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行业新闻

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第一篇  圆柱形锂电池

1992年,日本索尼公司发明了锂离子电池,——18650圆柱形锂电池。索尼锂电池发明者成了最早的出局者。松下电子继索尼之后,这家日本电气业巨头在1994年就开始了锂电池技术的研发。到了1998年,松下生产的18650圆柱锂电池已经批量装配在世界多个品牌的笔记本电脑里,成为这个行业数一数二的龙头。1997年12月,日本爱知县的丰田工厂里,第一代普锐斯缓缓驶下生产线,全球汽车产业“走进新时代”。

第一代普锐斯装载的正是1996年PEVE(松下电动汽车能源公司,Panasonic EV Energy Co)生产的圆柱形镍氢电池。这一代普锐斯在全球畅销12.3万辆,成为混合动力汽车乃至新能源汽车的代名词。

1997年,丰田推出了RAV4的纯电动版车型,即RAV4 EV。这一代的RAV4 EV在北美小范围的租赁使用,不出所料使用的正是PEVE生产的圆柱形镍氢电池。

2008 年 2 月,特斯拉交付了第一辆Roadster,这个地球上99.999%的人都不会想到新能源汽车将在接下来的时间里以如此的速度狂飙突进,就像电动汽车那令人恐怖的加速。底特律巨头通用在2006年就早于丰田推出了纯电动汽车EV1,却在市场上被RAV4 EV打败。所以通用干脆将持有镍氢电池专利的子公司Ovonics卖给了美国一家石油巨头雪佛龙,后者随即起诉了丰田、松下和PEVE的侵犯专利诉讼。虽然最后达成和解,但结果是丰田不能在纯电动车上使用镍氢电池。2010年,丰田章男就做了向特斯拉投资5000万美元的决定。替特斯拉解决了燃眉之急的同时,丰田提出的条件是要马斯克替第二代RAV4 EV开发锂电池系统。拿到丰田投资和工厂支持的特斯拉,却最终让圆柱锂电池异军突起。松下与特斯拉的合作,共同开创了圆柱形锂电池应用在纯电动汽车上的时代。

从2008年Roadster上的18650钴酸锂电池,到2012年Model S和2015年Model X上的18650镍钴铝电池,直至2017年Model 3上的21700电池,乘着特斯拉畅销的东风,松下连年来稳坐全球动力电池出货量的头把交椅。

2014年,特斯拉卖了超过3万辆的电动汽车。松下实现2.7GWh的动力锂电池出货量,其中特斯拉的圆柱锂电池占2.6GWh,在当年全球动力电池市。?1.9GWh)22%的份额。

特斯拉选择圆柱锂电池的最根本原因在于这种封装形式的锂电池已经有了超过20年的量产历史,工艺已经相当成熟,一致性也是最高的。但圆柱锂电池的劣势同样非常明显,即单体电芯的容量太。?苯拥贾滦枰?罅浚?000~8000颗)电芯组成模组和电池包,造成连接损耗和管理的复杂程度都成几何量级的增加。

以至于到了今天,中国搞电池包的同仁们都在感概:特斯拉的电池管理技术水平仍旧要领先国内好几年啊。

圆柱的命运取决于特斯拉的态度。未来,随着Model 3产能的彻底释放(周产5000辆的话,年产24万辆)甚至随着开放全球市场产生更多的销量,松下的圆柱锂电池将走向真正的辉煌:Model 3单车载电75kWh,24万辆即18GWh!

