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星恒产研-篇章二:锂电池多元路线发展下的星恒探索

发布时间:2023-12-01 浏览:5827次


【导语】发明了尖端科技的人是伟大的,获得诺贝尔奖的人是伟大的,让高大上的科技进入寻常百姓家同样是伟大的。作为人类历史上最伟大发明之一的锂电技术 ,自其诞生之日起就深刻改变了人们的生活方式。值此星恒成立20周年之际,我们通过三篇产研特稿《历程篇》、《技研篇》、《应用篇》,回顾整个锂电行业的发展历程,来审视和梳理星恒一路走来的脉络,并展望锂电技术和应用的未来,进而试着去探讨:如何将锂电技术普及化,让更多的人享受到科技的成就,实现锂电的“科技平权”与普惠。







篇章二:技研篇



2008年,北京,595辆节能与新能源车以及50辆锂电池电动大巴穿梭于奥运村之中,其中有26辆装配星恒锂电池,这是新能源汽车在国内的第一次示范化应用,锂电池在新能源汽车领域的产业化曙光初现。


2010年,上海,超过1400辆新能源汽车以出租车、公交车和接待用车的形式,在世博场馆和周边运行,这是世界规模最大的新能源汽车的示范运行,其中装配星恒锂电池的新能源汽车达到200辆。


自上世纪70年代首颗锂电池诞生,到90年代开启商业化应用,再到如今大规模的产业化应用,锂电池技术水平正在稳步提升,动力锂电池呈现锰基、三元和铁基三大主流技术路线“三国演义”的竞争格局,并各自形成了自己的支持企业群落和技术研发生态体系。未来,作为人类历史上最伟大技术之一的锂电技术又将走向何方?



锰基电池 — 新型锂电池研发的重要突破点


1982年,萨克雷、古迪纳夫发明了尖晶石-锰酸锂正极材料,并于1983年首次发表于材料研究报告中。


1996年,锰酸锂电池在动力电池领域开启商业化应用,并成为第一代动力电池产品。


2003年,国内锰酸锂电池开始产业化。以星恒等为代表的企业,率先开发出材料性能优良、结构稳定、安全性良好、价格便宜的锰酸锂材料,由此全面开启了锰基电池产业化之路。


2006年,星恒首次将锰酸锂电池应用在电动轻型车上,不仅开启了电动轻型车的锂电化,更成就了高性价比的锰基电池与电动轻型车品类的高契合度。2019年锰基电池在电动轻型车锂电池市场占比超过40%,到2023年,这一数字已达80%,锰基电池在电动轻型车锂电第一大技术路线的优势愈发突出。


2008年、2010年,借助北京奥运会和上海世博会的机遇,锰酸锂电池被成功应用在电动大巴上。


在当前,随着产业化的持续推进,锰酸锂电池材料研发速度加快,改性锰酸锂使产品性能得到了大幅提升,通过锰酸锂材料与三元等其他材料的混合使用提升能量密度和循环寿命,是锂电池企业目前选择的重要技术路线。

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图:星恒锰系材料产业链


2010年,将锰酸锂与三元材料混搭使用的日产聆风纯电动轿车上市,全球累计销量突破50万辆,并迅速成为当时的全球销量冠军。得益于锰酸锂电池的高安全性,聆风纯电动轿车几乎没有发生过重大起火事故,与当时的大多数电动汽车有着显著区别。


2019年,星恒推出基于“锰酸锂+三元”的锰系多元复合锂材料的“超锂S7”技术方案。


2022年,星恒再次推出基于“单晶锰酸锂+磷酸锰铁锂”的第二代单晶锰酸锂技术方案,循环寿命高达3500+次,相比铁锂能量密度理论提升15%-20%,-20℃放出90%的电量,解决锂电池低温短板。星恒锰基复合锂产品不仅成为新国标时代的电动车锂电池绝对主力产品,更以领先的综合性能定义了轻型车锂电池的价值标准,目前已实现了近1000万组的应用。


锰基电池即将定义动力电池新格局


目前锂电池主要为液态锂电池,而液态锂电池能量密度已接近上限,在更高的安全性和能量密度要求下,固态电池应运而生。通过引入不可燃的固态电解质,可以本质上保证安全性,同时兼容高能量密度正负极,固态电池有望成为下一代动力电池的终极解决方案。


作为中国最早将锰酸锂规模化、普及应用的企业,星恒在锰酸锂固态化的技术路线上也走在行业前列。


2021年8月,星恒正式携手TIES(天目湖先进储能技术研究院有限公司)共同创立“双子星联合实验室”,双方将共同致力于“耐高温长寿命高安全的锰酸锂材料和电池技术开发项目”的探索与研究。 



该技术在星恒现有技术基础上,通过逐步导入纳米固态电解质、纳米硅碳负极、固态电解质复合隔膜等新技术,开发更耐高温、长寿命、本质安全的锰酸锂材料和电池技术,逐渐实现锰酸锂电池从液态到准固态,到未来争取实现全固态,从而显著提升锰酸锂电池的能量密度、循环寿命、安全性,同时发挥锰酸锂电池的低成本、高倍率、低温性能好的优点,研究成果将成为电动轻型车和电动汽车动力电池领域,具有强大技术经济性和产业竞争力的重要技术。


