预见2019:《中国动力锂电池产业全景图谱》(附现状、竞争格局、发展前景等)

预见2019:《中国动力锂电池产业全景图谱》(附现状、竞争格局、发展前景等)

结合下游行业发展的需求来看,我国动力锂电池需求将不断攀升。在政策层面,国家力推新能源汽车保有量达到500万辆,而目前新能源汽车保有量大约在150万辆,“十三五”期间还有约350万辆的发展空间,我国动力锂电池行业发展前景空前巨大,前瞻预测到2024年我国动力锂电池市场规模突破1300亿元。

  1. 乘用车动力电池前五:CATL、BYD、孚能、比克、国轩

无论是国家政策导向还是企业技术布局,普遍追求高能量密度。当动力电池的能量密度足够高,一台车装载电量足够大,可以避免所谓“里程焦虑”,对于快速充电的需求就会降低。但是,电量大了,如果成本没有降下来也很难被市场接受。因此,如果能在控制好电池成本的前提下,用便捷的充电能力+适用的续航里程,就能极大缓解用户焦虑,这样一来快充就有存在的价值。

下游需求的扩张利好,我国动力锂电池总装机量增长,根据OFweek统计数据显示,2018年我国动力锂电池总装机量达到56.37GWh。

比亚迪乘用车动力电池配套总数为9.18万辆,装机总量为2.85GWh,全部为比亚迪自用。孚能乘用车动力电池配套总数为5.28万辆,装机总量为1.1GWh。

3、锰酸锂电池适用于插电式混动客车

动力锂电池的产业链图与锂离子电池相同,上游原材料主要包括镍钴锰、锂矿和石墨矿,由此构成正负极材料、电解液、电极基材、隔膜等;中游则是将正负极材料、电解液、电极基材、隔膜组装成电芯后进行制造和封装;下游是动力锂电池的应用领域,主要应用在各种车辆、船舶、飞机等内燃机的启动,照明、蓄能、不间断电源、移动通讯、便携式电动工具、电动玩具中。

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受限于理论能量密度的极值限制,磷酸铁锂未来在能量密度方面的发挥空间不大。但对于客车、物流车、专用车等商用车现已选用磷酸铁锂体系而言,对于能量密度的提升并不是必须的,而快充则越来越体现出其重要性。

磷酸铁锂电池曾是中国新能源汽车市场上的主流,虽然其充放寿命长,但电池系统的能量密度只在100Wh/kg左右,而三元锂电池能量密度最高能达到330Wh/kg,随着消费者对电动汽车续航里程的需求不断提高,且具有电池能量密度优势的三元锂电池预计将进一步取代磷酸铁锂电池市场。

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三元电池因其有较高的能量密度更受到重视,材料本身导电性能优异,但反应活性太高,因此对快充安全性提出了较大的挑战。

随着新能源汽车产业化进程逐步深入,全球各国及重点企业均加大力度发展动力电池产业,基于新材料和结构的高比能动力电池技术已经成为各国竞争焦点,大力提升目前车用动力电池安全性、寿命、低温特性,降低成本是产业技术发展的方向。

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要理解快充,一个专业术语是逃不掉的——充放电倍率C,可以简单理解为充、放电的速率。锂离子电池的充放电倍率,决定了我们可以用多快的速度,将一定的能量存储到电池里面,或者以多快的速度,将电池里面的能量释放出来。

我国动力锂电池产业从无到有,从小到大,发展很快,在国家科技项目的重点支持下,中国动力锂电池关键技术、关键材料和产品研究已经取得重大进展。虽然小容量功率型动力锂电池技术和产品与国外相比仍有一定差距,但大容量动力锂电池产业发展已经处于国际领先水平。单体动力电池的特性,已经具备推广应用的条件。动力锂电池产业已经进入到产业化建设和推广应用的关键阶段。动力锂电池产业化进程已经处于国际领先地位。

宁德时代、天津力神、合肥国轩高科采用高镍三元正极+硅碳负极,实现300瓦时/公斤的比能量,预计系统的能量密度200-210瓦时/公斤,其中宁德时代实现电池循环寿命达到1000次左右,并通过安全性验证。

根据电池中国数据,2017年我国快充客车产量6486辆,电池装机量达597.52MWh,占新能源客车总量的6%。其中,快充客车产品充电倍率最高为6.42C。倍率在3C-5C车型产量为4771辆,电池装机量为480.68MWh;倍率在5C-10C车型产量为1715辆,电池装机量为116.84MWh。目前快充客车快充倍率主要集中在3C-5C之间。从电池类型来看,2017年快充客车的电池材料主要以钛酸锂为主,装机量为571.54Mwh,占比95.65%。

产能有望达到200亿GWh,行业未来千亿规模

基于NCM622材料,2017年底电池单体能量密度超过200瓦时/公斤,系统能量密度160瓦时/公斤,2018年预计电池单体能量密度可达到230~250瓦时/公斤。

