未来五年乘用车和商用车搭载动力电池应用前景分析
中华铅笔
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2020.03.29
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电动汽车电池从结构角度上讲可以分为两大类,即蓄电池和燃料电池,蓄电池适用于纯电动汽车,可以归类为铅酸蓄电池、镍基电池(镍-氢电池、镍-金属氢化物电池、镍-镉电池、镍-锌电池)、钠-硫电池、钠-氯化镍电池、二次锂电池、空气电池等类型。

【1】我们首先来认识一下燃料电池

燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池,电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等,像一个蓄电池,但实质上它不能”储电”而是一个”发电厂”。 而燃料电池专用于燃料电池电动汽车,可以分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)等类型。 最有望用于汽车的是质子交换膜燃料电池。它的工作原理是:将氢气送到负极,经过催化剂(铂)的作用,氢原子中两个电子被分离出来,这两个电子在正极的吸引下,经外部电路产生电流,失去电子的氢离子(质子)可穿过质子交换膜(即固体电解质),在正极与氧原子和电子重新结合为水。由于氧可以从空气中获得,只要不断给负极供应氢,并及时把水(蒸汽)带走,燃料电池就可以不断地提供电能。

优点:能量转化效率高;安装地点灵活;负荷响应快,运行质量高;具有很强的过负载能力等。因为燃料电池直接将燃料的化学能转化为电能,中间不经过燃烧过程,因而不受卡诺循环的限制。目前燃料电池系统的燃料—电能转换效率在45%~60%,而火力发电和核电的效率大约在30%~40%。

缺点:燃料电池造价偏高、碳氢燃料无法直接利用、氢气储存技术受限、氢燃料基础建设不足等。

应用车型:丰田FCV

丰田从22年前就开始研发燃料电池汽车,直到2002年才把第一台SUV型的FCV销售出去,对象还是日本、美国的政府及教育机构。丰田FCV氢燃料电池车有望提前在今年年底前正式开始量产。借助氢燃料动力这款车型将有着最高达300英里(约482公里)的续航里程。

【2】接着我们来认识蓄电池,包括铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、钠硫电池以及锂电池

1、铅酸蓄电池

铅酸蓄电池已有100多年的历史,广泛用作内燃机汽车的起动动力源,它也是成熟的电动汽车蓄电池,可靠性好、原材料易得、价格便宜,比功率也基本上能满足电动汽车的动力性要求,但它有两大缺点,一是比能量低,所占的质量和体积太大,且一次充电行驶里程较短,另一个是使用寿命短。 北京奥运会时,有20辆使用铅酸电池的电动汽车,为奥运会提供交通服务。但是铅酸电池的比能量、比功率和能量密度都很低,以此为动力源的电动车不可能拥有良好的车速及续航里程。

2、镍镉电池

镍镉电池的应用广泛程度仅次于铅酸蓄电池,其比能量可达55W·h/kg,比功率超过190W/kg,可快速充电,循环使用寿命较长,是铅酸蓄电池的两倍多,可达到2000多次,但价格为铅酸蓄电池的4~5倍,它的初期购置成本虽高,但由于其在能量和使用寿命方面的优势,因此其长期的实际使用成本并不高。 其缺点是有“记忆效应”,容易因为充放电不良而导致电池可用容量减小,须在使用十次左右后,作一次完全充放电,如果已经有了“记忆效应”,应连续作3~5次完全充放电,以释放记忆,另外镉有毒,使用中要注意做好回收工作,以免镉造成环境污染。

