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什么是锂离子电池?

锂离子电池(LithiumIonBattery,缩写为LIB),又称锂电池。是指电化学体系中含有锂(包括金属锂、锂合金和锂离子、锂聚合物)的电池。一般锂电池分为液态锂离子电池(LIB)和聚合物锂离子电池(PLB)2类。

锂离子促进电动助力车具有以下几个因素:比能量高、循环寿命长、具有较宽的充电功率范围、倍率放电性能好。

锂电池发展概述

自1970年代埃克森的M.S.Whittingham采用硫化钛作为正极材料,金属锂作为负极材料,制成首个锂电池。直至商业化以来,锂离子电池不断攻城略地,已在便携式电器如手提电脑、摄像机、移动通讯中得到普遍应用。目前关于锂电池电解液主要用于手机、数码相机、手提电脑等电子产品以及矿灯,约占锂离子全部使用量的90%;已经独霸手机和手提电脑等高端市场,成为各类电子产品的主力电源。电子产品、矿灯等用锂电池的需求将保持每年10%的稳定增长。

锂电池技术原理

锂离子电池的工作原理其实就是指其充放电原理。

液态锂离子电池是指Li+嵌入化合物为正、负极的二次电池。电池正极采用锂化合物LiCoO2或LiMn2O4,负极采用锂-碳层间化合物。电池运用的反应方程式为:Li+MnO2=LiMnO2该反应为氧化还原反应,放电。(如右图)

当对电池进行充电时,电池的正极上有锂离子生成,生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构,它有很多微孔,到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中,嵌入的锂离子越多,充电容量越高。化学反应为:

同样道理,当对电池进行放电时(即我们使用电池的过程),嵌在负极碳层中的锂离子脱出,又运动回到正极。回到正极的锂离子越多,放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。此时负极发生的化学反应为:

锂电池结构组成

电池的主要由正负极、电解质、隔膜以及外壳组成

正极---采用能吸藏锂离子的碳极,放电时,锂变成锂离子,脱离电池阳极,到达锂离子电池阴极。

负极----材料则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物,如各种碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小球碳素等和金属氧化物。

电解质---采用LiPF6的乙烯碳酸脂、丙烯碳酸脂和低粘度二乙基碳酸脂等烷基碳酸脂搭配的混合溶剂体系。

隔膜---采用聚烯微多孔膜如PE、PP或它们复合膜,尤其是PP/PE/PP三层隔膜不仅熔点较低,而且具有较高的抗穿刺强度,起到了热保险作用。

外壳---采用钢或铝材料,盖体组件具有防爆断电的功能。

锂电池产品分类

锂电池大致可分为两类:锂金属电池和锂离子电池。

锂金属电池:锂金属电池一般是使用二氧化锰为正极材料、金属锂或其合金金属为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。

锂离子电池:锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。

锂电池行业市场分析

受下游新能源汽车及储能电池需求增长的带动,全球及中国锂电池产业近几年取得了快速增长。

根据中国传动网研究并统计,2016年全球及中国锂电池产值分别为1850亿元和1182亿元预计2020年产值分别将达到3436亿元和2165亿元。尤其是中国新能源汽车的快速发展,带动了动力锂电池的旺盛需求。

2016年中国动力锂电池市场规模达到780亿元相比2015年增长78.9%。预计2020年中国动力锂电池产业规模有望突破1600亿元。在此背景下,曾经的铅酸电池企业纷纷转向,开始加大在锂电动力电池领域的市场布局,目前,国内主要电池企业纷纷开展锂电领域的布局,有的甚至直接转向新能源汽车的开发。

全球锂电池市场规模分析

锂离子电池的工作原理其实就是指其充放电原理。

随着数码类电子产品和新能源动力类产品的得到广泛应用和普及,锂离子电池产业取得了快速发展,已经形成专业化程度高、分工明确的产业链体系,经过十多年的发展,全球锂离子电池市场快速发展壮大。

