xEV-NMC材料市場(chǎng)應用與技術(shù)開(kāi)發(fā)
圖為湖南杉杉能源科技股份有限公司研究院副院長(cháng)譚欣欣先生做主題演講
為了幫助企業(yè)客觀(guān)分析2016年動(dòng)力電池行業(yè)運行情況，正確把握行業(yè)發(fā)展趨勢，加大動(dòng)力及儲能電池的開(kāi)發(fā)應用，由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì )和電池中國網(wǎng)聯(lián)合主辦，雙登集團股份有限公司、壹能（北京）網(wǎng)絡(luò )科技有限公司共同承辦的“2016年第五屆中國電池市場(chǎng)年會(huì )暨2016年第一屆動(dòng)力電池應用國際峰會(huì )、2016年第二屆中國電池行業(yè)智能制造研討會(huì )”于11月14日在北京拉開(kāi)帷幕。本次年會(huì )聚集了來(lái)自政府主管部門(mén)領(lǐng)導、知名科研機構專(zhuān)家、新能源汽車(chē)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)鏈上中下游的企業(yè)家、投資機構代表以及媒體記者等500多人參會(huì )。
在本次會(huì )議上，湖南杉杉能源科技股份有限公司研究院副院長(cháng)譚欣欣做了題為《xEV-NMC材料市場(chǎng)應用與技術(shù)開(kāi)發(fā)》的專(zhuān)題報告，以下是根據速記整理的內容，未經(jīng)本人審核，僅供參考。
下面有請湖南杉杉研究院的譚欣欣副院長(cháng)，他報告的題目是NMC材料在新能源汽車(chē)市場(chǎng)應用于技術(shù)開(kāi)發(fā)的情況。大家歡迎！
譚欣欣：謝謝主持人！謝謝主辦方！作為動(dòng)力電池的上游企業(yè)，我的報告是關(guān)于一款高性能動(dòng)力三元材料的技術(shù)開(kāi)發(fā)與進(jìn)展。報告一共分為五個(gè)部分，其中前面三個(gè)部分是技術(shù)，我本身是做技術(shù)的，包括動(dòng)力電池對材料的要求，包括我們的一些工作以及我們的技術(shù)路線(xiàn)。第二個(gè)部分，其實(shí)是關(guān)于市場(chǎng)應用，還有我們的一些規劃，最后，是一個(gè)總結部分。
我簡(jiǎn)單羅列了一下目前動(dòng)力電池面臨的一些挑戰，我想今天上午和下午的報告里面談的也很多，有關(guān)于續航里程的400、500公里，有關(guān)于壽命可靠性10年甚至更長(cháng)，有快充的，有大功率放電的，有安全可靠的，有成本的。我想大家關(guān)注最多的可能都是在這五個(gè)方面。我們作為電池的上游廠(chǎng)家，也是電池里面最重要的一個(gè)原材料供應商，我們在一款材料設計的時(shí)候都會(huì )同時(shí)去考慮。具體來(lái)講，比如能量密度，我們會(huì )考慮不斷提升它的放電比能量，以及充電、放電電壓平臺、功率密度，我們會(huì )同時(shí)考慮功率密度和壽命。另外，日歷壽命，包括循環(huán)、副反應等等，包括成本在穩定可靠性能達標的情況下如何進(jìn)一步降低成本，包括安全性。我想一款高性能的動(dòng)力三元材料，并不是簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的突出其中的某一個(gè)系列或者兩個(gè)系列，如果說(shuō)有一個(gè)系列做不到，我想絕對不是一款好的正極材料。
針對上面的工作我們到底是怎么去做的，去滿(mǎn)足我們下游動(dòng)力電池廠(chǎng)的要求。第一，能量密度。我想電芯的能量密度換算成正極材料就是簡(jiǎn)單的數學(xué)層級，就是容量和電壓平臺，當然我這里不考慮富鋰錳基也不考慮高電壓磷酸鹽和其他的，我們只講現在大批量工業(yè)化的材料?？赡嫒萘糠矫?，有提升，電壓平臺方面會(huì )提升充電電壓，包括提升鎳含量。
