xEV-NMC材料市場應(yīng)用與技術(shù)開發(fā)
圖為湖南杉杉能源科技股份有限公司研究院副院長譚欣欣先生做主題演講
為了幫助企業(yè)客觀分析2016年動力電池行業(yè)運(yùn)行情況，正確把握行業(yè)發(fā)展趨勢，加大動力及儲能電池的開發(fā)應(yīng)用，由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會和電池中國網(wǎng)聯(lián)合主辦，雙登集團(tuán)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年會暨2016年第一屆動力電池應(yīng)用國際峰會、2016年第二屆中國電池行業(yè)智能制造研討會”于11月14日在北京拉開帷幕。本次年會聚集了來自政府主管部門領(lǐng)導(dǎo)、知名科研機(jī)構(gòu)專家、新能源汽車動力電池產(chǎn)業(yè)鏈上中下游的企業(yè)家、投資機(jī)構(gòu)代表以及媒體記者等500多人參會。
在本次會議上，湖南杉杉能源科技股份有限公司研究院副院長譚欣欣做了題為《xEV-NMC材料市場應(yīng)用與技術(shù)開發(fā)》的專題報告，以下是根據(jù)速記整理的內(nèi)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，他報告的題目是NMC材料在新能源汽車市場應(yīng)用于技術(shù)開發(fā)的情況。大家歡迎！
譚欣欣：謝謝主持人！謝謝主辦方！作為動力電池的上游企業(yè)，我的報告是關(guān)于一款高性能動力三元材料的技術(shù)開發(fā)與進(jìn)展。報告一共分為五個部分，其中前面三個部分是技術(shù)，我本身是做技術(shù)的，包括動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。第二個部分，其實(shí)是關(guān)于市場應(yīng)用，還有我們的一些規(guī)劃，最后，是一個總結(jié)部分。
我簡單羅列了一下目前動力電池面臨的一些挑戰(zhàn)，我想今天上午和下午的報告里面談的也很多，有關(guān)于續(xù)航里程的400、500公里，有關(guān)于壽命可靠性10年甚至更長，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方面。我們作為電池的上游廠家，也是電池里面最重要的一個原材料供應(yīng)商，我們在一款材料設(shè)計(jì)的時候都會同時去考慮。具體來講，比如能量密度，我們會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，我們會同時考慮功率密度和壽命。另外，日歷壽命，包括循環(huán)、副反應(yīng)等等，包括成本在穩(wěn)定可靠性能達(dá)標(biāo)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力三元材料，并不是簡簡單單的突出其中的某一個系列或者兩個系列，如果說有一個系列做不到，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，去滿足我們下游動力電池廠的要求。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單的數(shù)學(xué)層級，就是容量和電壓平臺，當(dāng)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(xiàn)在大批量工業(yè)化的材料。可逆容量方面，有提升，電壓平臺方面會提升充電電壓，包括提升鎳含量。
這里面引發(fā)出來可能就有四個技術(shù)路線。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。每個電池廠可能跳過一兩個，或者611到622或者到333到532等等。第二個，中鎳高電壓開發(fā)路線。第三，高鎳高電壓開發(fā)路線。第四，高電壓LCO開發(fā)路線。從右邊那個圖我們可以看得到，從能量密度的角度來講，就是隨著鎳量的提升，整體能量密度會越來越高，當(dāng)然電量的提升也會帶來提高，同時高電壓鈷酸鋰因?yàn)橛须妷浩脚_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好還是壞，我們要把這種可能性列出來。
第二，日歷壽命，是我們研究材料的時候考慮最多的一種性能。我這里主要談四個技術(shù)手段，一個是前軀體，一個是燒結(jié)工藝，一個是表現(xiàn)修飾，一個是體相摻雜，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(shè)計(jì)，這個是我們一個示意圖，左邊這個是一個SEM的示意圖，就是說平面看過去它的顆粒是板條狀的，是均一的，右邊那個圖是一個剖面圖，要求他從中心往四周，是一個發(fā)散的。可能這個看起來比較簡單，但是要真正實(shí)現(xiàn)這種前軀，并不是說簡單的通過調(diào)幾個參數(shù)，或者濃度、溫度等等，是很難實(shí)現(xiàn)的。我們在這個方面是自己通過了一個特殊豐富的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，來實(shí)現(xiàn)這么一個目標(biāo)。