但松下和它的圆柱锂电池很有可能会被特斯拉抛弃,原因有二:

1)圆柱锂电池的电池包成本远高于方形和软包,而随着后两者在产品一致性和能量密度上无限接近前者时,圆柱的优势将不再;

2)据传言,松下已经就Model 3的产能为要挟,逼迫特斯拉接受21700电芯的涨价,引发马斯克大为光火。特斯拉已经开始和三星SDI接洽,商讨在Model Y上使用三星方形锂电池的事项。

3)从事物发展和商业发展的规律和本质来看,圆柱锂电池不是因车而生,只是新能源汽车发展初期,方形和软包工艺和技术不成熟时代的产物。而只有因车而生的两种动力锂电池形态,即方形和软包锂电池才会发展成主流。

                                                         第二篇 方形铝壳锂电池

三星SDI在1999年就进入到了锂电池领域,2000年的时候就开始布局动力锂电池,直到2008年,宝马开始布局新能源汽车i系列的研发,在全球考察遴选动力锂电池的供应商。三星SDI抓住时机跟博世合资成立了动力锂电池公司SB Limotive。博世和宝马有着半个多世纪的合作关系,是后者最重要的核心供应商。由此三星SDI由博世作为领路人成功进入德国车企的动力锂电池供应链。

之后,三星SDI又把成为大众(保时捷、奥迪供应商

德系车偏爱方形锂电池,源于德国人惯有的严谨和审慎。在一开始研发新能源汽车时候,德国人虽然对各类电池都不太了解,但在尝试阶段却死守一条基本的底线不放,就是一切都要为安全让路。德系车企认为将动力电池的安全风险降至最。?托枰?贸倒婕堆蟹⒑蜕杓频牟?,而他们认为圆柱锂电池和软包锂电池是不符合车规级的。实际上在之后的很长一段时间,方形锂电池都被认为是最适合电动汽车应用的电池设计。

2009年,宝马推出搭载三星SDI方形锂电池的纯电动汽车Megacity(i3的原型),之后i3在全球范围内受到欢迎,至此三星SDI才得以顺利打开动力锂电池市场。2012年SB Limotive解散,第二年三星SDI就和宝马签订长期合作协议,成为宝马核心供应商。

但让三星SDI苦恼的是,虽然拿下了BMW这样的顶级豪华品牌,但宝马在电动车领域却一直不肯有太大的动作,以至于多年之后能用的上动力电池的还只是i系列的两款车型。虽然之后又与克莱斯勒以及印度塔塔建立了合作关系,但也一直没有上量。

所以一直到2014年,三星SDI也只完成0.6GWh的出货量。只是另一个韩国同乡LG化学40%的体量。

2014年,占有全球动力电池市场最大份额的是方形锂电池电池,45%。

因为突起的中国市场。到了下半年,在一连串利好政策的强烈刺激下,中国的新能源汽车市场突然爆发。这一年中国新能源汽车获得了令所有人都瞠目结舌的暴涨,从2013年的1.76万辆一路飙升325%到7.48万辆,下游需求的猛增打得所有动力锂电池企业措手不及,以至于出现车企在电池厂门口排队抢电池的盛况。

但就是在这种情况下,中国依旧完成3.7GWh的动力锂电池出货量。这其中,方形电池占有几乎全部的市场份额。

这是由于中国政策在那个阶段给予了新能源商用车最多的政策倾斜,所以在当年商用车对动力电池贡献也是最大的。各大车企追逐政策红利,将产能最大限度的向新能源客车、货车和专用车倾斜。2014年,国内新能源商用车搭载动力锂电池的数量占市场总额超过70%,这就直接导致方形锂电池的爆发。

因为商用车(特别是客车)对动力锂电池包的容量要求很大,动辄数百Ah,圆柱电池显然满足不了这么大的容量,对于新能源汽车发展初期,在电池管理和模组技术上经验不足的中国车企来说,大规模使用圆柱电池显然是一项巨大的技术难关。同理,软包电池在内部胀气和外部穿刺的时候最容易漏液,对电池模组和电池包在安全方面的考量也最重,对于当时的中国车企来说也属于利用难度最大的。