3、镍氢电池

镍氢电池属于碱性电池,镍氢电池循环使用寿命较长,无记忆效应,此类型电池最大的优点是安全性好,但是相对于锂电池,其比容量低,体积大,价格较高,国外生产电动汽车镍蓄电池的公司主要是日本的PEVE、Sanyo、Ovonie、丰田和松下的一个合资公司, Ovonie现有80A·h和130A·h两种单元电池,其比能量达75-80Wh/kg,循环使用寿命超过600次,由于价格较高,目前尚未大批量生产,国内已开发出55A·h和100A·h单元电池,比能量达65W·h/kg,功率密度大于800W/kg的镍蓄电池。 镍氢动力电池刚刚进入成熟期,商业化的代表车型有丰田的Prius、Alphard和 EsTIma,,福特汽车Ford Escape,雪佛兰Chevrolet Malibu,以及本田的Civic,Insight等。在我国,长安杰勋、奇瑞A5、一汽奔腾、通用君悦等品牌轿车已经在示范运行,他们采用的也都是镍氢电池,不过电池主要向国外采购,国内镍氢电池在汽车上的运用仍处于研发匹配阶段。 此类型电池此类型电池最大的优点是安全性好,但是相对于锂电池,其比容量低,体积大。

4、钠硫电池

钠硫电池,是一种以金属钠为负极、硫为正极、陶瓷管为电解质隔膜的二次电池。在一定的工作度下,钠离子透过电解质隔膜与硫之间发生的可逆反应,形成能量的释放和储存。

优点:一个是比能量(即电池单位质量或单位体积所具有的有效电能量)高,另一个是可大电流、高功率放电。钠硫电池比能量高,其理论比能量为760W·h/kg,实际已大于100W·h/kg,是铅酸电池的3~4倍,另外可大电流、高功率放电,其放电电流密度一般可达200~300mA/mm2,并瞬时间可放出其3倍的固有能量,再一个是充放电效率高,由于采用固体电解质,所以没有通常采用液体电解质二次电池的那种自放电及副反应,充放电电流效率几乎100%。

缺点:主要其工作温度在300~350℃,所以,电池工作时需要一定的加热保温,而高温腐蚀严重,电池寿命较短,已有采用高性能的真空绝热保温技术,可有效地解决这一问题,也有性能稳定性及使用安全性不太理想等问题。

5、锂离子电池

锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。最早出现的锂电池来自于伟大的发明家爱迪生,使用以下反应:Li+MnO2=LiMnO2该反应为氧化还原反应,放电。我国从二十世纪九十年代开始开发和利用锂离子电池,至今已取得突破性进展,研制出了完全拥有自主知识产权的锂离子电池。钴酸锂、锰酸锂、聚合物、三元锂电池、磷酸铁锂等等都可以算为锂电池类的产品。

优点:能量密度高、使用寿命长、重量轻、高低温适应性强、绿色环保、额定电压高、具备高功率承受力、自放电率很低、生产基本不消耗水等特点,现在已成为了电动汽车的主流车用电池。在同体积重量情况下,锂电池的蓄电能力是镍氢电池的1.6倍,是镍镉电池的4倍,并且人类只开发利用了其理论电量的20%~30%,开发前景非常光明,同时它是一种真正的绿色环保电池,不会对环境造成污染,是目前最佳的能应用到电动车上的电池。

缺点:安全性差、不能大电流放电、价格昂贵、生产要求条件高、成本高、使用条件有限制、高低温使用危险大。

【3】锂离子二次电池作为新型高电压、具有高能量密度的可充电电池。

锂离子二次电池拥有独特的物理和电化学性能,具有广泛的民用和国防应用的前景。目前被广泛应用于动力电池汽车上,我们最后来认识一下锂电池主要包括钴酸锂,锰酸锂,磷酸铁锂以及三元锂电池。

1.钴酸锂电池

钴酸锂电池结构稳定、容量比高、综合性能突出、但是其安全性差、成本非常高,主要用于中小型号电芯。钴酸锂电池结构稳定、比容量高、综合性能突出、但是其安全性差、成本非常高,主要用于中小型号电芯,标称电压3.7V 代表车型:特斯拉 MODEL S。此类型电池生产技术成熟,比能量高,大约是磷酸铁锂电池的2倍。高温状态下的稳定性相比镍钴锰酸锂(NCM)和磷酸铁锂电池则要稍差些。