中国传动网调研统计数据显示,2016年全球锂电池电芯产值达到1850亿元,同比2014年增长17.80/。预计到2020年全球锂电池电芯产值将达到3436亿元。

近两年,全球3C锂电池市场日趋成熟,动力锂电池市场已经成为全球锂电池市场快速增长的最大引擎,而就区域市场来看,中国已成为全球锂电池发展最活跃的地区。

自2010年以来,全球锂电池总产量年均增长速度在25%以上,2016年全球锂电池总出货量达到115.4GWH,较上年同比增长21.1%。预计2020年,全球锂电池 出货量将达到265.7GWH,是2016年的2.5倍。(如右图表2)

其中应用于电动汽车、三轮车、电动自行车、独轮车等交通工具类的动力电池的出货量达到 30.02GWH,占锂电池总 出货量的三成左右。 2016 年,全球锂电池出货量达到 115.38GWH,其中动力锂电池 出货量将达到 45.33GWH,占比达到四成。(如右图表3)

在三种形状的锂电池电芯中,2015年,软包电芯与方型电芯产量相当,出货量均在34Gw日左右,均超过圆柱电芯,而圆柱电芯的需求量则为26.68GW日,占比约为280/。 随着新能源汽车市场的发展,未来对方型电芯的需求量将进一步扩大,预计2016年方型电芯将占据市场的四成左右。(如右图表4)

全球锂电池市场规模分析

新能源汽车的快速发展,带来了动力锂电池的旺盛需求,而在新能源汽车发展最迅速的地区,越来越多的中国锂电池企业开始跻身于全球锂电池前列。就锂电池企业市场规模来看, 2015 年全球锂电池前10家市场规模达到 1045.2 亿元,占全球锂电池市场的68%。从全球锂电池市场集中度来看,2016年TOP10集中度为 72%,相比2015 年的 68%提升 4 个百分点。 从企业来看,沃特玛取代AESC进入TOP10,宁德时代和比亚迪份额上升比较明显。

总体而言,全球锂离子电池产业经过十几年的发展,基本形成了中日韩三分天下的格局。中国、韩国、日本在锂离子电池市场的竞争中可以说是各具特色,三分天下的格局将维持相当一段时期。

作为全球锂电池技术的领导者,日本企业总体上将工作重心放在了下一代锂电池技术的开发上,日本企业认为,开发出能量密度达 600mAh/g 的有机化合物正极材料(目前能 量密度较高的钴酸锂材料也不过 150 mAh/g 左右)技术,还是不难办到的。如果能开发出离子电导率达 10-2S/cm 的固态电解质技术,也可以使锂电池的能量密度大幅度提高。

而近年来,韩国锂电产业由于发展定位不清晰,前几年发展出现反复,总体来看几乎停滞,在三国企业的“演义”中,迷失了方向,以至于本土的锂电市场都让日本企业占据着60%的市场份额。而最近几年,韩国锂电产业的发展目标已经明确了,那就是走中高端路线,和日本企业展开竞争。

相比韩国和日本,中国的优势可以归纳为三个方面:

首先,制造成本低。中国有价格低廉和丰富的劳动力资源,可以使用人力为主的半自动化生产线,从而采取低成本的竞争策略。可以说除了规模的扩张外,世界锂离子电池市场近年来价格的快速下降,基本来自于中国企业的拉动。

其次,中国有世界最大的消费市场。第三,中国已经形成锂离子电池相对完整的产业链,在锂离子电池材料的配套方面占有一定的优势。劣势方面,中国企业明显不足的是在核心技术开发方面,要想不受制于人和遭受侵权指控,技术上的创新仍是中国企业需要不断努力的。此外,中国企业普遍规模较小并缺乏国际化发展经验。

动力锂电池行业分析总结

锂电池应用技术有哪些

  • PC系列PLC
  • 传感器
  • 机器人
  • 台达AH500
  • 医疗设备
  • 兼容快充
  • 储能优势
  • 监测系统
  • 威科达
  • 涂布机技术革新