比克今年5月最新推出的3.0高能芯通过引入硅系负极材料、高镍正极材料,以及专门开发的电解液,其能量密度高达近250Wh/kg,可实现500公里超长续航里程。通过充电策略设计,有效缩短充电时间,提高充电效率。在极端的应急模式下,充电10分钟可行驶60公里。

下游需求拉动行业发展,纯电动乘用车为推动增长引擎

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快充产品市场前景

从2018年我国动力锂电池行业装机量企业结构来看,宁德时代占了41.21%,装机量达到23.23GWh,同比增长133%;排在第二的是比亚迪,占了20.33%,装机量达到11.46GWh,同比增长109%;第三名是国轩高科,占5.32%,装机量为2.99GWh。我国动力锂电池行业高端产品之间的竞争主要集中在国内仅有的几家企业与国外企业之间,属于垄断竞争格局。随着我国政策对动力锂电池产品提出更高的要求,市场份额将进一步向头部企业集中。

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根据2018年新能源汽车补贴政策,充电倍率小于3C的属于非快充类纯电动客车,充电倍率高于3C则属于快充类纯电动客车类。但快充的补贴划分只针对新能源客车,无乘用车和物流车标准。

动力锂电池可按电解质材料、电池外形、外包材料、正/负极材料以及性能用途进行划分,其中目前最主要的是以正极材料作为划分动力锂电池产品的依据,因为正极材料是电池中锂离子之源,其性能直接关系到电池性能,是锂电能量密度的基础,是动力锂电池中最关键的功能材料。动力锂电池按正极材料分类,主要有三元锂、磷酸铁锂、钴酸锂和锰酸锂这四种,对应的负极材料一般都是石墨。

  1. 动力电池细分:2018 年乘用车将超过客车,三元将超过磷酸铁锂

充电的快慢和动力电池、充电桩、电动汽车整车、电网等整体技术和设计要求都息息相关,其中最大的影响因素还是在于电池。我们具体来讨论不同类型的动力电池在快充技术方向上的应用趋势。各种正极材料几乎都可以用来制造快充型电池,但适用性和优劣各不相同。

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电芯厂97家,宁德时代、国轩高科、沃特玛、孚能和天能排名前五,装机量之和212466台

2017年10月,东芝官方宣布已成功研发新一代车用锂离子电池,有望在2019年商用。该电池采用钛铌氧化物材料,相对目前三元、磷酸铁锂等技术,实现颠覆性进步。新电池具备能量密度高、充电效率快等优点,只需充电6分钟就能达到90%的电量,可行驶320公里。目前锂电池平均需30分钟才能充至80%电量。

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比克乘用车动力电池配套总数3.44万辆,装机总量为0.84GWh。

按照燃油车的使用习惯,要实现充电时间在10-20分钟以内完全充满电,充电倍率至少需要3-6C之间。目前市面上的纯电动乘用车大多数是半小时到1小时充满80%电量,比以前两三小时的充电时间已提升了不少,未来有望进一步压缩到20分钟内。

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2017年我国新能源汽车(EV+PHEV)动力电池装机总电量约36.24GWh,相比2016年28GWh的数据,同比增长约29.4%。

锰酸锂电池具备功率性能、放电倍率性能、低温性能好,电压频率高的特点,且在三元上游原材料疯涨的态势下,锰酸锂的成本优势正在逐步突显。但在能量密度、高温性能等方面仍然需要提升。近年来,锰酸锂快充电池在插电式混动客车领域占比增长显著,代表企业为中信国安盟固利、亿鹏新能源、微宏动力。

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整车厂中,比亚迪103473台,江铃汽车32454台,重庆长安16307台,康迪新能源14142台,浙江伊卡6361台

2、磷酸铁锂快充乘商均可用

2018年6月开始实行的《关于调整完善新能源汽车推广应用财政支持政策的通知》通过补贴措施表明了对新能源汽车电池能量密度的更高要求,低端锂电产能过剩逐步被淘汰。目前,我国动力锂电池市场的集中度已非常高,2018年我国动力锂电池前十名企业的装机量达到整体的83.16%,而前二十名更是高达92.1%,这意味着排名在二十名后的动力锂电池企业实际上已被边缘化,行业洗牌格局剧烈,产业链公司迎来一场“大浪淘沙”的筛选。

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钛酸锂电池在循环寿命方面明显优于其他体系快充型电池,这因材料本身特性,即“零应变”特性决定。但其劣势明显,能量密度较低,能量密度只有三元体系的一半左右。再加之价格偏高,目前大多是在快充公交上应用,后续亟需寻求更高电压的正极材料及匹配电解液来解决此缺陷。