2.锰酸锂电池

锰酸锂电池是指正极使用锰酸锂材料的电池,锰酸锂电池其标称电压在2.5~4.2v ,锰酸锂电池以成本低,安全性好而被广泛使用。锰酸锂电池拥有较好的安全性能,而且振实密度较大,同样体积下电池中能装下更多的物质,拥有更高的电量。由于锰元素储量高,资源丰富,生产制造锰酸锂电池的成本也较低,能降低消费者的购车成本。   

锰酸锂电池也有自身的缺点,由于锰的本身性质不太稳定,易分解产生气体,因此多用于和其它材料混合使用,以降低电芯成本,但其循环寿命衰减较快。同时,不稳定性也会使电池本身容易发生鼓胀。另外,与其他锂离子材料相比,锰酸锂电池的耐高温性能也较差,相对寿命也会受到影响。

应用车型:启辰晨风,作为当前全球最畅销几款电动汽车之一,日产聆风的名号可谓享誉海外,而作为中国版的“聆风”--启辰晨风也在国内市场表现出了一定的实力。启辰晨风和日产聆风出产于同一平台,并且使用同样的薄片型、高效能锰酸锂离子动力电池。

3. 磷酸铁锂电池

磷酸铁锂电池,是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。 磷酸铁锂电池属于锂离子二次电池,它的放电效率较高,倍率放电情况下充放电效率可达到90%以上,要比低速电动汽车使用的铅酸电池高出10%,因此适合作为动力电池使用。

优点:安全性能高、使用寿命长、高温性能好、大容量、无记忆效应、重量轻、环保。磷酸铁锂电池可以在390℃以内的高温下保持稳定,保证了电池内在的高安全性,不会因过充、温度过高、短路、撞击而产生爆炸或燃烧,可以轻松通过针刺实验。而且磷酸铁锂电池不含任何重金属,对人体没有直接危害。客车行业龙头宇通客车使用宁德时代产品后的数据显示:磷酸铁锂电池使用80%后进行快充,可以安全达到4000至5000次,70%后,也可以保证7000-8000次,理论寿命可以达到7~8年。

缺点:振实密度与压实密度很低,导致锂离子电池的能量密度较低;材料的制备成本与电池的制造成本较高,电池成品率低,一致性差。容量较小,同样的电池容量,磷酸铁锂电池的重量更重、体积更大,严重影响了电动车的续航。磷酸铁锂电池最大的痛点在于低温下的充电问题,当温度低于-5℃时充电效率较低,更低的温度还会影响电池的电容。不适合北方新能源汽车车主在冬天的充电需求。

应用车型:比亚迪唐、比亚迪E6、势电动车、东风风神E30、江淮和悦iEV4、通用赛欧Springo、长安逸动纯电动、荣威550Plug-in等。

4.三元锂电池

三元锂电池是指正极材料使用锂镍钴锰三元正极材料的锂电池。它的能量密度大,体积比能量较高,并且价格相对低廉。陶瓷隔膜技术的应用也能帮助三元锂电池在短路发生时及时阻隔短路源,三元锂电池的安全性能也得到了一定提高。相对于钴酸锂电池安全性高,但是电压低。能量密度介于磷酸铁锂电池和钴酸锂18650电池之间。未来新能源汽车电池的发展趋势,适合北方的天气,低温时电池更加稳定。

三元锂电池的缺点也显而易见。三元材料的脱氧温度是200℃,放热能量超过800J/g,并且无法通过针剌实验。这就表明了三元电池在内部短路、电池外壳损坏的情况下,很容易引发燃烧、爆炸等安全事故。另外,由于材料本身的性质,导致三元锂电池在使用寿命上相对较短,同时,由于全球镍、钴资源紧张,其大量应用可能导致市场价格上涨,也会增加未来的用车费用。但就目前市场情况来看,由于三元锂电池价格优势比较明显,可以帮助控制电动汽车成本,并且拥有较高的能量密度,汽车厂商对于三元锂电池的关注度也在持续增加。