PC系列PLC在锂电池全自动制片机的应用

全自动制片机分为两种:全自动负极制片机和全自动正极制片机。本文以全自动负极制片机为例。经涂布分切制成的一定宽度规格的整卷负极片要经过下列工序成为锂电池负极片成品。每道工序都需要一个伺服控制,因此PLC控制系统需要提供5路伺服控制。此设备方案是PC2MU-64MT+PCM-20PG+2个16EYR。主机PC2MU-64MT自带3路100K高速脉冲输出,能够控制3个伺服;定位模块PCM-20PG带2路100K高速脉冲输出,能够控制2个伺服。便捷的定...

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从机灵的“纠偏专家”谈起——堡盟边沿检测传感器家属在锂电池制作装备上的应用

堡盟的ParConZADM034边沿检测传感器在东莞某电子厂的电池卷绕机上完成了完美的把持,凭仗其高精度和不乱的把持表现成了锂电池极片放卷工序中的“纠偏专家”。

凭借着高电压、高容量、寿命长、安全性高级优势,锂电池已成为了今日大部分电子数码产品使用的干流储能装置,市场对其数量和品格的必要也在不断提升。

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机器人在锂电池行业内的应用

在锂电池生产中的生产过程中,要把成品从生产线上自动取下来,送到检测处通过智能图像处理系统进行外观检验,然后把合格产品送入特定的包装容器内,把不合格的产品送入另一容器内需完成以下四个步骤。

一供料机构的组成及工作过程

二机器人型号及参数

三视觉系统简介

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台达AH500动力锂电池激光焊接生产线解决方案:

台达中型PLCAH500系列应用于动力锂电池激光焊接生产线。AH500系列采用DevicetNet远程I/O,并提供专用线缆和接线板,大大减轻了I/O配线的工作,并兼容众多厂家仪器、仪表,使I/O信号传送更加可靠;采用DMCNET总线型运动控制,通信速率达10Mbps,通信距离达15m,高效通信和简洁配线的同时,也能完成直线/圆弧插补、G代码、电子凸轮等运动控制,轻松实现锂电池焊接所需的各种轨迹运行;通过Ethernet网络将多台视觉及所需HMI和编程PC连至PLC,实现高效、长距离的通信与监控。

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锂离子电池为便携式医疗设备供能的优势

锂离子电池的工作电压比其它充电电池更高,通常约为3.7V,而NiCd或NiMH电池为1.2V。这意味着需要使用多节其它电池时,仅需一节锂离子电池即可满足使用要求。便携式仪器设计中使用的电池能量密度越高,其产品的体积越小,便携性也越好。电池组体积的缩小表示工程师可以利用多余空间,在同一产品中增添更多新功能。便携式医疗设备锂离子电池具有以下几个优势:

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锂电池能兼容各种快速充电吗?

1.验证快充手机/充电头的兼容性;

2.非原装充电器充iPhone6s的速度表现。

总结:①某些非原装充电头对iPhone进行充电会更快充满;②支持快充的手机需要使用到对应快充协议的充电器。

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锂离子电池在储能领域的优势

物理储能,抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等。相比化学储能来说,物理储能更加环保、绿色,利用天然的资源来实现.抽水蓄能、压缩空气储能具有规模大、循环寿命长和运行费用低等优点,但是需要特殊的地理条件和场地,建设的局限性较大,且一次性投资费用较高,不适合较小功率的离网发电系。

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锂离子动力电池组的监测系统设计与实现

设计了基于TMS320LF2407A的监测系统,提出了分散数据采集与集中数据处理的方案,给出了电池监测系统电压、电流、温度采集的软硬件方案,搭建了单体电池数目可达8节的电池监测系统底层采集模块框架...