這是我舉的一個例子，這是一個811材料的前軀體，左邊是一個常規(guī)合成的前軀體，我們看這種剖面不是常規(guī)的發(fā)射狀的，是很實(shí)的，右邊是我們通過特殊的反應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到這樣的效果，右邊的結(jié)果有序的實(shí)現(xiàn)它的結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定的狀態(tài)，右邊看到是1.5安時的軟包裝的電池進(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技術(shù)。
第二個，燒結(jié)工藝。燒結(jié)工藝其實(shí)就是一個實(shí)驗(yàn)的過程，我想做過材料的人肯定都做過非常非常多的實(shí)驗(yàn)，去把我們的最優(yōu)質(zhì)的找到，但是這個不是我們做研發(fā)的應(yīng)該做的東西，左邊這個圖我們會發(fā)現(xiàn)，很難在一個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(yàn)，不管把實(shí)驗(yàn)設(shè)定的多么合理，不可能把這兩個條件同時實(shí)現(xiàn)，我們可以在同樣的合成條件下同時實(shí)現(xiàn)容量或者循環(huán)壽命的兼顧，使得我們在開發(fā)一個材料的時候不會那么糾結(jié)，到底要容量高還是循環(huán)好，我們可以同時具備到，這是一個燒結(jié)技術(shù)。
另外是包覆，包覆的目的都很清楚，無非是讓表現(xiàn)比較穩(wěn)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(wěn)定性，還有經(jīng)濟(jì)性，我們一直在著力開發(fā)一些干法包覆的技術(shù)，目前我們通過包覆原材料的選擇，包覆工藝的優(yōu)化，我們一樣可以實(shí)現(xiàn)甚至比濕法更好的包覆的分布效果，同時它的性能，綠色那根線是濕法的，紅色那個線是干法的，黑色那個線是機(jī)體的。
右邊一個圖是我們自己的一個研究成果，我們自己合成的一個添加劑，這種添加劑的目的是去吸取這個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(guī)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(wěn)定和成本，穩(wěn)定和成本比較高的缺點(diǎn)之外，大問題是會帶來容量和循環(huán)的降低，所以我們自己開發(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(dá)到同樣降低殘余的效果，提升膠固性能，同時不會帶來容量的損失，甚至還會帶來可逆容量的提升，這個技術(shù)被用到了我們811材料上面去，右邊這個圖可以看得到。
另外一個方面，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高功率，我們會針對這些高功率的材料去開發(fā)一種特別的包覆技術(shù)，這個也是一個622材料，我們用4.3V和45度這么一個苛刻的條件去加速測試它，會發(fā)現(xiàn)小顆粒的材料經(jīng)過包覆之后一樣具有很好的循環(huán)壽命。右邊是一個應(yīng)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?yàn)樵跓Y(jié)的時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的。另外，成本。成本的構(gòu)成其實(shí)有三個方面，一個是鋰源、一個是加工費(fèi)，其實(shí)前驅(qū)體的鋰源成本占80%、85%，這塊價格是相對公開透明的。加工費(fèi)這塊，我想我們作為上游企業(yè)如何把這個加工費(fèi)盡可能做到最低，我想從三個方面談這個事情，一個是規(guī)模效應(yīng)，一個是智能制造，另外一個是精益化生產(chǎn)。
這是我們目前的產(chǎn)能，今年我們的產(chǎn)能是4.3萬噸，包括0.5萬噸的前軀體，產(chǎn)能從明年到后年每年基本上會保持1.5萬到2萬噸的增長，前軀體每年會保持1萬噸產(chǎn)能的增加。目前我們產(chǎn)地有三個。
