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各種陽(yáng)極材料和各種性能指標(biāo)
陽(yáng)極材料是鋰離子電池的一個(gè)重要組成部分。鋰電池主要由陰極、陽(yáng)極、電解質(zhì)和隔膜組成。陽(yáng)極材料主要影響鋰離子電池的容量、初始效率、循環(huán)性能和能量密度。
作為一種快速充電的電池,鋰離子電池主要依靠鋰離子在陰極和陽(yáng)極之間的快速移動(dòng)。在充電和放電過(guò)程中,鋰離子在兩個(gè)電極之間來(lái)回穿插和脫插。
陽(yáng)極材料是由陽(yáng)極活性材料、粘結(jié)劑和添加劑混合而成,以糊狀形式均勻地鋪在銅箔的兩面,通過(guò)干燥和滾動(dòng)形成。
鋰離子電池的陽(yáng)極材料約占動(dòng)力電池成本的5%至15%。在NCM811電池中,陽(yáng)極材料約占電池成本的7.85%;在鐵鋰電池中,陽(yáng)極材料約占電池成本的6.07%。
鋰離子電池的負(fù)極材料主要分為兩類:碳材料和非碳材料。隨著技術(shù)的進(jìn)步,目前,鋰離子電池負(fù)極已經(jīng)從單一的人造石墨發(fā)展到多種鋰離子電池負(fù)極材料并存。
鋰離子電池負(fù)極材料主要可分為碳材料和非碳材料兩大類,碳材料主要包括石墨、石墨烯和非晶;非碳材料主要包括錫基材料、鈦基材料、氮素活性材料和硅基材料。
正極材料有多種性能指標(biāo)。與其他鋰電池材料相比,負(fù)極材料的性能評(píng)價(jià)維度更加多樣。反映正極材料性能的指標(biāo)主要包括比容量、初始效率、循環(huán)壽命、速率性能、壓實(shí)密度、分接密度、真實(shí)密度、比表面積等。
比容量是指單位質(zhì)量的活性材料所能釋放的電量;初效率是指第一次放電效率,是用第一次充放電循環(huán)的放電容量除以充電容量計(jì)算出來(lái)的;速率性能是衡量電池充放電能力的一個(gè)指標(biāo);
比表面是指單位質(zhì)量物體的表面積,是影響率性能的重要因素;壓實(shí)密度是指陽(yáng)極活性材料和粘結(jié)劑經(jīng)軋制后制成極片的密度,它影響比容量。關(guān)鍵因素;
分接密度是指依靠振動(dòng)使粉末呈現(xiàn)相對(duì)緊密的包裝形式的密度;循環(huán)壽命周期與陰極的膨脹有關(guān),陽(yáng)極的膨脹會(huì)導(dǎo)致循環(huán)性能變差。
各種類型的鋰離子電池正極材料都有各自的優(yōu)勢(shì),不同的性能指標(biāo)很難兼顧。從具體的性能指標(biāo)來(lái)看,目前硅碳復(fù)合材料的理論比容量最大,可以超過(guò)1000mAh/g,碳材料中的硬碳比容量也比較高;
在首次效率方面,非碳材料鈦酸鋰可以達(dá)到99%,接近理論極限,天然石墨和人造石墨都可以達(dá)到90%以上,而硅碳復(fù)合材料的首次效率相對(duì)較低;
在循環(huán)壽命方面,碳材料基本都在1000次以上。在非碳材料中,鈦酸鋰的循環(huán)性能最強(qiáng),可達(dá)30000次,而硅碳復(fù)合材料僅在300-500次之間。
在安全性方面,碳材料基本處于中等水平,鈦酸鋰在非碳材料中安全性最好,而硅基鋰離子電池正極材料則較差;
在快速充電方面,鈦酸鋰的表現(xiàn)仍然不錯(cuò)。總的來(lái)說(shuō),不同的材料有各自的優(yōu)勢(shì),不同的性能指標(biāo)很難兼顧。碳材料中的人造石墨和天然石墨具有優(yōu)良的綜合性能。
非碳材料中的鈦酸鋰比容量較差,其他性能優(yōu)勢(shì)明顯;而硅基復(fù)合材料的理論比容量有絕對(duì)優(yōu)勢(shì),其他性能仍需提高。
石墨基材料具有較高的綜合性價(jià)比,而硅基材料具有較大的應(yīng)用潛力。目前,人工石墨和碳材料中的天然石墨是市場(chǎng)上主流的鋰離子電池負(fù)極材料。