代表车型:北汽新能源EV200、北汽新能源EU260、特斯拉Model 3等

【4】最后,我们来聚焦市场各个种类装机量数据对比,以及后续市场预估

伴随着新能源汽车的快速发展,2015-2019年全球新能源汽车动力电池需求量迅猛增长,从2015年的24.3GWh增长至2019年的112GWh。且中日韩牢牢把控着全球的动力电池市场。中国占据全球50%以上的动力电池市场份额,是全球最大的单一动力电池出货市场。中国动力电池装机量从2015年16.5GWh增长到2019年62.2GWh,发展势头强劲,配套乘用车车型比例逐年递增,2019年突破60%。

2019年,中国动力电池装机量 62GWh,同比增长9%。其中三元电池装机量40.5GWh,同比增长 22%,份额占比提升至65%;而磷酸铁锂电池装机量 20.8GWh,同比下滑6%,其份额约33%。

由上述数据可以看出,目前市场磷酸铁锂与三元电池为市场主流,占据市场百分之九十八的份额,其他电池仅占有百分之二,而且三元电池成为了市场主流。那么接下来我们从技术层面、原材料成本层面、市场需求层面详细分析一下三元与磷酸铁锂市场前景预估。

2019年上半年磷酸铁锂装机量逐步提升,7月份达到高峰,占比超过三元锂,主要原因在于国家补贴退坡,新能源客车的集中上牌,由于补贴退坡,搭载三元锂的新能源乘用车的销量下滑及搭载磷酸铁锂的乘用车比例提高。2019年中国动力电池主要配套纯电动乘用车,占比64%,磷酸铁锂的装机量在纯电动车型占比较少,主要来源于纯电动客车和专用车,占比达到80%以上。磷酸铁锂的主要客户为商用车企业。 目前几种商业化应用的正极材料,磷酸铁锂的热分解温度要高于三元,并且热分解过程中,放热量小。

从材料的结构来看,磷酸铁锂正极材料为橄榄石结构,其结构中的磷酸基、Fe-P-O键远强于层状结构NCM中的Ni-O、Co-O和Mn-O键,因此磷酸铁锂有更好的热稳定性。一般磷酸铁锂材料热分解温度约为250~270℃,三元材料的热分解温度约为220~240℃。并且三元材料中随着镍含量增加,NCM 523、NCM 622和NCM 811从层状相到尖晶石相的相转变温度快速降低(235℃、185℃和135℃),尖晶石相存在的温度区间也在逐步缩减,热稳定性逐步降低。

磷酸铁锂动力电池除了安全性比较高之外,另一显著优势就是低成本。这一优势 主要来源磷酸铁锂正极材料中的主要原料磷、铁都比较便宜。目前国内磷酸铁锂正极材料的制备方法主要是固相合成法:以磷酸铁作为前驱体,与碳酸锂、蔗糖混合后,经高温烧结,制备磷酸铁锂。前驱体磷酸铁的制备方法有多种,比较低成本的制备方法是用硫酸亚铁和磷酸来制备。磷酸是大宗商品,而硫酸亚铁主要来源硫酸法制备钛白粉的副产品。从整个磷酸铁锂正极材料的原材料来看,除了碳酸锂的价格相对较高 以外,其他的硫酸亚铁、磷酸、蔗糖等都十分便宜。

三元材料(NCM、NCA)中主要元素镍、钴等均为重金属,并且我国钴资源十分稀缺,主要依赖从刚果金等地区进口。 目前市场上报价,每吨磷酸铁锂正极材料价格 不到6万元,而523三元正极材料价格~15万元/吨,622三元正极材料为~17万元/吨, 811三元正极材料~20万元/吨。磷酸铁锂正极材料的价格不到三元正极材料的一半。 目前方形磷酸铁锂电芯价格0.95~0.98元/wh,方形三元(523)在1.05~1.08元/wh。

BEV纯电动乘用车,3-5年的短期内,25万以上的豪华车和10万以内的纯电动代步车均有私人市场需求,中间类型的纯电动车辆市场存在于限购城市和共享用车。长期看,具有不断后期升级、改装能力的智能移动空间属性的纯电动乘用车市场潜力巨大,续航里程可达500km以上,同时具备快充和换电两种功能。PHEV插电式混合动力乘用车(含增程式)长期来看相对成本较高,操作复杂,市场潜力应低于预期。FCV燃料电池乘用车成本高,技术相对不成熟,10年内很难市场推广。 A0/A00级乘用车与平均能量密度对比短期来看,续航里程 300-400Km期间,平均能量密度>145Wh/kg。

