使负极材料产品附加值大幅提升。


  在负极材料上游环节,2018年由于钢铁去产能及环保因素影响,针状焦价格依然坚挺,全年均价在2.5~2.8万元/吨;石墨化方面,2018年国内石墨化加工价格在2.1~2.4万元/吨。2019年随着杉杉、贝特瑞、紫宸、东莞凯金、斯诺等企业新增石墨化产能达产和针状焦供应紧张的局面逐渐缓解,负极材料企业成本压力有望得到缓解。


  负极材料价格在2017年下半年进入上涨通道,主要是环保监察加严,部分石墨化产能无法发挥,使石墨化加工费用每吨上涨0.4~0.6万元/吨,另外2017年上半年针状焦供应紧张,原材料价格大幅上涨。2018年针状焦价格依旧处于高位,国产针状焦供给紧张,因此负极材料价格在2018年降幅较小。


  未来三年,负极材料市场竞争将进一步加剧,低端重复产能将被淘汰,拥有核心技术和优势客户渠道的企业才能获得长足的发展,市场集中度将进一步提升,这对二三线负极材料企业而言,经营压力无疑加大,其需要提前谋划出路。


  图表:2016-2018年中国锂电负极材料行业市场规模分析

锂电负极材料行业市场规模

  数据来源:中国化学与物理电源行业协会、三胜咨询


  三、新能源汽车、大规模储能和先进消费电子领域的快速发展,对锂离子二次电池的能量密度要求日益提高


  三胜咨询研究员曾远彬认为,新能源汽车、大规模储能和先进消费电子领域的快速发展,对锂离子二次电池的能量密度要求日益提高。提高电池的比能量,不仅有利于提高电动汽车的续驶里程,同时还可能显著降低目前遇到的高成本难题。我国在“十三五”新能源汽车试点专项的共性关键技术类研究项目“高比能量锂离子电池技术”中提出,到2020年,电池单体能量密度≥300瓦小时/千克,循环寿命≥1500次,成本≤0.8元/瓦小时,安全性能达到国标要求。工信部发布的《中国制造2025》中指出,2020年动力锂离子电池电芯能量密度期望达到350瓦小时/千克。锂离子电池负极材料从石墨转变为硅基材料,是实现上述目标的重要举措。目前,产业界主要采取硅碳复合路线来提升硅基负极应用水平,循环性、倍率性等方面基本能满足应用要求,已小批量进入电动工具、动力电池等市场。但是,450毫安/克以上的硅基负极材料制备、应用还有很多技术难点。突破高容量硅基负极材料关键工艺,使其经济性超越石墨类负极,是实现我国新能源汽车电池以及多个应用领域技术腾飞的关键。


  为了进一步推动我国硅基负极材料科学与技术进步,在基础研究、关键技术、关键装备等全产业链实现超前布局和加速发展,尽早突破瓶颈技术,明确重要应用需求,及时了解最新相关研究成果和发展动态,促进产学研协同创新,将重点讨论和交流硅基负极材料中的基础问题、工艺难题,着重关注不同结构、不同组分的硅基前驱体、复合技术与装备,以及硅负极应用匹配的电解液、导电添加剂、粘接剂、复合石墨负极材料、各类正极材料和高能量密度电芯的设计、制造、化成工艺、电化学性能、安全性能,硅负极材料及电芯的测试方法和测试标准,目前采用硅负极材料的锂离子电池的各项技术指标达到的水平和未来可能的极限等问题,以期通过充分交流、集思广益,促进我国硅负极材料的进一步发展,推动高能量密度锂离子电池技术的进步,提升企业核心竞争力。

 

 

     机械电子市场研究报告   责任编辑:S758


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