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威科达锂电制片机张力伺服控制系统

系统组成:HMI+PLC放卷轴专用伺服驱动器+主牵引伺服

系统优势:

1、加减速或急停急起时,张力摆幅小。

2、用伺服的专用算法计算卷径,系统简捷高效。

3、效率较传统控制方法提高1倍。

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锂电涂布机技术革新——伺服间歇阀的应用

挤压式涂布机的核心部件之一是间歇控制阀。挤压式涂布机实现间歇涂布的功能,完全靠间歇阀的控制实现,而间歇涂布的尺寸精度、涂布厚度的纵向一致性控制,也都靠间歇阀的控制、调节精度来保证。

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锂电池生产设备市场分析

锂电池设备市场情况

目前,我国在锂电设备中后端制造生产方面技术领先,已接近国际先进水平,价格方面优势明显,但中后端设备技术壁垒较低,工艺简单,前端设备则相对技术要求高,对整条生产线质量有举足轻重的作用。前端设备的国产化进程正逐步加快,高压电容器卷绕机国产化率或达到70%。

1、未来锂电设备行业将受动力锂电池行业增长及国产化率提升拉动。

2、补贴退坡有利于行业洗牌,传导到锂电设备行业将利好一体化及高端化的企业。

锂电池设备行业的技术特点

(1)将锂离子电池的生产工艺技术、参数融入到设备的设计和制造之中,使设备成为有能力实现电池厂商独特工艺、技术的专用设备;

(2)国内锂电设备精度低于国外先进设备,部分设备稳定性有待进一步提高;

(3)根据客户订单及技术参数安排生产,批量生产可能性较小;

(4)行业内锂电设备行业标准以及相关的技术体系实施不完善;

(5)行业内部分企业缺乏知识产权保护意识,存在一些仿制现象,部分企业缺乏自主研发能力。

中国锂电池生产设备行业环境分析

  • 搅拌机市场
  • 涂布机市场
  • 卷绕机市场
  • 叠片机市场
  • 组装设备市场
  • 电化学市场

前段-搅拌机市场

2015-2016年增速较快的主要原因是:

1)各大动力电池厂在扩产如,沃特玛、CATL、国轩、力神、亿纬、 南都等;

2)新进入动力电池企业增多,需要采购新设备如,骆驼、湖南三迅、横店东磁等;

3)动力电池性能要求较高,对搅拌机需要更高速稳定密封型(真空搅拌机),因此一些企业对设备进行更新换代如,比亚迪、南都、微宏等。

由于动力电池的产量较大,更趋向于购买容积偏大的搅拌机,从而提高生产效率。大容量搅拌机(如500L以上)使用的核心源器件较小容积的搅拌机要求更高,因此价格也高出很多。

前段-涂布机市场

涂覆隔膜发展迅速。涂覆隔膜是指通过涂布机把陶瓷胶料或PVDF涂覆在隔膜上的一种隔膜,它具有更高的耐温性能、韧性,在加工涂覆隔膜时需要应用涂布机。

涂布机将依靠动力电池的迅速扩张而实现出货量的快速增长,同时精度更高、速度更快的挤压式涂布机的占比会越来越大。新能源汽车终端对动力电池的需求越来越高,因此对设备、工艺提出了新的需求。

中段-卷绕机市场

全自动卷绕机的价格远高于半自动,早期由于技术发展较晚,国内老的卷绕机设备以半自动为主,近年来随着电池厂商扩产,及对加工工艺要求提升,全自动市场份额逐年上升,2016年全自动卷绕机出货量占比达60%以上。

中段-叠片机市场

2013-2016年上半年,普通型叠片机产值增长有限,而全自动叠片机产值增长较快,主要是随着新能源汽车市场的爆发,终端市场对动力电池的续航、安全性要求越来越高,而全自动叠片机在生产过程中对产品的稳定性、一致性等性能有很大的提升。