這里面引發(fā)出來(lái)可能就有四個(gè)技術(shù)路線(xiàn)。第一，大家最為熟知也是最為普及用到的鎳含量提升的路線(xiàn)。每個(gè)電池廠(chǎng)可能跳過(guò)一兩個(gè)，或者611到622或者到333到532等等。第二個(gè)，中鎳高電壓開(kāi)發(fā)路線(xiàn)。第三，高鎳高電壓開(kāi)發(fā)路線(xiàn)。第四，高電壓LCO開(kāi)發(fā)路線(xiàn)。從右邊那個(gè)圖我們可以看得到，從能量密度的角度來(lái)講，就是隨著(zhù)鎳量的提升，整體能量密度會(huì )越來(lái)越高，當然電量的提升也會(huì )帶來(lái)提高，同時(shí)高電壓鈷酸鋰因為有電壓平臺和高的容量，整體重量比的密度也是比較高的。我這里具體不談哪一種路線(xiàn)好還是壞，我們要把這種可能性列出來(lái)。
第二，日歷壽命，是我們研究材料的時(shí)候考慮最多的一種性能。我這里主要談四個(gè)技術(shù)手段，一個(gè)是前軀體，一個(gè)是燒結工藝，一個(gè)是表現修飾，一個(gè)是體相摻雜，這些字眼對我們做材料的或者下游用材料的都不陌生。但是新的時(shí)間段、新的要求，背后所需要的技術(shù)點(diǎn)還是有很多不一樣的地方。比如前軀體的設計，這個(gè)是我們一個(gè)示意圖，左邊這個(gè)是一個(gè)SEM的示意圖，就是說(shuō)平面看過(guò)去它的顆粒是板條狀的，是均一的，右邊那個(gè)圖是一個(gè)剖面圖，要求他從中心往四周，是一個(gè)發(fā)散的?？赡苓@個(gè)看起來(lái)比較簡(jiǎn)單，但是要真正實(shí)現這種前軀，并不是說(shuō)簡(jiǎn)單的通過(guò)調幾個(gè)參數，或者濃度、溫度等等，是很難實(shí)現的。我們在這個(gè)方面是自己通過(guò)了一個(gè)特殊豐富的結構設計，來(lái)實(shí)現這么一個(gè)目標。
這是我舉的一個(gè)例子，這是一個(gè)811材料的前軀體，左邊是一個(gè)常規合成的前軀體，我們看這種剖面不是常規的發(fā)射狀的，是很實(shí)的，右邊是我們通過(guò)特殊的反應的結構設計達到這樣的效果，右邊的結果有序的實(shí)現它的結構最穩定的狀態(tài)，右邊看到是1.5安時(shí)的軟包裝的電池進(jìn)行了測試，45度，兩種不同的前軀體合成的材料在循環(huán)方面是有非常非常大的差異，這是我們前軀體的一個(gè)技術(shù)。
第二個(gè)，燒結工藝。燒結工藝其實(shí)就是一個(gè)實(shí)驗的過(guò)程，我想做過(guò)材料的人肯定都做過(guò)非常非常多的實(shí)驗，去把我們的最優(yōu)質(zhì)的找到，但是這個(gè)不是我們做研發(fā)的應該做的東西，左邊這個(gè)圖我們會(huì )發(fā)現，很難在一個(gè)條件下合成具有高容量的材料，又具有高的循環(huán)壽命，不管怎么做DOE實(shí)驗，不管把實(shí)驗設定的多么合理，不可能把這兩個(gè)條件同時(shí)實(shí)現，我們可以在同樣的合成條件下同時(shí)實(shí)現容量或者循環(huán)壽命的兼顧，使得我們在開(kāi)發(fā)一個(gè)材料的時(shí)候不會(huì )那么糾結，到底要容量高還是循環(huán)好，我們可以同時(shí)具備到，這是一個(gè)燒結技術(shù)。
另外是包覆，包覆的目的都很清楚，無(wú)非是讓表現比較穩定，讓壽命更加好，但是我想一款包覆技術(shù)，除了看效果之外，可能還要看穩定性，還有經(jīng)濟性，我們一直在著(zhù)力開(kāi)發(fā)一些干法包覆的技術(shù)，目前我們通過(guò)包覆原材料的選擇，包覆工藝的優(yōu)化，我們一樣可以實(shí)現甚至比濕法更好的包覆的分布效果，同時(shí)它的性能，綠色那根線(xiàn)是濕法的，紅色那個(gè)線(xiàn)是干法的，黑色那個(gè)線(xiàn)是機體的。