同年11月,星恒“准固态高温长寿命锰酸锂电池技术及产业化”项目获得安徽省科技进步二等奖。


2022年,由北京工业大学牵头,星恒作为课题承担单位的国家重点研发计划“储能与智能电网技术”重点专项低成本长寿命锰基储能锂离子电池与系统研发项目获批立项。



2023年3月,该项目启动暨实施方案论证会顺利召开,标志着项目正式进入实质性的研发阶段,将在锰基储能锂离子电池等方面推出一系列重大研发成果,为我国在中长期储能应用领域提供有力支撑。


近年来,随着材料改性技术的进步,锰基正极材料已经成为了动力电池研发的一个突破点。如性能媲美5系三元的无钴电池,即镍锰酸锂,就是一种改性锰酸锂,按锰镍比3:1的比例加入了镍,与锰酸锂同为尖晶石结构。未来电池材料的热门富锂锰基也是在锰酸锂的基础上研发起来的,克容量比高镍三元高50%以上。基于在锰基路线的20年坚守,星恒除了传统的锰酸锂正极材料外,还着眼于如磷酸锰铁锂、富锂锰基材料等新型锰基正极材料的技术研发和产业化。


锰基电池成就锂电科技平权


科技从来不是为了扩大世界的差距,而是要竭尽所能包容彼此的差异,不断地缩小差距,把最好的技术普及化,让每个人能够享受到科技的乐趣,实现大众化的“科技平权”与普惠。因此,性价比是消费者的永恒主题。


星恒的观点是,锂电企业需要把高高在上的锂电池做到足够便宜,让老百姓买得起。锰酸锂用锂量低于三元和铁锂,也没有钴镍等贵金属,是性价比最高的锂电池技术路线。基于此,2003年,星恒秉持“做让老百姓有幸福感的电池”的理念,自成立之初就确定了锰酸锂技术路线。


经过20年的发展,锰酸锂电池的性能在不断改善,循环次数得到极大提升,比如星恒的锰酸锂电池已经可以做到3500次循环,已有超过2600万用户使用星恒锂电池。


尤其值得一提的是,不同于锂电池在新能源汽车领域依靠巨额财政补贴进行推广应用,锰酸锂电池在电动轻型车锂电池领域的应用普及没有任何补贴政策,锰基电池纯粹依靠自身优势和纯市场化竞争打败了其他路线,成为了该领域的最优选择。这表明,锰基电池作为第一代动力电池,在大众化的领域中持续释放着生命力。


未来,星恒仍将秉持“做让老百姓有幸福感的电池”的理念,为消费者提供更具性价比的锂电池。在材料体系迭代优化的基础上做出性价比更高的电芯。迭代后的磷酸锰铁锂电池,也是从源头上确保星恒锂电产品具有行业领先的高性价比优势。


星恒坚信,产品越是迭代,就越要以更亲民的价格走入千家万户。



铁基电池 — 遭遇发展天花板 迭代进阶正当时


关于动力电池,市场上一直有三元锂电池和磷酸铁锂电池技术路线的争论,前者成本高但能量密度高、续航时间长,后者续航略差、但成本低且安全性高。


过去十余年,由于政策补贴、成本等因素,三元锂电池和磷酸铁锂电池的市场份额此消彼长。


铁锂三元之争 — 多轮反转下的拉锯战


2008年,北京奥运会上亮相了595辆节能与新能源车以及50辆锂电池电动大巴,这是动力电池在国内汽车上的首次应用。50辆电动大巴采用了锰酸锂电池,这条技术路线起源于日本,后来朝着更高能量密度的三元锂电池发展。其中装配星恒锂电池的26辆新能源车则使用了磷酸铁锂电池,这条路线在国内正式生根发芽,星恒也开启了铁基路线的进程。


2009年,星恒率先在海外市场实现突破。当年法国电动汽车MIA选择20余款电池进行检测,凭借优异的性能,星恒磷酸铁锂电池成为其核心供应商,并实现当年销售3000辆的佳绩。


在日韩发展朝向三元锂电池技术路线时,以美国A123公司为代表的磷酸铁锂技术路线开始兴起。随着2012年美国A123公司破产,三元锂电池逐渐在国际上得到广泛认可。但彼时,中国市场更看重电池安全性能,加上在中国电动车发展初期应用场景更偏向于商用车,因此很长一段时间内磷酸铁锂电池占据了主流。2016年,磷酸铁锂电池在国内占有率高达69%。


然而,2017年国家首次将电池能量密度纳入新能源汽车补贴政策参考指标,导致市场逐步向三元偏移。2018年,磷酸铁锂市占率首次被三元超越。2019年6月,三元市占率达到70%以上,占据绝对优势。