更多数据请参考前瞻产业研究院发布的《中国动力锂电池行业市场需求预测与投资战略规划分析报告》。

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如果我们把锂离子电池形象地比喻为一把摇椅,摇椅的两端为电池的两极,而锂离子就像优秀的运动健将,在摇椅的两端来回奔跑。充电时,电池的正极上有锂离子生成,生成的锂离子经过电解液运动到负极。作为负极的碳呈层状结构,它有很多微孔,以供到达负极的锂离子嵌入。嵌入的锂离子越多,充电容量越高。

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装机总电量前十动力电池企业合计达26.81GWh,占整体的74%。宁德时代以10
Gwh高居榜首,占比29%,2018年将进一步扩大。

三元电池快充体系的代表企业有宁德时代、比克等。宁德时代研发了“超导电子网”和“快离子环”技术,可实现15分钟内SOC从5%充电到85%,能量密度190Wh/kg,循环寿命超过2500次,主要应用领域为乘用车,预计2018年内具有批量生产的能力。

近三年,随着国家对新能源产业的扶持,推动了我国动力锂电池迅速发展。根据国家统计局数据显示,2018年国内新能源汽车销量为125.6万辆,同比增长61.7%。其中,2018年纯电动车的销量将近98万辆。新能源汽车销量逐年增长,对于动力锂电池的需求量也在不断扩张。在国家政策的驱动下,新能源汽车有着广阔的发展前景,而作为核心部件的动力锂电池必将迎来发展的大好良机。

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磷酸铁锂在快充领域不具有先天优势,从材料上看,磷酸铁锂材料的本征电导率比较低,仅为三元材料的百分之一,需要对磷酸铁锂材料进行导电性优化才能满足快充的需求。但磷酸铁锂的材料成本相对较低,结合成熟的技术背景及稳定的产品性能,有较为广泛的应用前景,代表企业有宁德时代、沃特玛等。

在美国、日本、欧洲和韩国等国家/地区科技规划以及重点企业战略规划中多次提及新体系结构车用动力电池技术,重点关注高性能电池材料、高性能锂离子动力电池(致力于寿命、能量密度和安全性提升)、高性能电池包、电池管理系统、热管理、电池标准体系、下一代锂离子动力电池、锂金属电池、电池梯级利用及回收技术、电池生产制造技术及装备等。

GGII调研数据显示,2017年中国动力电池产量44.5GWh,同比增长44%。动力锂电池装机量36.4GWh,比产量44.5GWh少8.1GWh,主要原因是低速电动车、高尔夫球车、换电、移动补电车、售后替换、流通、高库存等。

电动汽车在使用中,消费者最为担心的还是充电时间和续航里程的问题,在目前的技术水平下,充电时间与续航里程难以兼得,因此动力电池也就发展出了两条路线,一种是专注续航里程的比能量派,主要是通过不断的提高锂离子电池的比能量,从而增加电动汽车的续航里程;第二种是专注减少充电时间的快充派,主要是通过改善锂离子电池的快充性能,缩短电动汽车的充电时间。随着技术进步和对锂电池材料的深入研究,快充技术曾经遇到的难题可能也会一一迎刃而解。

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但是目前情况,软包电芯到系统的能量密度转化率约为60%,方壳约为70%。

不同技术路线电池的快充应用前景

2018年,外资锂电池企业首次获得在我国经营的许可,LG化学,三星等外资企业纷纷建厂扩大产能,加上宁德时代和比亚迪等国内企业预计新增产能,到2020年我国国内动力锂电池产能可能突破200GWh。

从车辆类别来看,客车14GWh、乘用车14GWh、专用车8GWh。

此外,“石墨烯电池”的概念一直比较火热,但行业内也存在争议。在锂电池中应用,石墨烯主要做负极活性材料和导电添加剂。单就快充能力来看,采用石墨烯作为导电剂,或用石墨烯包覆磷酸铁锂/三元锂材料,能达到较好快充效果。但综合成本、工艺难度等指标来看,仍有很大挑战性。

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4、钛酸锂快充电池适用于纯电动客车

受新能源补贴政策影响,技术要求逐步提升

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充电的快慢和动力电池、充电桩、电动汽车整车、电网等整体技术和设计要求都息息相关,其中最大的影响因素还是在于电池。我们具体来讨论不同类型的动力电池在快充技术方向上的应用趋势。

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  1. 动力电池装机:2017 年 36 GWh,2018 年预计 43 GWh

5、快充新方向——钛铌氧化物负极材料

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2018年我国新能源汽车产量将达到110.8万辆,同比增长39.5%,对应动力电池总需求43.3GWh,同比增长33.2%。

快充时,锂离子需要加速瞬时嵌入到负极。这对负极快速接收锂离子的能力挑战很大。普通化学体系的电池在快充时负极会出现副产物,影响电芯的循环和稳定性。能量密度与功率密度,在同一只电池中可以说是顾此失彼的两个方向。

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