能量密度要求促使電池升級換代, 對正負極等材料提出更高的要求, 但在材料逐步成熟之時, 應用卻遲遲未能實現, 主要原因在於各種材料在組合成電池後, 體系的相容及安全等問題未能得到很好的解決. 當下工藝水平逐步成熟, 設備現代化程度較高, 這些問題的重點在於如何使用合適的電解液上面.
在高鎳體系中, 對於電解液主要有兩個方面要求, 一是使用新型添加劑, 另外就是電解液的配方.
新型添加劑: 對於高鎳體系, 需要解決在正極表面的產氣, 負極的成膜穩定性以及安全性等問題, 新型添加劑可以針對性解決高鎳遇到的問題, 我們認為具有新型添加劑研發的能力的電解液企業將顯著受益.
電解液配方: 電解液配方開發周期長, 成本高, 目前是電池企業壁壘最高的環節之一. 隨著行業分工擴大, 開發的重心會向電解液廠商傾斜, 電解液廠商在配方的開發和添加劑的研發優勢更大.
動力電池即將整體邁入高鎳時代
1.政策導向——電池能量密度要求提高
隨著新能源汽車的補貼政策進入到2018年, 國家開始把補貼力度著重轉向了提升新能源汽車的性能. 從續航裡程來看, 補貼門檻由2017年的100KM提高到了現在的150KM, 最高補貼裡程也由原來的250KM上升到了現在的400KM;從能量密度來看, 門檻也由此前的90Wh/kg提升至了現在的105Wh/kg, 最高的補貼係數也由原來的1.1倍提高到了現在的1.2倍, 同時對應的最高檔的能量密度由之前的120Wh/kg增加到了160Wh/kg.
對於相應政策要求的逐步提高, 與新能源汽車相關的各產品也面臨著一個升級的問題. 隨著國家對於動力電池的能量密度的要求越來越高, 以高鎳為主的正極材料越來越受到市場的青睞.
2.市場導向——更符合未來乘用車的市場需求
動力鋰電池市場主要以三元和磷酸鐵鋰為主. 相對於磷酸鐵鋰電池, 三元鋰電池在能量密度等方面具有獨特的優勢, 市場份額由2015年的23%上漲到了2017年的48%, 2018年1-4月乘用車中三元的佔比更是高達89%. 相比低鎳三元材料, 使用高鎳三元材料能顯著提升電池能量密度. 同時由於鈷價格的持續走高, 四氧化三鈷的價格從16年底的13.05萬元/噸大漲至目前的46.5萬元/噸, 漲幅高達256.32%, 這也從一定程度上加速了廠商對高鎳三元材料的開發使用.
發展高鎳三元不僅是政策要求, 更是電池升級的需求. 高鎳三元電池在能量密度上有非常大的優勢, 是目前高能量密度產業化最為成熟的應用材料. 此外高鎳中鈷的含量較低, 可以在一定程度上緩解動力電池對鈷的依賴性, 因此發展高鎳動力電池是整個產業的趨勢.
動力電池高鎳化我們為什麼要關注電解液
正極材料中鎳的比例不斷提升, 以及矽碳負極的使用, 給電解液的研發和生產帶來了新的困擾, 如果電解液不能隨電池材料同步升級, 高鎳三元體系就很難實現其設計初衷.
目前高鎳體系遇到的四大問題:
1)產氣: 正極材料中鎳含量增加, 由於高鎳中的4價鎳離子具有較高的催化活性, 它會催化電解液氧化分解, 影響電池性1) 能, 因此需要添加劑抑制鎳對電解液的催化分解;
2)破壞負極SEI膜: 高鎳體系電池迴圈過程中會有錳, 鈷等過渡金屬溶出, 它們會破壞負極SEI膜, 這就需要通過添加劑來改善過度金屬的溶出以及增強SEI膜穩定性;
3)矽系負極添加劑: 矽系負極由於有較高的膨脹特性, 會破壞SEI膜, 本身顆粒也會粉化, 對於迴圈和安全性能不利, 需要添加劑和特殊處理;
4)安全性: 對於高鎳體系還有較為重要一點是電池的安全性的問題, 需要添加過充和阻燃等添加劑來提升電池的安全性.
高鎳體系中電解液的技術要求和複雜程度相對於傳統電解液都有很明顯提升, 而解決這些問題需要各種添加劑來實現, 添加劑在高鎳體系中扮演的角色越來越突出. 除此之外, 各種添加劑之間, 溶劑與添加劑之間, 正負極體系與添加劑之間都要考慮到相容性的問題, 這也為高鎳電解液的開髮帶來難度.