與其他類型的鋰電池相比,石墨電池的技術(shù)和配套工藝更加成熟,原料來(lái)源廣泛,價(jià)格低廉,在綜合性價(jià)比方面具有優(yōu)勢(shì)。它們是目前的主流材料。
但是,隨著鋰電池性能需求的提高,石墨材料的劣勢(shì)也開始顯現(xiàn),比容量成為其短板,天然石墨的比容量已基本達(dá)到理論上限。
在此背景下,出現(xiàn)了克容量遠(yuǎn)高于其他材料的硅基鋰離子電池負(fù)極材料,硅基材料也因其優(yōu)越的比容量被認(rèn)為是未來(lái)具有巨大應(yīng)用潛力的鋰離子電池負(fù)極材料。
然而,在鋰電池的充放電過(guò)程中,硅的體積變化很大,導(dǎo)致材料粉化、內(nèi)阻增大、電接觸喪失、容量快速衰減,新型正極材料與其他鋰電池材料存在一定的匹配問(wèn)題。大規(guī)模應(yīng)用還存在一些障礙。
電氣化推動(dòng)需求擴(kuò)張
中國(guó)龍頭企業(yè)的優(yōu)勢(shì)顯現(xiàn)
日本率先實(shí)現(xiàn)了鋰電池的商業(yè)化,在陽(yáng)極的早期階段是全球領(lǐng)先的。
日本是最早實(shí)現(xiàn)鋰電池商業(yè)化的國(guó)家。2000年以前,日本公司在陽(yáng)極市場(chǎng)的全球份額達(dá)到90%以上,成為陽(yáng)極早期的全球領(lǐng)導(dǎo)者。
然而,中國(guó)自20世紀(jì)90年代以來(lái),鋰離子電池負(fù)極產(chǎn)業(yè)開始起步,并經(jīng)歷了跨越式發(fā)展,實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池負(fù)極材料的進(jìn)口替代。
中國(guó)的鋰離子電池正極材料以中碳微球?yàn)槠瘘c(diǎn),逐步實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代。在技術(shù)研發(fā)方面,1997年,鞍山市熱能研究所首先開發(fā)了中碳微球并實(shí)現(xiàn)了小規(guī)模試生產(chǎn);
1999年,鞍山股份有限公司與鞍山熱能研究院成立合資公司,從事鋰離子電池負(fù)極材料的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售,實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池負(fù)極材料在中國(guó)的商業(yè)推廣;
2001年,杉杉股份有限公司實(shí)現(xiàn)了中碳微球的規(guī)模化生產(chǎn),并開始實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化替代,取代日本成為國(guó)內(nèi)中碳微球的主要供應(yīng)商。
在鋰電池產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展的十年中,中國(guó)企業(yè)不斷涌現(xiàn)。從2001年到2010年,是中國(guó)鋰離子電池正極產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展階段。
在此期間,3C數(shù)碼領(lǐng)域開始大規(guī)模使用鋰電池進(jìn)行供電。中碳微球受限于低比容量和高價(jià)格,逐漸退出了主流應(yīng)用場(chǎng)景,被比容量和成本更優(yōu)的石墨材料所取代。
2003年,貝特瑞成功開發(fā)出以天然鱗片石墨為原料的球形石墨并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,完成了天然石墨的改性。通過(guò)不斷創(chuàng)新和工藝改進(jìn),貝特瑞天然石墨材料的比容量達(dá)到360mAh/g,性能水平國(guó)際領(lǐng)先。
