导读(dú)
新能源汽车退补,磷酸铁锂卷土重(chóng)来(lái),市场份额(é)越发扩大,上游(yóu)材料六氟磷酸锂价格暴涨。如果没有(yǒu)当初的补贴政策,现在中(zhōng)国(guó)市场上的格局如何?比亚迪是否(fǒu)能维持第(dì)一?宁德(dé)时代是(shì)否还(hái)有现在的江湖?同时(shí)磷酸铁锂电池已不再是当初的(de)磷(lín)酸铁锂电池,顺着技术进步,从(cóng)磨刀霍霍的刀片到喜(xǐ)气洋洋的L600“6条”,从结构到性(xìng)能上不断提升;而三(sān)元亦非当年的523,已(yǐ)经622、811甚(shèn)至955了,形态也(yě)从苗条的18650到胖(pàng)乎乎的(de)4680或者从方头方脑的VDA355到MEB590直至(zhì)CTP、CTC了。仔细(xì)分(fèn)析(xī)研究后发现这些技术创新大致可(kě)分两类:1、结构与系统集成的创新;2、材料(liào)创新。上一篇我们谈过结构与(yǔ)系统(tǒng)集成的(de)创新(xīn),这里我们专门讲材料的创新发展。
动力电池通识
在描(miáo)述(shù)材料技术发展路(lù)线之前,我们先说明一些通用知识,以方便非本专业的(de)读者了解以及对后文表(biǎo)述的理解。
电池主要材料(liào)为正极、负极、隔膜、电(diàn)解(jiě)液(yè)。正极决(jué)定了材料(liào)体系(xì),日常(cháng)提到的磷酸铁锂LFP等均是说(shuō)正(zhèng)极材料(liào)的(de)主要组成材料,比如国内企业常见的NCM三元体系是指镍(Ni)、钴(gǔ)(Co)、锰(Mn)等金属元素的聚合物电池,NCM523意味着三种元素的比例关系为50%:20%:30%;负极(jí)起着能量的储存(cún)与(yǔ)释(shì)放作用,目前主流为石(shí)墨材料;隔膜(mó)保证了锂(lǐ)离子正常穿梭、不让正负极接(jiē)触(chù)而短路,同时决定着电池(chí)的充放电、循环(huán)寿命(mìng)、倍率等性(xìng)能;电解(jiě)液是电池中离子(zǐ)传(chuán)输的载(zǎi)体,锂电(diàn)池主要(yào)使(shǐ)用的电解质有高氯酸锂、六氟磷酸(suān)锂等。对车用动力电池来说(shuō),主(zhǔ)要发(fā)展(zhǎn)在于以保障锂电池的安全性为前提,提(tí)升能量密度、低温(wēn)放电、快(kuài)充、循环寿命(mìng)等性(xìng)能(néng)指标。
目前(qián)一(yī)般A级纯(chún)电动车(chē)带电50kWh左右,未来(lái)大部分电动(dòng)车一定会配备相当程度的智能系统(tǒng),推算(suàn)纯电动乘用车Pack电量要求会提(tí)升,2025年每辆车搭(dā)载75kWh以上,2030年每辆车搭载75-115kWh。未来汽车的智能系统(tǒng)部分还会提升对电量要求,电池成本又要在整车中占比下降至(zhì)40%以下,也就是说相同的续(xù)驶里程,未来价(jià)格(gé)应为现有价(jià)格的一半左右。正是因(yīn)为这些商业(yè)成功的因(yīn)素左右,动力电池技术一直不断在创新(xīn),创(chuàng)新将(jiāng)会(huì)伴(bàn)随(suí)始终(zhōng)。市场中的各路玩家(jiā),想(xiǎng)要走得更远,享受新能源汽车市场(chǎng)中诱(yòu)人(rén)的份(fèn)额,成本控(kòng)制的功课时刻考(kǎo)验,目前头部企业也必须跟上材料体系的创(chuàng)新。仔细研究后(hòu)发现这些年(nián)动(dòng)力(lì)电池除(chú)了结构(gòu)与系统集(jí)成的(de)创新外,材料主线依然是磷酸(suān)铁锂VS三元(yuán)锂以及少(shǎo)钴无钴(gǔ)化趋势,其他钠电池、固(gù)态电(diàn)池等都(dōu)刚刚(gāng)从(cóng)中试走(zǒu)向批量阶段,商业化成熟还需各自的生态(tài)体(tǐ)系建设和市场验证(zhèng),可以做其他专题来分(fèn)解。
磷(lín)酸铁锂(lǐ)电(diàn)池VS三元锂电