右邊一個(gè)圖是我們自己的一個(gè)研究成果，我們自己合成的一個(gè)添加劑，這種添加劑的目的是去吸取這個(gè)材料表面的一些參與的鋰，可能大家都比較清楚，做高鎳材料殘余比較高，常規的技術(shù)手段是用水洗的方式把表面殘余去掉，但是水洗除了穩定和成本，穩定和成本比較高的缺點(diǎn)之外，大問(wèn)題是會(huì )帶來(lái)容量和循環(huán)的降低，所以我們自己開(kāi)發(fā)出了一種特殊的脫離劑，能夠吸收材料里面的一些殘余的碳酸鋰和氫氧化鋰，達到同樣降低殘余的效果，提升膠固性能，同時(shí)不會(huì )帶來(lái)容量的損失，甚至還會(huì )帶來(lái)可逆容量的提升，這個(gè)技術(shù)被用到了我們811材料上面去，右邊這個(gè)圖可以看得到。
另外一個(gè)方面，體相摻雜，大家都比較清楚，我們在333用到了體相摻雜，從3%左右可以提升到98%，這個(gè)是我們已經(jīng)量產(chǎn)的一款材料。
功率密度，功率密度提升我們目前可以在材料密度方面做很多文章，可以合成像3.5微米這么小的一個(gè)前軀體，從而使得材料具有更好的功率性能，但是我們不能單純的去追求一個(gè)高功率，我們會(huì )針對這些高功率的材料去開(kāi)發(fā)一種特別的包覆技術(shù)，這個(gè)也是一個(gè)622材料，我們用4.3V和45度這么一個(gè)苛刻的條件去加速測試它，會(huì )發(fā)現小顆粒的材料經(jīng)過(guò)包覆之后一樣具有很好的循環(huán)壽命。右邊是一個(gè)應用效果。
剛剛我們也談到了前軀體的技術(shù)，這種前軀體的技術(shù)因為在燒結的時(shí)候使鋰的嵌入非常有序，所以對功率密度的提升也是比較顯著(zhù)的。另外，成本。成本的構成其實(shí)有三個(gè)方面，一個(gè)是鋰源、一個(gè)是加工費，其實(shí)前驅體的鋰源成本占80%、85%，這塊價(jià)格是相對公開(kāi)透明的。加工費這塊，我想我們作為上游企業(yè)如何把這個(gè)加工費盡可能做到最低，我想從三個(gè)方面談這個(gè)事情，一個(gè)是規模效應，一個(gè)是智能制造，另外一個(gè)是精益化生產(chǎn)。
這是我們目前的產(chǎn)能，今年我們的產(chǎn)能是4.3萬(wàn)噸，包括0.5萬(wàn)噸的前軀體，產(chǎn)能從明年到后年每年基本上會(huì )保持1.5萬(wàn)到2萬(wàn)噸的增長(cháng)，前軀體每年會(huì )保持1萬(wàn)噸產(chǎn)能的增加。目前我們產(chǎn)地有三個(gè)。
這是智能化制造，下面的圖片是車(chē)間的實(shí)景圖，下面是簡(jiǎn)單的工藝圖，今年年初的時(shí)候我們萬(wàn)噸的高能量密度鋰電高能材料也是成功入選了國家智能制造的項目，也是基于這個(gè)項目的背景，還有我們新車(chē)間的一些新設備的投產(chǎn)，機器人、在線(xiàn)檢測技術(shù)、ERP技術(shù)等等將會(huì )用到我們新工廠(chǎng)里面，實(shí)現無(wú)人化車(chē)間。第三個(gè)成本控制方面，是寧夏石嘴山，這也是為什么選擇寧夏石嘴山的原因，右邊的圖是2014年平均每個(gè)月的適度，有幾個(gè)原因。第一個(gè)，他的常年濕度是比較低的，基本上沒(méi)有超過(guò)30%的適度，非常有利于我們高鎳材料在生產(chǎn)的時(shí)候一個(gè)水分的控制和產(chǎn)品穩定性的控制。第二個(gè)，水、氣、人工成本比較低，因為石嘴山這個(gè)地方是產(chǎn)煤的，我們的電費相對便宜很多。另外，土地資源、西部大開(kāi)發(fā)的政策。第四，工業(yè)的輔料，工業(yè)比較充足，我們選擇寧夏石嘴山，可以講我們的加工費進(jìn)一步的降低。
第五方面，安全性。我想這個(gè)圖大家都不陌生，我們也在想，這個(gè)手機電池也是通過(guò)了很多的認證體系，而且我們了解到它的測試是3C里面最嚴格的，但是為什么會(huì )爆炸，我們有幾個(gè)想法，是化學(xué)體系、還是制造工藝，還是材料的可靠性？我們作為上游企業(yè)來(lái)講如何確保這個(gè)安全性能，這個(gè)是老聲常談的問(wèn)題。比如用DSC、ARC等等手段，去看一下最高溫度點(diǎn)、放熱量，以此判斷這個(gè)材料穩不穩定、可不可靠，甚至參加包覆磷酸鐵鋰，來(lái)去看這種材料到底能不能解決安全問(wèn)題，但是我們并不這么認為，我們覺(jué)得材料的一致性、穩定性、可靠性等等是確保材料安全性最重要的方面。