2019年,新出台的补贴政策淡化能量密度和续航指标,开启了以高安全性、低成本为导向的补贴政策新周期,使磷酸铁锂的价格优势得以凸显。另一方面,磷酸铁锂电池的性能得到极大提升,装机量迅速提升,再次占据市场主导地位。以星恒高能铁锂电池为例,通过十年持续研发,星恒完成铁锂材料的技术突破,高能磷酸铁锂材料提升循环寿命,复合导电剂与复合型人造石墨等新型材料提升低温性能,全方位改善传统铁锂的短板,成功运用到新能源汽车、储能、共享电单车、叉车等领域。


在技术上,目前,磷酸铁锂电池的能量密度已经接近“天花板”,材料本身性能难以大幅提升,正极材料亟需进行一轮新的技术迭代和升级,在新一轮技术升级中,磷酸锰铁锂作为磷酸铁锂升级版的技术升级路径最为明确。


磷酸锰铁锂产业化应用加速


磷酸锰铁锂,在磷酸铁锂的基础上掺杂一定比例的锰而形成的新型磷酸盐类正极材料。通过锰元素的掺杂,直击磷酸铁锂与三元电池的两大长期痛点,即能量密度高于磷酸铁锂,成本优于三元电池。


过去,磷酸锰铁锂受限于其较低的导电性能与倍率性能,商业化的进程缓慢。随着碳包覆、纳米化、补锂技术等改性技术的进步,极大改善了其导电性,多重优势使磷酸锰铁锂愈发受到市场青睐。


2022年,星恒推出基于“单晶锰酸锂+磷酸锰铁锂”的第二代单晶锰酸锂技术方案,在电动两轮车等低速车应用场景,星恒率先完成低比例磷酸锰铁锂产品的规模化生产和产业化应用。


2023年初,星恒携手数码品牌巨头纽曼,共同研发推出的新款户外移动电源产品-纽曼S系列,成为业界率先采用高性能磷酸锰铁锂材料的便携式移动储能产品,以超高安全性、超长循环寿命、超大容量和超级双向快充等多重优势,得到消费者的追捧。


2023年10月,星恒再次取得技术突破,独创的MFO锰铁氧化物前驱体合成技术,已获国家发明专利(专利号:ZL 2022 1 1230912.9;ZL 2022 1 1230914.8),并在国际发明专利上获得美、日、韩等多国受理。



星恒锰铁氧化物前驱体合成技术,突破磷酸锰铁锂电池性能瓶颈,使得材料导电性能相对于传统磷酸锰铁锂的合成工艺,提高达一个数量级以上。在该技术加持下,星恒研发制造的高比例(70%)磷酸锰铁锂电池可轻松实现常温4000次循环,高温1400次循环,能量密度可达190Wh/Kg以上,且拥有超强的低温放电性能。此外,前驱体MFO材料的原材料来源广泛且成本低,能够降低成品材料综合成本。 


现在,星恒正积极开展高比例磷酸锰铁锂在新能源汽车、家庭及商业储能、下一代电动两轮车锂电池方面的产业化应用,引领磷酸锰铁锂电池在新能源领域的应用风向。


随着磷酸锰铁锂产业化快速推进,对磷酸铁锂份额的替代将加速。根据中金公司预测,磷酸锰铁锂作为磷酸铁锂和5系三元的潜在替代材料,预计到2025年,磷酸锰铁锂对磷酸铁锂替代需求将达到56GWh,与三元复合搭配需求将达到28GWh,总体需求量约为84GWh。


在锂电材料体系不断更新、升级、迭代的同时,关于锂电池的安全与可靠性问题,一直以来都是新能源行业最为重视的课题。从锂电池近期发展来看,主要通过现有材料体系的迭代升级和结构革新来提升锂电池的安全性。



安全 — 永恒不变的主题


近年来,在锂电安全领域,各类国家标准、地方标准和行业标准不断出台,在政策层面为锂电池的使用安全保驾护航。


在企业层面,从材料到结构和工艺,锂电企业主要从技术上持续提升锂电池的安全等级,积极布局各项技术推动产业健康发展。以星恒为例:


在材料方面,星恒自成立之初就确定了安全性最高的锰基材料路线,以及经过不断改良、安全性大幅提升的高能铁锂路线,并在远期将锰基电池固态化,进一步提升安全等级。



在结构和工艺方面,星恒通过9重电芯安全设计、8大电池模组安全设计以及在制造和检测层面全过程严苛的质量管控实现电池的高安全性,实现了“20年0重大事故”,为锂电安全树立了最有说服力的品质背书。


星恒始终将安全放在第一位,用务实谨慎的态度对待每个产品。


锂电池是集能量密度、功率、高低温、寿命、安全以及成本等至少六个维度为一体的解决方案,我们需要的是综合性的全能型选手,而不是某方面很强,但其他方面偏科的技术,针对不同的应用领域,没有最好的技术,只有最适合的技术,因为只有最适合的才是最好的。


无论是目前的锰基、铁基和三元,还是更长远、拥有更高能量密度的锂硫、锂空电池,都值得包括星恒在内的所有锂电池企业去努力探索更实惠、更先进的技术路线,从而推动我国锂电池技术不断向前发展,并持续以超高的性价比实现锂电池的普及运用,让科技为人类造福。


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