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【深度】特斯拉产业链梳理及锂离子电池材料全解

导读: 如果说松下电池为电动车的续航能力与快速加速提供了可能,那么特斯拉自主研发的电池管理系统将这种可能变成了现实。特斯拉BMS能够提供精确的电池健康状态预估技术、电池平衡管理技术、电池残电量管理技术、电池热管理技术、诊断与预警技术。

锂离子电池简析:特斯拉所使用的松下电池属于锂离子电池的一种。锂离子电池是一种二次电池(充电电池),它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中,Li在两个电极之间往返嵌入和脱嵌:充电时,Li从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极,负极处于富锂状态;放电时则相反。电池一般采用含有锂元素的材料作为电极。

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其主要优点有输出电压高(3.6V)、能量密度大、自放电小、循环寿命长无记忆效应、可快速充放电无有毒有害物质等。缺点是温度影响电池容量以及安全性能不好。目前主要应用领域为消费电子、电动交通工具、大型动力电源以及二次充电及储能领域。

特斯拉Model S专用的松下18650电池

18650是锂离子电池的鼻祖--日本SONY公司当年为了节省成本而定下的一种标准性的锂离子电池型号,其中18表示直径为18mm,65表示长度为65mm,0表示为圆柱形电池。

Model S所用18650电池是松下产的型号为NCR18650B三元材料电池,电容量约3.3mA,电压达到3.6V,能量密度高达243Wh/kg。

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在特斯拉的Model S上使用的NCR18650B比之前Roadster所使用的钴酸锂电池比能量高出三成,区别来源于结构的不同,它以镍钴铝三元材料为正极材料,以石墨为负极材料,以六氟磷酸锂为电解液。最终达到比能量更大,稳定性、一致性更好的效果。此外,单体电池尺寸小但可控性高,可降低单个电池发生故障带来的影响,即使电池组的某个单元发生故障,也不会对电池整体性能产生影响。

锂电池的构造多种多样,松下三元电池只是其中的一种,以下我们将主要从锂电池的五大核心部件详细解析锂电池。

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正极材料

正极材料决定了锂离子电池的主要性质,如能量密度、循环稳定性、安全性等。正极材料目前主要包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料等。目前来看,锂电池正极遵循着从二元材料向三元材料的发展趋势。松下NRC18650B的正极材料是镍钴铝三元材料,俗称NCA。

通过引入Ni含量可提高材料的容量,而松下NRC18650B正是提高了Ni含量(摩尔分数80%)从而使电池从原来的2.9Ah提高到了3.3Ah左右,能量密度大大提升。同时受益于三元协同效应,NCA正极材料综合了LiNiO2和LiCoO2诸多优点,性能比使用单一材料优越。而且,该材料用钴量较少,成本较低。

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从目前市场角度上看,磷酸铁锂和三元材料为国内最主流的两种正极材料,由于新能源客车对磷酸铁锂电池的需求量较大,磷酸铁锂的市场占有率更高一些,但三元材料以较为迅猛的势头逐渐发展,成为未来的趋势。

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无论是磷酸铁锂正极材料还是三元正极材料,都离不开碳酸锂。以特斯拉Model S为例测算一辆新能源汽车的碳酸锂当量需求:松下NCR18650电池单体重量44g,松下官网说明18650电池中正极材料重量占比20~35%,假设其正极材料在30%左右,则重量为15克左右。NCA化学式Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)xO2,经过测算x=0.845,分子量为87.5;碳酸锂分子式Li2CO3,分子量为74。按锂元素一比一,两者重量比是74:(87.5×2)=0.423:1。

可知其中1克锂钴镍铝三元正极材料需要0.423克碳酸锂。则生产一节18650NCA三元电池正极材料需要15*0.423=6.345g碳酸锂。一辆ModelS使用了7104节18650电池,折合碳酸锂当量=7104*6.345g=45.1kg,再加上电解液六氟磷酸锂对碳酸锂的需求和工业耗损,预计一辆ModelS对碳酸锂当量需求在60kg左右,折合耗用量为0.73kg/kWh。

按照同样的思路进行计算,我们估计松下三元电池的镍元素耗用量约为0.53kg/kWh。

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