2018-2020年,纯电动物流车产品全面升级,电池容量更大,续航能力更高,未来几年里随着政策对传统物流车的限制、一线、二线城市新能源物流车为主要增长区域。各大租赁公司,物流企业也会加大新能源物流车的购买力度,提高电动物流车城市渗透率。 与乘用车不同的是,新能源商用车普遍单车带电量大,可用空间较多,对电池的能量密度需求较低。2019年磷酸铁锂动力电池在新能源客车中占比基本上稳定在90%以上;在新能源专用车中,磷酸铁锂动力电池占比从2018年开始逐年提升,到2019年基本上份额稳定在85%左右,在新能源补贴全面退坡的环境下,磷酸铁锂动力电池凸显其在新能源商用车上的性价比和其较好的应用场景。

由于铁锂能量密度偏低,因此在长续航里程的纯电动乘用车上,还是配套三元电池为主。在续航300~400公里的车型,铁锂和三元能够实现有效竞争,补贴退坡后,在 A0 和 A00 级车型的需求价格弹性更大,消费者对于车企涨价接受程度并不高,三元与磷酸铁锂之间的价差较大,因此车企会考虑更换磷酸铁锂电池。 新能源汽车推广公告目录(2019年第 1-11 批),平均续航里程为 350Km,综合工况下百公里耗电量 13KWh。三元电池系统能量密度大于 160Wh/kg,磷酸铁锂系统能量密度 140Wh/kg,补贴价差为18000×(1-0.9)=1800 元,剔除补贴后最终差价在 6825-1800=5025 元,整车成本节省 5025 元。

整体来看海外电动车政策确定性强,明年拟推出新车型清晰,预计海外增量主要来自于欧洲市场。综合判断,2020-2022 年国内新能源车的总体装机量 89.2GWh、116.9GWh、165.9GWh。2020-2022年海外新能源车的总体装机量 69.8GWh、106.0GWh、161.2GWh。

预计未来三年铁锂在纯电乘用车上渗透率有所回升。 铁锂的技术大升级,能量密度大幅提高,减小了和三元路线的差距,弥补短板,铁锂技术路线最大劣势就是铁锂动力电池能量密度偏低。但最近几年磷酸铁锂动力电池的能量密度提升明显,根据乘联会的统计,从2014 年到2018年,免征购置税目录中纯电动客车搭载的动力电池能量密度由85Wh/kg提高138Wh/kg,提高62% 。另外,从新能源汽车推广目录来看,2018年共发布1762款新能源客车,配套动力电池能量密度超过120Wh/kg占93% 。其中在140~150Wh/kg的新能源客车有1006款,占比57% ,还有部分配套超150Wh/kg的车型。

目前我国新能源汽车主要还是政策驱动。我国政府为了推动产业升级,采取了扶优扶强的补贴策略,即更高技术的产品能拿更高的补贴方案,补贴金额和动力电池能量密度、续航里程等指标挂钩。车企为了拿到较高的补贴方案,会优先采购较高能量 密度的动力电池。而2020年之后,补贴取消,新能源车行业将由消费驱动。车企的关 注点将转变为“消费者需求”。目前一般消费者的日常出行里程是50公里,在充电基础设施比较完善的情况下,对于日常通勤应用,续航里程达到300~400公里的纯电动乘用车就已经能够满足消费者的需求。但是人类对于美好生活的向往是无止境的,更高能量密度,更长行驶里程一定会成为高端车的追逐。

综上所述,磷酸铁锂将在商用车以及A0/A00级车上占有较大的优势,三元电池将在高端乘用车上占有较大比重,当然时代在进步,科技在进步,如果某一电池的技术取得突破性进展,完全有可能颠覆市场,只是目前看来,五年内难有较大改观,以上纯笔者个人观点。

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