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分析|韩国动力电池产业技术发展及启示

时间:  2020-06-29 14:25  来源:  电动学堂   作者:  Summer

韩国的新能源汽车和动力电池产业起步早、规模集中,并且政府重视核心零部件体系开发,从2014年开始推行以发展电动汽车(EV、PHEV)、混合动力汽车(HEV)以及氢能汽车(FCV)为核心的绿色环保汽车计划。截至2018年,共计生产环保汽车接近29万台。政府提出到2020年绿色环保汽车(xEV)保有量实现100万辆的目标,到2030年,所售1/3新车将是电动汽车或者氢燃料电池汽车,并占据全球新能源汽车市场10%的份额。

本文通过分析韩国动力电池产业的技术发展情况以及龙头企业的发展特征,研究韩国动力电池产业基于技术优势的“走出去”发展战略,为我国动力电池产业技术提升及国际竞争力加强提供启示和参考。

1、韩国动力电池技术路线图和全固态电池研究计划

1.1 动力电池技术路线图

2018年韩国电池产业协会制定了动力电池路线图以及四大关键材料路线图,分别从2018年、2020年、2023年和2025年4个阶段设定了电池单体、正负极材料、电解液及隔膜等相关技术目标,引导动力电池产业的发展。表1为韩国动力电池路线图。

分析|韩国动力电池产业技术发展及启示

正极材料路线图提出要开发能量密度高、稳定性能好的正极材料,到2025年正极材料的比容量将达到220mAh/g。表2为韩国动力电池正极材料路线图。

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负极材料路线图提出要开发硅碳负极材料以及金属系负极材料,改善循环寿命,到2025年负极的体积比容量将达到740mAh/cm3。表3为韩国动力电池负极材料路线图。

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电解液路线图提出要开发高电压、稳定性好的电解液材料,在氧化电压、电导率方面设定目标,到2025年电解液的氧化电压将达到4.8V。电导率δ(S/m),与电阻率ρ(Ω·m)呈倒数关系。表4为韩国动力电池电解液材料路线图。

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隔膜材料路线图在隔膜的厚度和热收缩率方面提出要求,到2025年隔膜的厚度将降低至14pm,热收缩率降至5%。表5为韩国动力电池隔膜材料路线图。

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1.2 全固态电池研究计划

韩国计划在2025年实现全固态电池商业化的目标。目前,全固态电池技术开发主要聚焦在全固态电解液的支撑体系,包括高离子电导性全固态电解液开发、电极界面接合技术,提高聚合物系、复合系、氧化物系固态电解液的稳定性技术,正负极与电解液界面电阻最小化的复合电极技术、10(-4)S/cm以上离子电导率的固态电解液技术等。

而全固态电池用正负极技术开发支撑体系则包括高电压/高容量正极及高容量负极技术,1000mAh/g以上高容量正极材料或者高电压(5V)正极材料技术,锂金属及合金系负极材料技术等。通过开发高容量的正负极电极,可以将电池的比能量提高到330Wh/kg(900Wh/L)以上。

2、韩国动力电池技术标准

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不同于中国动力电池标准的执行方式,韩国实行的是企业自我检测制度。韩国动力电池相关标准共11个,除电动客车用电池标准以外,其他均参考国际相关标准制定,主要内容与中国相关标准类似,但不具有强制性,如表6所示。韩国动力电池企业在国家通用标准的基础上又制定了多项企业内部的执行标准,这些标准的严苛程度以及细化程度远高于国家标准,企业投放市场的产品必须经过充分的试验和验证,这也为韩国动力电池企业的产品打开欧美汽车强国市场提供了有力的技术支撑。据统计,欧美排名前10的电动汽车生产厂家有9家都与韩国动力电池企业形成了合作关系。