中段-组装设备市场

锂电池组装环节所有的设备是在传统产品的基础,根据锂电池行业的特 性进行改造、定制,属于非标产品。

由于锂电池组装设备市场容量小、对精度要求高、产品的通用性差、对下游电池厂商依赖性大,传统设备厂商 较少进入组装环节。

专门生产焊接机、注液机等设备的企业较少,通常是其他环节的设备企业在业务开拓时进入组装环节,如吉阳自动化生产部分注液机、新嘉拓自动化生产部分极耳焊接机。

后段-电化学市场

在锂电池生产后段电化学设备市场中,化成柜的售价高、需求量大,化成柜的投入占锂电池生产线的27%以上,是投入最大的设备环节。 目前对电芯企业提出免费安装实验室检测的要求。锂电池检测设备的购买群体主要有:锂电池生产企业、充电 站、锂电池使用企业(如电动汽车整车厂商)。

国内外重要供应商

国外重要供应商产品 国内国重要供应商产品
  • 德国博世(锂电池)

    博世已开发出不含液体电解质的锂电池,这款电池不需要冷却系统,并且不像传统的锂电池存在起火风险。博世锂电池比同级别镍镉电池重量轻40%,有效减少疲劳感。博士快速充电技术配合锂电池自放电极小的特点,确保高效的工作。2014年,德国博世收购了美国加州的新兴公司Seeo。Seeo公司有领先的电池技术,特别是新型的固态电池。

  • 三星SDI(棱柱电池)

    一个模块由多个电池单元通过串联和(或)并联连接在一起, 装在一个机械外壳中。由于三星SDI的棱柱电池的设计紧凑、可叠放,容易实现电池的模块化,做各种其它各种配置也非常理想。 电池组由多个模块组装在一起,互相串联或并联,包括传感器和控制器的电池管理系统和热管理系统,最后组装在一个外壳中,根据特定汽车型号设计的最终电池产品。

  • LG化学(三元锂离子电池)

    LG化学以石油化学、信息电子材料、二次电池等三个事业为中心,韩国LG化学研发的三元锂离子电池,该电池单元采用层压型设计,共配备了192个电池单元。为了提高散热性,以两个层压型单元为一组,在这两个单元之间配置散热板,制成“单元群”。

  • 松下(锂电池)

    松下是特斯拉电动汽车的独家锂电池供应商,也是世界知名的电池制造商。特斯拉的电池组件相对便宜(虽然可以找到更便宜的锂电池,但是功率及热性能不是很好)。据悉目前双方正在美国建设面向纯电动汽车蓄电池的超级工厂,通过提升电池技术和分摊电池规模化生产成本来进一步降低电池的整体成本。

  • AESC(锂电池)

    ESC是日产汽车和日本NEC的合资公司,与镍氢电池相比,AESC的锂电池可提供近两倍的电力容量,而其独特的层压式结构,也让锂电池模组的体积更为轻巧实用。 同时,NEC开发的锰金属制成的电极,拥有更佳的稳定性,片状结构也有助于散热效能。据悉,在真车行驶实验中,不但电池的安全性得到了验证,还实现了行驶100000公里以上的超长使用寿命。日产Leaf(聆风)采用了AESC的电池,其电池单元在日本座间工厂生产,之后运到追浜工厂组装成电池包。

  • 江森-萨福特JohnsonControls-Saft(锂离子电池)

    美国江森-萨福特(JohnsonControls-Saft)由美国江森自控和法国Saft公司合资组建,主要从事锂离子汽车电池的开发和制造,工厂位于法国那萨科(Nersac)。福特的锂离子电池拥有很高的能量密度、更大的电力效率,使发动机舱内的布局和主要内部空间保持不变,而更轻的重量也可以使整车前后重量分配比更容易达到最优。

  • 比亚迪

    比亚迪是全球第二大和国内最大的动力电池生产商,一直坚持磷酸铁锂电池的技术路线,是全球磷酸铁锂电池的技术的领导者。例如“秦”所搭载的磷酸铁锂电池,这种电池在600℃高温下结构依然稳定,其安全性比普通手机和笔记本搭载的钴酸锂电池要安全得多。即便出现异常情况,车辆的漏电保护系统也会启动,车辆会自动断电。