高鎳電解液我們該關注哪些點?
電解液是影響電池性能最重要的原材料之一, 在電池企業的受重視程度異常之高. 正負極和隔膜對電池企業而言更像是一種標準化的材料, 而電解液在電池企業的使用上則更加多元化和複雜化. 主要原因在於電解液與電池的設計, 生產工藝, 生產環境都有很大的關係, 任何一項發生變化都可能會導致電解液的使用上做出更改.
電池升級換代, 對正負極等材料提出更高的要求, 但在材料逐步成熟之時, 應用卻遲遲未能實現, 主要原因在於各種材料在組合成電池之時, 體系的相容及安全等問題未能得到很好的解決. 當下工藝水平逐步成熟, 設備現代化程度較高, 這些問題的重點在於如何使用合適的電解液上面. 以目前消費類鈷酸鋰電池材料為例, 在每次電壓升高0.5V, 對於負極和隔膜等材料變化要求並沒有提高, 而與之相伴的是電解液的改進與提升. 所以電池升級對於電池企業而言最重要的是電解液的升級換代.
在高鎳體系中, 對於電解液主要有兩個方面要求, 一是使用新型添加劑, 另外就是電解液的配方.
1, 新型添加劑
添加劑特徵: 添加劑可直接加入到基礎電解液中, 用量極少, 加入量一般不超過電解液質量或體積分數的5%, 且操作過程簡單, 不改變電池生產工藝, 在彌補電解液自身某些不足的同時, 可顯著提高電解液的電導率及其與正負極的匹配性, 從而進一步提高電池的放電容量, 使用壽命等多種電化學性能.
新型添加劑是當今電化學與電池學術界和工業界最為活躍的研究主題之一, 因為所有的電池升級包括高能量密度(高鎳)或高電壓方向等, 都需要新型添加劑的支援.
我們以目前較為成熟的高電壓添加劑為例, 提高電壓可以提升電池能量密度, 但也隨之帶來了很多問題, 而這些問題的解決是尋找更加穩定(不氧化)的電解液或者尋求正極/電解質界面的穩定等方法, 無一例外都是通過選擇添加劑來實現.
對於高鎳體系而言亦是如此, 我們需要解決在正極表面的產氣, 負極的成膜穩定性以及安全性等問題, 最終的解決思路是和高電壓類似的, 通過添加劑來針對性解決高鎳遇到的問題. 具有新型添加劑研發的能力的企業將顯著受益.
以新宙邦開發的LDY269為例, 在高低溫性能, 阻抗等均要優於VC. 正極保護添加劑裡傳統的是PS, RPS也有一些應用, 相較於傳統的PS, RPS等正極保護添加劑, 新宙邦開發的LDY196在高電壓和高鎳正極上效果更好.
2, 電解液配方
電解液配方開發周期長, 成本高, 電解液配方目前是電池企業壁壘最高的環節之一, 所以電解液配方也成為電池企業的核心競爭力所在, 電解液配方開發, 目前主要有三種路徑, 分別為電解液廠商提供, 電池企業獨立開發以及聯合開發.
電解液廠商配方優勢不足: 專註電解液生產研發, 與業內電池企業合作廣泛, 熟知各種體系配方, 並可以獨立開發新型添加劑, 綜合優勢明顯. 不足之處是對電池的實際生產和應用有所欠缺.
電池廠商優勢和不足: 電池企業熟悉自身生產工藝和電解液方面, 但涉及面較為狹窄, 不利於新體系的開發.
合作開發: 電池廠商和電解液企業合作開發, 可以起到優勢互補的作用, 開發成本低, 效率高.
未來合作開發將是主要的方向, 隨著行業分工擴大, 開發的重心會向電解液廠商傾斜, 電解液廠商在配方的開發和添加劑的研發優勢更大, 專業的電解液廠話語權越來越強. 在電池升級趨勢之下, 高鎳體系的電解液配方也會更加複雜, 電池高鎳化之後電解液環節的價值量和附加值也會有很大的提升, 不亞於正極從523到811的跨越. 高鎳電解液價值量顯著高於普通電解液, 也帶來了更高的利潤彈性. 以電解液價格為例, 三元532電解液價格在5萬/每噸左右, 三元622在6萬/每噸, 而配方體系複雜的811等高鎳體系價格優勢會更加明顯.
在高鎳等新體系電解液開發中, 不可能一蹴而就, 需要企業多年的技術積累和上下遊的通力合作, 添加劑和配方這些環節也將成為電解液公司持續保持優勢的來源.