我們目前在整個(gè)622包括622以?xún)鹊牟牧隙家呀?jīng)完成了批量化生產(chǎn)，811體系目前我們是在中試階段，另外我們下一步開(kāi)發(fā)會(huì )開(kāi)發(fā)更高的622以及更高鎳含量的材料。這是一個(gè)簡(jiǎn)單的應用情況，時(shí)間有限我簡(jiǎn)單過(guò)一下，今年我們預計大概90GWh，鐵鋰的增長(cháng)目前高過(guò)三元的增長(cháng)。這是2016年全球正極材料的需求在20萬(wàn)噸，中國的需求預計在12.3萬(wàn)噸，占整個(gè)全球總量的61%，其中三元材料占到33%不到，右邊這個(gè)圖就是整個(gè)中國鋰電池正極產(chǎn)能的情況，今年的產(chǎn)能預計會(huì )達到15萬(wàn)噸，從2014年開(kāi)始產(chǎn)能出現了比較大的增長(cháng)。
我們看這個(gè)圖，其實(shí)大家都在談高鎳、都在談300Wh/kg，甚至400Wh/kg，我們看看現狀，最右邊這個(gè)圖是今年國內的一個(gè)動(dòng)力三元的需求情況，其實(shí)在動(dòng)力電池里面333體系是最多的，占到61%，532是34%，622僅僅只有5%，我們目前所談的最多的811不到1%，這是目前我們統計的今年國內的動(dòng)力三元材料的占比情況，這是去年整個(gè)全球正極材料的市場(chǎng)需求情況，我們是以11%的市場(chǎng)占比排名全球第一，右邊是我們統計的世界市場(chǎng)和中國市場(chǎng)的占比，中國市場(chǎng)我們占28%，我們可以看到這個(gè)競爭非常激烈。
我們是杉杉股份下面的一個(gè)子公司，叫杉杉能源，我們下面有兩家子公司，湖南杉杉新能源和寧夏杉杉能源，是2003年成立的。這個(gè)是整個(gè)杉杉股份打造的全產(chǎn)業(yè)鏈的新能源汽車(chē)，我們除了材料、正極、負極、電解液之外，我們會(huì )打造兩個(gè)循環(huán)系統，一個(gè)是動(dòng)力電池循環(huán)系統，還有新能源車(chē)運營(yíng)體系。在湖南杉杉我們有三個(gè)地方，一個(gè)是麓谷工廠(chǎng)，另外一個(gè)是寧鄉共享，主要做高端的3C材料，包括高鎳的811。這是寧夏石嘴山的情況，5000多的前軀體在這個(gè)月已經(jīng)投入使用。我們也在寧夏做了一個(gè)電池回收工廠(chǎng)的規模，已經(jīng)在建，我們會(huì )建一個(gè)動(dòng)力電池整個(gè)回收的車(chē)間，大概回收能力在2萬(wàn)噸，右邊是一個(gè)車(chē)間規劃圖。
最后講一下我的總結部分，第一，一款高性能動(dòng)力三元材料的開(kāi)發(fā)，我們覺(jué)得需要兼顧到各種要求，如果單方面的突出某一種性能和忽略整體考慮，我想是沒(méi)辦法滿(mǎn)足我們客戶(hù)要求的。第二，前軀體、燒結、包覆、摻雜這些技術(shù)看起來(lái)比較簡(jiǎn)單，其實(shí)有著(zhù)很多的實(shí)驗數據和理論支持，同時(shí)我們和電池廠(chǎng)的聯(lián)合開(kāi)發(fā)也是非常重要的。第三，高鎳，尤其是80%以上鎳含量的材料，在今年整個(gè)國內市場(chǎng)占比不到1%，可能622不到5%，高能量密度正極在國內的推廣使用我們認為還需要一定的時(shí)間，需要避免過(guò)多的炒作、引導、局部的過(guò)熱。第四，整個(gè)杉杉能源在去年正極材料全球市場(chǎng)占比第一，但是競爭比較激烈，后面我們主要的工作會(huì )圍繞三個(gè)方面，第一個(gè)是產(chǎn)業(yè)鏈布局，第二個(gè)是產(chǎn)能布局，第三個(gè)是電池回收規劃，我們做這個(gè)目的就是避免行業(yè)一些壟斷性的操作，追求一個(gè)可持續的發(fā)展。謝謝！
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