  • 力神

    天津力神电池股份有限公司是一家国有控股的混合所有制高科技企业,创立于1997年,注册资本12.5亿元人民币。具有30亿瓦时锂离子蓄电池的年生产能力,国际高端市场占有率位居全球锂电行业前列。2016年力神电池在三元材料动力锂离子电池销售量方面进入前三强,在动力锂离子电池销售量和动力锂离子电池销售收入方面均进入前六强,发展势头喜人。

  • 国轩高科

    国轩高科,前身东源电器,2015年国轩高科借壳转身,成为上市公司中动力电池最纯正的龙头,主要产品为磷酸铁锂动力锂电池,产能加速布局,产业链逐渐延伸,三元材料亦重视布局,一匹健壮白马。 国轩高科动力电池业务正处于由磷酸铁锂向三元转型的关键时期

  • 沃特玛

    沃特玛总部位于中国深圳,是国内最早成功研发新能源汽车动力电池并率先实现规模化生产和批量应用的企业之一。沃特玛的电池材料技术路线以磷酸铁锂为主,三元锂电池、钛酸锂电池等材料路线也有技术储备。沃特玛的动力电池现在主推快充模式,单体电芯可满足6C

  • 宁德时代

    宁德时代乘着新能源汽车的东风,六年时间不到,便一路高歌猛进,市场估值已经超过840亿,几乎可以说是一个奇迹。宁德时代2016年电池产量达到6.8GWh,位列国内第2位、全球第3位;今年上半年,更是凭借20.98%的市场占有率,超过了此前位居第1位的比亚迪。

  • 光宇

    珠海光宇注册资金4.71亿元,是光宇国际集团科技旗下专门从事锂电池研发、生产、和销售于一体的企业,主导产品为聚合物锂电池。公司客户定位高端市场,广泛应用于手机、笔记本电脑和无人机等领域。作为国内聚合物锂电池龙头企业,珠海光宇的业绩在近年来保持持续增长趋势。

新能源动力锂电池趋势与发展

新能锂电池产业链上游为锂矿产资源,中游为锂电池材料、电芯生产、电芯生产装备、锂电池检测系统提供商和锂电池组装企业,下游主要是锂电池配套应用领域,包括3C产品、电动工具、电动自行车、新能源汽车、储能等行业。

伴随着我国新能源汽车产销爆发式增长,与新能源汽车“休戚相关”的锂电池迎来了“黄金时代”。但也不能免除新能源动力电池高端供应不足导致产能过剩。

根据中国汽车工业协会数据显示,2016年新能源汽车销售50.7万辆,同比增长53%。由于新能源汽车市场的持续高增长,动力电池产能一直存在缺口,供应不足,甚至一度出现“新能源整车企业销量由电池企业的产量决定”的现象。从3月开始,各企业就已经开始放量生产,7月产量超过1万辆,环比6月大幅上涨,同比暴增140%之多;1-7月累计产量突破了2.2万辆,远超历史水平,新能源专用车的累计产销分别完成22960辆和12468辆。预计今年新能源专用车产量达到8-10万辆的可能性比较大。

到2020年,新能源动力电池行业总产能将超过100G瓦时,形成产销规模在40G瓦时以上、具有国际竞争力的龙头企业。关于能量密度,工信部要求:新型锂离子动力电池单体比能量超过300瓦时/公斤;系统比能量力争达到260瓦时/公斤、成本降至1元/瓦时以下,使用环境达-30℃到55℃,可具备3C充电能力。到2025年,新体系动力电池技术取得突破性进展,单体比能量达500瓦时/公斤。2017年三元电池将是技术主流和发展趋势,特别是在乘用车应用领域。

锂电池检测系统未来市场需求将高速增长。2014年全球锂电池检测系统市场需求为44亿元人民币,我国市场需求约为26亿元人民币。预计2018年全球锂电池检测系统市场需求为120亿元人民币,我国市场需求约为65亿元人民币。锂电池应用领域的不断拓展和行业技术的进步,锂电池检测系统向节能、高效率、高性能、高精度、智能化方向发展。