方向一:高镍NCM三元电池具备高克容量、高导电性、优异锂离子扩散性能等优势
NCM正极材料高镍化可有效提升锂电池能量密度。在NCM三元体系中,镍含量越高,克容量越高。高镍NCM通常指NCM811型,表示每摩尔NCM材料含有0.8摩尔镍0.1摩尔钴0.1摩尔锰。通常NCM5系仅为170mAh/g左右,而NCM811克容量超200mAh/g,电量密度可提升约18%,电量密度提升可有效提升电池能量密度。除能量密度外,高镍NCM具备电导率和锂离子扩散性能等其他优势。电导率方面,NCM5系电导率仅为4.9×10-7Scm-1,而NCM811可做到1.7×10-5Scm-1;锂离子扩散系数方面,5系仅处于10-10级,而811可做到10-8级。
高压三元提升中镍三元材料电压平台,进而提升电池能量密度。根据能量公式W=q×U(容量×电压),容量和电压可同时用于提升电池能量密度。通过提升中镍NCM(如NCM622等)电压平台,致使正极材料在更高电压下脱出更多锂离子,实现高比容量和放电电压,Ni5系、Ni6系电压平台从4.2V提升至4.35V可实现约15%能量密度提升。根据厦钨新能定增问询函,4.40V高电压Ni6系当前能量密度已达735.15Wh/kg,接近Ni8系739.32Wh/kg能量密度水平。目前如4.45V等更高压平台也处于研发阶段,实现后预计可将Ni6系能量密度提升至767.60Wh/kg。另外,根据厦钨新能实际生产经验,高压三元较高镍三元具备一定安全性及成本优势等方面优势。
磷酸锰铁锂属磷酸铁锂与磷酸锰锂混掺物,较磷酸铁锂具备多方面性能优势。磷酸锰铁锂正极材料通过混掺磷酸铁锂和磷酸锰锂,从而获得较磷酸铁锂更优秀的电极电压、能量密度和循环寿命。理论比容量方面,磷酸锰铁锂和磷酸铁锂均为170mAh/g左右,然而由于磷酸锰铁锂电压平台更高,电池能量密度可实现约10%提升。同时磷酸锰铁锂电池具备更好的电池寿命,循环次数可超过3000次,因此单次循环成本较磷酸铁锂更具优势。磷酸锰铁锂循环寿命、安全性、成本等方面较三元材料优势明显。由于磷酸锰铁锂和磷酸铁锂材料具有相同的橄榄石结构,其在充放电过程中晶体结构更加稳定,极难出现结构崩塌,而NCM三元采用层状结构,因此安全性和成本均弱于磷酸锰铁锂。
固态电池主要由固态电解质替代传统电解液,同时起到隔膜的作用。传统锂离子电池由正极、负极、隔膜和电解液组成,其中隔膜的作用是将正负极分开防止两极直接接触而损失能量。固态电池由于使用固态电解质替代液体电解液,正负极活性物质无法直接接触,因此同时起到隔膜的作用。
目前国产新能源车企已实现半固态电池装车。截止2023年底,东风汽车、赛力斯、蔚来均已实现半固态电池搭载并实现批量生产,2024-25年期间预计上汽智己和长安深蓝也将陆续完成半固态电池应用。2026-2028年为国内车企固态电池集中量产期。根据相关车企规划,2026年期间比亚迪、广汽昊铂、东风汽车将实现全固态电池量产装车,2027年长安新能源汽车将实现全固态电池逐步起量,2028年东风汽车规划实现全固态车型量产上市。2026-28年有望成为国产新能源汽车全固态电池搭载集中上市窗口。2028-2030年或为海外车企固态电池放量窗口。根据海外车企规划,26-30年期间,福特、丰田、现代、本田、日产、奔驰、宝马等车企将先后实现全固态电池规模量产,28-30年期间量产规划较多。整体来看,国内车企将在2026年后首先支撑全固态电池覆盖率起步,2028年后海外车企逐步加入有望推动覆盖率快速提升。
固态电池根据电解质类型可分为氧化物、硫化物、聚合物三大方向。氧化物固态电解质离子电导率良好,且电化学、力学及热稳定性均优于硫化物和聚合物固态电解质,因此更适合电动飞行等高安全要求应用场景。
全固态电池量产仍存在固固界面接触不良、生产成本过高等难点。由于固态电解质特性,电解质与正负极材料间接触(固固界面)会产生较大阻抗、稳定性差等问题,由此造成电池电量和循环寿命衰减。该问题目前仍为行业难点,解决需花较多时间。另外,由于全固态电池产线与现有液态电池产线几乎无法兼容,直接投资全固态电池成本过高问题无法解决,因此需要半固态技术过度来有效降低投资门槛。预计24年将有超5款半固态车型问世,24-25年半固态有望率先放量。2023年12月,搭载150kWh半固态电池版蔚来ET7上路测试。24年3月,上汽智己L6全球首次搭载量产半固态电池问世,电池容量达130kWh,目前智己L6即将发售。根据GGII资讯,2024年预计国内搭载半固态电池上市销售车型将超过5款,半固态电池有望率先实现搭载并放量。
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