這是智能化制造，下面的圖片是車間的實(shí)景圖，下面是簡單的工藝圖，今年年初的時候我們?nèi)f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(xiàng)目，也是基于這個項(xiàng)目的背景，還有我們新車間的一些新設(shè)備的投產(chǎn)，機(jī)器人、在線檢測技術(shù)、ERP技術(shù)等等將會用到我們新工廠里面，實(shí)現(xiàn)無人化車間。第三個成本控制方面，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年平均每個月的適度，有幾個原因。第一個，他的常年濕度是比較低的，基本上沒有超過30%的適度，非常有利于我們高鎳材料在生產(chǎn)的時候一個水分的控制和產(chǎn)品穩(wěn)定性的控制。第二個，水、氣、人工成本比較低，因?yàn)槭焐竭@個地方是產(chǎn)煤的，我們的電費(fèi)相對便宜很多。另外，土地資源、西部大開發(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(fèi)進(jìn)一步的降低。
第五方面，安全性。我想這個圖大家都不陌生，我們也在想，這個手機(jī)電池也是通過了很多的認(rèn)證體系，而且我們了解到它的測試是3C里面最嚴(yán)格的，但是為什么會爆炸，我們有幾個想法，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)來講如何確保這個安全性能，這個是老聲常談的問題。比如用DSC、ARC等等手段，去看一下最高溫度點(diǎn)、放熱量，以此判斷這個材料穩(wěn)不穩(wěn)定、可不可靠，甚至參加包覆磷酸鐵鋰，來去看這種材料到底能不能解決安全問題，但是我們并不這么認(rèn)為，我們覺得材料的一致性、穩(wěn)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622包括622以內(nèi)的材料都已經(jīng)完成了批量化生產(chǎn)，811體系目前我們是在中試階段，另外我們下一步開發(fā)會開發(fā)更高的622以及更高鎳含量的材料。這是一個簡單的應(yīng)用情況，時間有限我簡單過一下，今年我們預(yù)計(jì)大概90GWh，鐵鋰的增長目前高過三元的增長。這是2016年全球正極材料的需求在20萬噸，中國的需求預(yù)計(jì)在12.3萬噸，占整個全球總量的61%，其中三元材料占到33%不到，右邊這個圖就是整個中國鋰電池正極產(chǎn)能的情況，今年的產(chǎn)能預(yù)計(jì)會達(dá)到15萬噸，從2014年開始產(chǎn)能出現(xiàn)了比較大的增長。
我們看這個圖，其實(shí)大家都在談高鎳、都在談300Wh/kg，甚至400Wh/kg，我們看看現(xiàn)狀，最右邊這個圖是今年國內(nèi)的一個動力三元的需求情況，其實(shí)在動力電池里面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(tǒng)計(jì)的今年國內(nèi)的動力三元材料的占比情況，這是去年整個全球正極材料的市場需求情況，我們是以11%的市場占比排名全球第一，右邊是我們統(tǒng)計(jì)的世界市場和中國市場的占比，中國市場我們占28%，我們可以看到這個競爭非常激烈。
我們是杉杉股份下面的一個子公司，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。這個是整個杉杉股份打造的全產(chǎn)業(yè)鏈的新能源汽車，我們除了材料、正極、負(fù)極、電解液之外，我們會打造兩個循環(huán)系統(tǒng)，一個是動力電池循環(huán)系統(tǒng)，還有新能源車運(yùn)營體系。在湖南杉杉我們有三個地方，一個是麓谷工廠，另外一個是寧鄉(xiāng)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多的前軀體在這個月已經(jīng)投入使用。我們也在寧夏做了一個電池回收工廠的規(guī)模，已經(jīng)在建，我們會建一個動力電池整個回收的車間，大概回收能力在2萬噸，右邊是一個車間規(guī)劃圖。
最后講一下我的總結(jié)部分，第一，一款高性能動力三元材料的開發(fā)，我們覺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，我想是沒辦法滿足我們客戶要求的。第二，前軀體、燒結(jié)、包覆、摻雜這些技術(shù)看起來比較簡單，其實(shí)有著很多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論支持，同時我們和電池廠的聯(lián)合開發(fā)也是非常重要的。第三，高鎳，尤其是80%以上鎳含量的材料，在今年整個國內(nèi)市場占比不到1%，可能622不到5%，高能量密度正極在國內(nèi)的推廣使用我們認(rèn)為還需要一定的時間，需要避免過多的炒作、引導(dǎo)、局部的過熱。第四，整個杉杉能源在去年正極材料全球市場占比第一，但是競爭比較激烈，后面我們主要的工作會圍繞三個方面，第一個是產(chǎn)業(yè)鏈布局，第二個是產(chǎn)能布局，第三個是電池回收規(guī)劃，我們做這個目的就是避免行業(yè)一些壟斷性的操作，追求一個可持續(xù)的發(fā)展。謝謝！
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