所以方形动力锂电池,就成为那个年代中国车企的首选。

2014年,仅仅是供应自己的E6、秦、腾势和K9,比亚迪出货1.3GWh,排中国第一,全球第四。排第二的不是宁德时代,因为那个时候它只供应着北汽E150和华晨宝马之诺,当年出货量只有0.3GWh,全球排第十位,中国第五,位居比亚迪、国轩高科、中航锂电和力神之后。当年中国排名前五的动力电池企业,全部都是方形锂电池路线,而它们加起来的市占率接近70%。

方形锂电池最大的特点就是由于形状规整,与圆柱锂电池相比电池包的空间利用率高,由于有硬壳(铝合金外壳),与软包锂电池相比成组难度较小。

锂离子电池,经过或卷绕或叠加这两种不同的结构工艺完成内部组织的生产之后,在外壳封装的材质和形状上走了三条不同道路:圆柱、方形和软包。虽然本质上三种路线的电化学原理都一样,材料组成也基本相同,但就是这不同的封装形式和形状特征,决定了三种电池和背后生产厂商迥然的命运。

2013年,第二代普锐斯上市前夕,其电池包里的圆柱锂电池被换成了方形镍氢电池。丰田这么做的目的是为了优化电池包的内部空间,从而在很大程度上提升了系统能量密度。2017年1月,丰田宣布了一项世界纪录,旗下混动车型的全球销量突破1000万辆,其中含普锐斯将近400万辆(398.46万辆)。四年时间,仅丰田(或者说松下)一家的方形锂电池就完成了上千万组的装机量,但绝对的数量又不算大,因为每辆混动车里只有3~5kWh的动力电池。

                                                          第三篇 软包聚合物锂电池

LG化学是今天这个世界上唯一一家同时具备化学品和材料基础的电池公司,不仅可以实现部分三元材料的自给自足,其隔膜技术更是独步天下。LG化学在消费类电子的软包锂电池领域有着多年的积淀,为了充分利用电子设备的内部空间,更是研发出了世界第一款阶梯式和六角形软包锂电池。

2009年,LG化学将自家的软包电池应用到现代起亚的混合动力汽车上,由此正式进入动力锂电池市场。

2010年,通用正式推出了第一款量产新能源汽车雪佛兰Volt,整个通用集团对于这款寄予厚望的新能源车型配备的正是LG化学的软包锂电池。之后,包括雪佛兰的Bolt,福特的福克斯电动版,克莱斯勒的大捷龙电动版均采用的是LG化学的软包电池,整个底特律三大,几乎全部被LG化学所斩获。

美国车从一开始就走软包锂电池路线,是因为底特律人最为看重的是电动车的续航里程,所以就首选了能量密度最高的软包形式。软包电池外壳包装的材料是铝塑膜,铝塑膜和圆柱锂电池和方形锂电池的铝合金或不锈钢材质的外包装不是一个重量级选手。实际上,由于铝塑膜在轻量化上相对钢壳和铝壳存在绝对的优势,软包锂电池的重量较同等容量的钢壳电池要轻40%,比铝壳锂电池轻20%,因此软包电池在比能量上有着先天的优势。

同理,软包锂电池较同等规格尺寸的钢壳电池容量能够高出15%,较铝壳电池高10%,能量密度上占了很大便宜。

2014年LG化学拿下1.5GWh的动力锂电池出货量,位列全球第三。但还不是当年出货最多的软包锂电池供应商,因为AESC在那个时候处于风头正劲的状态。

2007年,日产和日本另一家电器巨头NEC合资成立了动力电池公司AESC,为了最快速度地实现装车,这家公司直接把NEC用在手机产品上的软包电池做到了符合车规级标准。2010年,全球真正意义上大规模量产的纯电动汽车日产Leaf一经推出变大受欢迎,到2014年年初累计销量超过10万,到2015年末超过20万辆。

2015年之前,每一辆Leaf上装了24kWh的电池,之后在欧洲和北美销售的车型升级到30kWh,在那个宁德时代还只有0.3GWh出货量的年代,动辄几个GWh的订单,就这样源源不断地向AESC飞来,让这家动力电池厂家一时风头无俩。