2005年,杉杉股份成功開發(fā)出新型人造石墨材料,成為中國(guó)人造石墨領(lǐng)域的龍頭企業(yè)。到2010年,貝塔瑞的負(fù)極材料出貨量位居世界第一,成為全球天然石墨領(lǐng)域的龍頭企業(yè)。
消費(fèi)類鋰電池市場(chǎng)已進(jìn)入成熟期,新能源汽車為動(dòng)力鋰電池帶來(lái)了新的機(jī)遇。2011年以后,傳統(tǒng)的3C數(shù)碼市場(chǎng)逐漸進(jìn)入成熟期,數(shù)碼鋰電池需求增速放緩,但新能源汽車的快速發(fā)展為鋰電池行業(yè)帶來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇。
現(xiàn)階段,江西紫宸已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)的一顆新星,依托FSN-1和G1系列產(chǎn)品,實(shí)現(xiàn)了高端人造石墨的突破,取得了快速發(fā)展。負(fù)極材料因其技術(shù)成熟和綜合性能優(yōu)勢(shì),在鋰電池市場(chǎng)得到了廣泛的應(yīng)用。
中國(guó)企業(yè)加速全球供應(yīng),競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)明顯。從目前全球競(jìng)爭(zhēng)格局看,中國(guó)企業(yè)的市場(chǎng)份額相對(duì)較高。其他國(guó)家的主要陽(yáng)極企業(yè)只有韓國(guó)的Posco、日立化成和三菱化學(xué),而中國(guó)的企業(yè)包括貝特瑞、寧波杉杉、江西紫宸、東莞凱金等多家企業(yè)。
據(jù)統(tǒng)計(jì),2022年全球鋰離子電池正極材料的194.7萬(wàn)噸,同比增長(zhǎng)77.97%。
考慮到鋰離子電池正極材料生產(chǎn)的高能耗和技術(shù)密集型特點(diǎn),其他國(guó)家的生產(chǎn)擴(kuò)張速度明顯慢于中國(guó)。預(yù)計(jì)未來(lái)中國(guó)企業(yè)的市場(chǎng)份額將繼續(xù)上升,中國(guó)企業(yè)的優(yōu)勢(shì)明顯。
下游需求繼續(xù)擴(kuò)大
鋰電池的下游應(yīng)用領(lǐng)域主要是動(dòng)力電池、3C數(shù)碼電池和儲(chǔ)能電池。
其中,動(dòng)力電池是未來(lái)鋰電池需求的一個(gè)重要增長(zhǎng)極。受益于新能源汽車的帶動(dòng),動(dòng)力電池正進(jìn)入加速發(fā)展階段。在各國(guó)政策的支持下,動(dòng)力鋰電池的需求增長(zhǎng)比較確定,未來(lái)還有增長(zhǎng)空間。
傳統(tǒng)的3C數(shù)碼市場(chǎng)已經(jīng)進(jìn)入成熟階段,市場(chǎng)趨于飽和。未來(lái)數(shù)碼電池的需求主要來(lái)自于智能家居設(shè)備和可穿戴設(shè)備。5G替代浪潮也將對(duì)數(shù)字電池的需求形成一定支撐。
儲(chǔ)能是鋰電池的藍(lán)海領(lǐng)域,有望給鋰電池的需求帶來(lái)巨大的市場(chǎng)。
隨著下游需求的快速增長(zhǎng),鋰離子電池正極材料的市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大。從2015年到2020年,我國(guó)鋰離子電池負(fù)極材料出貨量從7.28萬(wàn)噸增加到36.5萬(wàn)噸,5年復(fù)合增長(zhǎng)率為38.05%。
