新能源车核心部件锂电池的技术图谱(4)
聚烯烃是当前通用的锂电池隔膜材料,可为锂电池隔膜提供良好的机械性和化学稳定性,进一步细分则有聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、复合材料三大类。
隔膜材料的选择与正极材料有关,目前聚乙烯主要应用于三元锂电池,聚丙烯则主要应用于磷酸铁锂电池。
除了材料,制备工艺对隔膜的性能也有着一定影响。
当前锂电池隔膜的生产技术分为干法和湿法两大类。
干法又称为熔融拉伸法(MSCS),可进一步细分为单向拉伸和双向拉伸两种工艺。此技术路线的发展时间长,更加成熟,主要用于生产PP膜。此外,双向拉伸工艺由于成品性能不佳,只用于中低端电池,已不再是主流制备工艺。
干法工艺具有简单、成本低、环境友好的特点,但产品性能较差,更适用于小功率、低容量电池。而在上文提到过,磷酸铁锂电池恰好存在能量密度偏低的缺陷,故采用干法工艺的隔膜多用于这一技术路线。
湿法又称为热致相分离法(TIPS),与只对基膜进行拉伸的干法工艺不同,湿法会对基膜表面进行涂覆,以提高材料的热稳定性。相较于干法制备产品,湿法工艺的隔膜在性能上有着比较明显的优势,其厚度更薄,拉伸强度更理想,孔隙率更高,有着更为均匀的孔径和更高的横向收缩率。此外,湿法隔膜的穿刺强度更高,更有利于延长电池寿命,且更加适应高能量密度的锂电池发展方向,目前主要应用于三元电池。
不过与干法相比,湿法工艺相对复杂、成本高、易对环境造成污染。
当前隔膜材料的主要市场趋势十分确定。由于更加符合动力电池高能量密度的要求,可以延长电池循环寿命,且能增加电池大倍率放电能力,湿法工艺正在对干法形成快速替代。数据显示,2017年湿法锂电池隔膜的市场份额首次超过干法隔膜,而仅一年后的2018年,市占率就进一步上升至了65%。
数据来源:头豹研究院
三大封装技术
除了原材料,锂电池的封装技术对电池最终性能同样有重大影响。即使材料配方一致,不同的加工工艺所生产的成品,在安全性、能量密度以及循环寿命等方面也不相同。
当前,封装技术可分为三类:
方形电池,即方形的单体电池。该类型电池的电芯间隙较小,内部材料更加紧密,电池在高硬度的限制下不容易膨胀,安全性比较高。同时壳体采用了密度更小、重量更轻且强度更高的铝镁合金,进一步强化对内保护,相应的生产工艺却不复杂。但方形电池一致性较差,且由于可以根据需求做定制化生产,市场上型号繁多,工艺不统一。
一致性是指电池组中,单体电池的初期性能指标相近,如容量、温度特性、循环性等。若单体电池性能差异太大,在成组后会严重影响电池组的使用寿命。
圆形电池虽与方形电池同属硬壳封装路线,但尺寸更小,电芯一致性好,单体电芯的能量密度比较高,成组更加灵活,生产工艺成熟且成本低。缺陷在于整体性能一般,电池包中的电芯数量比较多,重量大,圆柱此种形态对空间的利用率也不好,导致能量密度较低。
软包电池的性能是三种路线中最好的,其尺寸灵活,能量密度高,重量轻。但机械强度不高,生产工艺也更加复杂,生产成本高,性价比一般。
从市占率看,目前方形电池凭借更高的性价比,大幅领先其他技术路线。2019年,国内方形电池装机量为52.73GWh,同比增长 24.8%,占总装机量 84.5%,是年度唯一保持同比正增长的技术路线。
数据来源:国元证券
除了三种成熟的封装技术外,锂电池目前还有新的CTP技术,并衍生出了“刀片电池”与“CTP电池”两种新产品,均为方形电池的升级形态。
CTP(Cell To Pack)技术,是指电芯直接成组,跳过了电池模组这一中间环节。这种技术一方面提升了电池包内的空间利用率,增加带电量;另一方面又减轻了重量,整个电池组的能量密度大幅提升。
当前以比亚迪为代表的的刀片电池,选择的是彻底取消模组的方案;宁德时代的CTP电池,则是走将小模组整合为大模组的路线。
此两种路线各有优劣,但均处于商业化早期,制造工艺与规模生产仍需提高,短时间内无法大规模替代传统技术。
图片来源:中信证券
总结
正如开篇所讲,锂电池的产业链长且复杂,牵扯行业众多,无法用短短数千字描述清楚。本文选择覆盖最核心的四种材料与三种加工工艺,并没有涉及电池整包的相关工艺与材料。
文章来源:《小型内燃机与车辆技术》 网址: http://www.xxnrjycljs.cn/zonghexinwen/2021/0623/1051.html