3、韩国动力电池基于技术优势的“走出去”发展战略分析和启示

由于韩国新能源汽车市场规模不大,本土动力电池企业主要深耕欧美高端车企市场,实行“走出去”发展战略,例如LG化学公司与通用、大众等企业深度合作,三星SDI深度合作BMW等企业,SK则与奔驰合作紧密。从产品性能来看,LG与SKI开发的长尺寸大容量电芯,能量密度高,能够灵活匹配车型,适合乘用车的布置空间,受到国外车企的好评和青睐。

3.1 研发实力强,技术专利多

韩国动力电池龙头企业深耕研发领域,技术人员占比高,专利数量多。根据万象云网站的数据,截止2019年11月25日,LG化学在电池领域的专利检索结果为17906项,三星SDI为22765项。其中,三星SDI在方形电池针刺安全保护装置、过充安全保护装置、安全功能层和泄压装置等方面均拥有核心专利。

2017年LG化学、三星SDI、SKI等韩国主要电池企业在锂离子电池方面的研发投入分别为35亿元、28亿元、10亿元(同年我国的宁德时代在研发上的投入为16.3亿元)。

3.2 制造工艺先进,质量管控严格

LG化学采用可以实现电池内部死角空间最小化的新型层压工艺,并采用在电芯边缘灌胶的方式达到散热的效果;不断提高模组的空间利用率,通过减少组装用的薄铝板数量来提高模组的能量密度。与星SDI的方形电池生产线自动化程度达到100%,并且应用先进的制造执行系统,通过数以百计的测量检查点进行检查,实现分别跟踪,在汽车整个使用周期严控动力电池质量。

3.3 产品技术目标设定清晰

LG化学主要以NCM622掺杂LMO+石墨的化学体系为主,正极材料将发展为NCM712体系,811体系目前用于圆柱电池。计划于2020—2022年生产的电池单体比能量将达到300Wh/kg,体积能量密度将达到700Wh/L,可以满足整车500km的续航里程需求。2023—2024年比能量将达330Wh/kg,可以满足整车600km的续航里程需求。

三星SDI主要以NCM622+石墨的化学体系为主,也量产NCA+LMO的正极材料。公司将量产体积能量密度达到630Wh/L的3.5代产品,2021—2022年量产体积能量密度700Wh/L的第4代电池,2023年以后量产的第5代电池的体积比能量会达到800Wh/L。2015年星SDI的全固态电池试制样品已经可以达到300Wh/kg(采用硫化物类的固态电解质),而锂金属电池、锂空气电池主要处于实验室开发阶段。

2019年,SKI正极材料体系将NCM622升级为掺杂NCM811的体系,负极材料在2021—2022年将由石墨升级为硅碳负极。2020年电池的比能量目标为284Wh/kg,2021年为294Wh/kg,2022年有望达到314Wh/kg,随着硅碳负极的使用在2023年将达到319Wh/kg。

3.4 韩国动力电池产业技术发展战略对我国的启示

当前,中国和韩国已经成为世界主要的动力电池生产国家,得益于国内市场的贡献,中国的动力电池产量规模已经连续多年位居世界第一;但是,韩国动力电池产业的整体技术实力强于中国,尤其表现在行业龙头企业数量、产品质量以及合作的国外车企数量上,基于对韩国动力电池产业的技术分析,对我国动力电池技术发展有如下启示:

(1)加强技术研发创新:鼓励企业加大研发投人,培育和引进国内外动力电池领军人才,增加相关领域的专利储量,加快新型锂离子电池和新体系电池的研发进程;

(2)提升动力电池制造工艺:保证动力电池的高安全性、高合格率以及低成本和可追溯性。加快实现全工序的自动化和智能化,提升生产一致性和品质控制水平;

(3)积极与国外先进车企合作:国外先进车企的造车理念,尤其是在电动化的整车平台和车规级动力电池的技术要求方面对动力电池企业提出了挑战,积极与国外先进车企合作有助于我国动力电池企业加深对车规级动力电池技术的理解和研究,提高自身的技术水平;

(4)设定清晰理性的技术发展路线:尽早规划布局未来3~5年符合车规级的动力电池的材料技术体系,分层次稳步推进下一代动力电池性能的提升。
 

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