中國(guó)鋰離子電池正極材料市場(chǎng)規(guī)模從30億元增長(zhǎng)到148億元,5年復(fù)合增長(zhǎng)率為37.6%。2021年,受益于下游鋰電池市場(chǎng)的快速增長(zhǎng),我國(guó)鋰離子電池正極材料出貨量將達(dá)72萬(wàn)噸,同比增長(zhǎng)97%。
傳統(tǒng)3C數(shù)碼市場(chǎng)增速放緩,5G應(yīng)用增加了消費(fèi)類電池的消費(fèi)量。
消費(fèi)類鋰電池是鋰電池的重要下游應(yīng)用領(lǐng)域。得益于通訊工具的普及和智能產(chǎn)品的快速發(fā)展,消費(fèi)類鋰電池的市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)。
然而,傳統(tǒng)的3C數(shù)碼市場(chǎng)已進(jìn)入成熟期,產(chǎn)品增速放緩。數(shù)據(jù)顯示,自2013年以來(lái),全球智能手機(jī)銷量的增長(zhǎng)速度已經(jīng)放緩。2020年,銷售量下降12.5%,陽(yáng)極增長(zhǎng)繼續(xù);5.42%。
中國(guó)智能手機(jī)市場(chǎng)需求的飽和度比全球市場(chǎng)要慢,但自2016年以來(lái),智能手機(jī)的出貨量逐年下降。
未來(lái),5G手機(jī)的換機(jī)潮有望對(duì)智能手機(jī)市場(chǎng)形成一定支撐。數(shù)據(jù)顯示,預(yù)計(jì)2030年5G手機(jī)銷售量將達(dá)到4.16億部,占比28.1%。
可穿戴設(shè)備和智能家居設(shè)備帶來(lái)增量需求。2018年至2020年,全球可穿戴設(shè)備出貨量分別為1.86億臺(tái)、3.37億臺(tái)和4.45億臺(tái),2年的復(fù)合增長(zhǎng)率為54.62%。
2022年,全球終端用戶在可穿戴設(shè)備上的支出為750億美元,其中智能耳機(jī)、智能手表和智能手環(huán)占據(jù)了主要市場(chǎng)份額,分別占59.14%、23.08%和17.08%。
根據(jù)預(yù)測(cè),2023年全球可穿戴設(shè)備支出將達(dá)到1000億美元,同比增長(zhǎng)20%,市場(chǎng)具有廣闊的發(fā)展空間。
內(nèi)熱式系列石墨化爐是一種不使用電阻材料,以焙燒電極本身作為加熱元件的節(jié)能型石墨化技術(shù);
其優(yōu)點(diǎn)主要是加熱效率高、輸電周期短、電耗低(每噸直流艾奇遜爐的電耗至少1000kWh)等,但仍不能解決散熱損失大、冷卻時(shí)間長(zhǎng)、不適合使用等問(wèn)題。在生產(chǎn)中出現(xiàn)顆粒狀石墨化等問(wèn)題。
近年來(lái),廠家通過(guò)爐型改造和工藝創(chuàng)新,追求石墨化的技術(shù)升級(jí),箱式石墨化和連續(xù)石墨化有望引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展。
1)箱式石墨化工藝是以艾奇遜石墨化爐為基礎(chǔ)。爐內(nèi)安裝有碳板箱,通過(guò)擴(kuò)大爐子的容量,減少噸位消耗,提高產(chǎn)能。目前,該工藝已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。代表性的廠家有普泰來(lái)、鄯善股份有限公司、中科電氣等;
2)連續(xù)石墨化采用循環(huán)技術(shù),最高溫度可達(dá)3000℃以上,可實(shí)現(xiàn)高溫下連續(xù)進(jìn)料和出料,具有加工周期短、噸耗低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。
但對(duì)石墨化程度高的陽(yáng)極材料加工難度較大,尚未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。代表性廠家有山河智能等。