这成了软包电池最辉煌的年代,2014年全球前三,软包企业占了两席,软包占全球动力电池市场份额的33%。

软包锂电池拥有重量轻、电池容量大、安全性能好、循环性能好、循环寿命长、内阻小、整车适配性高、排布方式灵活这么多赤裸裸的优势。特别是由于体积和形状的灵活多变性,更是受到插电式混合动力车型的偏爱,通用、现代、雷诺-日产和沃尔沃旗下的插混车型,无一例外都是采用的软包锂电池(LG化学)。

软包锂电池先天具有的高能量密度和安全性,正好契合了未来市场对续航里程和汽车安全性这两项硬性需求不断提升的期待。

在当前现有的材料体系和技术条件没有质的突破之前,只能从不同的封装技术路线方面寻找突破口。虽然2020年实现单体300Wh/kg和系统250Wh/kg不是国家规定的硬性指标,但却是市场对动力电池厂商的真实企盼,更何况率先达到这一标准的,无疑就会抢占市场先机。而截至到现在的情况来看,在现有的材料体系之下,无论是圆柱还是方形达到单体300Wh/kg都是不可能的。而采用软包形式封装的三元锂电池是最有希望率先达到的。

这也就可以解释,为什么宁德时代、天津力神和国轩高科这三家承担国家新型锂离子动力电池项目的企业,都不约而同地选择了软包技术路线,来实现300Wh/kg的单体比能量的目标了。

自2010年推出以来,遍布全球的34万辆日产Leaf共计行驶了超过70亿公里,至今并未出现一起动力电池方面的严重事故,这可以从很大程度上验证软包电池的安全性。

 

                                                                                小结

固态锂电池将成为动力电池能量密度和安全性双提升的必经之路。

圆柱锂电池首先排除掉,因为圆柱只能采用卷绕结构,而极片和隔膜是不可能在固态锂电池电解液中实现卷绕的。

采用叠片结构的还有方形锂电池和软包锂电池,由于不再使用液态电解液,就没有必要再用方形硬壳进行封装保护了。

不要抱着到时候再临时把生产线改造一下的侥幸心态,因为锂电池生产的复杂程度可以说超出想象。虽然软包电池与方形电池的工艺在生产前段从搅拌到极片模切环节都基本一致,工艺差异主要集中在中后段,但如果你认为只要将后半段生产设备拆掉换成软包的封装设备,简单改造一下那是不可能的。因为动力锂电池是一个高度系统化的工业产品,讲究的是整条生产线上所有机器设备之间的配合。动力锂电池的生产是对整个生产链条的体系力的极大考验,包括软件、流程之间需要长期的配合与磨合,如果配合的不好,会直接导致电芯一致性差和良品率低。

动力锂电池行业里经常遇到这种现象,即同样的生产设备,同样的生产工艺甚至是原班不动的人马,生产出来的电芯产品的质量都差太多,这其中的奥秘就是生产工艺和流程的Know-How需要长时间的探索和磨合,并不是简单的一朝一夕之功。

所以国际电池巨头动辄有着十几甚至二十多年的生产经验,这正是松下、三星、LG们最重要的核心竞争力之所在。以至于业内流传一种说法,动力电池所谓技术上的差距其实六成以上在生产,材料方面的差距最多只占四成。

软包锂电池取代方形锂电池,本质上是电池应用上新能源乘用车不断取代商用车的过程。国内的新能源车市场从新能源商用车起步,所以在初期新能源商用车装机量占到七成以上的比例,而最适合于商用车的方形锂电池肯定直接受益。

新能源乘用车的装机量已超过60%,并且这一趋势还在将不断持续。而更适合应用在乘用车上的软包锂电池电池,就有了得以发挥的舞台。

点击次数:  更新时间:2018-10-22  【打印此页】  【关闭