从2009年新(xīn)能源汽(qì)车发(fā)展至今,12年(nián)期间,三元(yuán)锂电池和磷酸铁锂(lǐ)电池一(yī)直是(shì)相爱相杀。说其相爱是(shì)因为两种技术路线一(yī)直在共同成长,说其相杀是(shì)因为两种(zhǒng)路线在成长(zhǎng)过程(chéng)中是此起彼伏(fú)的关(guān)系(xì)。今年(nián)来磷酸铁锂(lǐ)电池一路(lù)攻城陷地,自(zì)7月首次交叉之(zhī)后,磷(lín)酸铁锂与三元锂电池的装机量剪刀差就不(bú)断扩大,到2021年10月(yuè),我国(guó)动力电池装机量(liàng)达(dá)到(dào)15.4GWh,其中三元锂装车(chē)7.0GWh,磷酸(suān)铁锂(lǐ)装车8.4GWh,占比分(fèn)别为45.5%和54.5%,而在2020年,磷酸铁锂的占比仅有16.3%。作(zuò)为动力电池(chí)最核心的(de)两条技术路(lù)线,三元锂(lǐ)和磷酸铁锂在中国市场已绞杀多年(nián),并且轮流坐(zuò)庄。
2021年以(yǐ)来两(liǎng)种动力电池装机量变化
对此有很多(duō)人从政(zhèng)策、成(chéng)本等角度进行了分(fèn)析(xī)并对未(wèi)来(lái)做出预判(pàn)。作(zuò)为动力电(diàn)池行业的(de)实践与研究者,笔者曾经在工作(zuò)经历中使用磷酸铁锂电(diàn)池大批量装车(chē)并负(fù)责运营,也曾经(jīng)从公司实际经营角度果断(duàn)叫停(tíng)磷酸铁锂全面(miàn)切换(huàn)三(sān)元(yuán)锂电池主攻乘用车(chē)并取得(dé)很好业绩。本文尝试(shì)着从政(zhèng)策(cè)、成(chéng)本、电(diàn)动车发(fā)展趋(qū)势、技术进步(bù)、企业经(jīng)营等多维(wéi)度进(jìn)行解读。
政策层面:磷(lín)酸铁锂电池自2008年起,就凭借其成本相对较低(dī)的优势在我国动力电池市场中占据了主流地位,2016全年磷酸铁锂电池凭借19.98GWh的装机量曾一度拿下73%的(de)市场(chǎng)份额。2016年后国家颁布了新(xīn)能源补(bǔ)贴政(zhèng)策,将能量密度纳入考核,然后才(cái)有(yǒu)能量密度更高的三元锂电池强势崛起,在2018年的动力(lì)电池装机量上,三元锂电池以58.17%的份额(é)首次实现超越,而磷酸铁锂该年度占比则(zé)跌落至39%。
综(zōng)合(hé)成(chéng)本层面:在价格方面,当下NCM811三元(yuán)锂电(diàn)池的(de)未(wèi)税价要0.9-1.0元/Wh,而磷酸铁锂电池未税价是0.6-0.7元/Wh。能(néng)量密度方面(miàn),三元锂电池是170-200Wh/kg,而(ér)磷(lín)酸铁(tiě)锂电池是130-150 Wh/kg,按照“续航(háng)里程-能量密(mì)度-成本”公式计算,在单车(chē)续(xù)航里(lǐ)程相同的情况下,磷酸铁锂电池比三元(yuán)锂电池有很大的(de)经济性优势。在性能方面,两者各有千秋。三元锂电池的优势是低温下性能(néng)稳(wěn)定,但循环寿命较短,安全性(xìng)较差,尤其是高镍三元锂电池,不乏(fá)起火事件。磷酸铁锂电池在低温下性能衰(shuāi)退(tuì)快,但循环寿命长,安全性好。
技术进步与电动车销售层面:从去年开始随着宁德时代CTP方案、比亚迪与蜂巢能源(yuán)的LCTP方案的推出,使得磷酸铁锂电池包(bāo)的整体能(néng)量密(mì)度得到了提高,在中高端乘用车的使用已经没有障碍(ài),从公告(gào)来看,各品(pǐn)牌车型都推出了磷酸铁锂(lǐ)版,业内(nèi)笑称(chēng)集体放弃(qì)高寒(hán)地(dì)区市场主攻目标市场。今年以五菱宏光MINI EV为代表的(de)微(wēi)车销售大增,五菱单一型(xíng)号的年产销就(jiù)将达到45万台(tái),单此就消耗5GWh磷酸铁锂电(diàn)池(chí),造成特别有趣的现象(xiàng):今年(nián)磷酸铁锂比(bǐ)三元(yuán)最后增加的量(liàng)可能就是五菱宏光MINI EV的消(xiāo)耗量。可预见的未来(lái)几年中,微车销量(liàng)增速会远高(gāo)于中高端电(diàn)动乘用车(chē),我预判2025年(nián)微车年销量将突破500万辆,2030年前将突破1000万辆。所以磷(lín)酸(suān)铁(tiě)锂电池销量(liàng)上涨增(zēng)速仍(réng)然不减。
企业经营层面:三元电池的投入产出比要远高于磷(lín)酸(suān)铁锂电(diàn)池,按笔者实际经营过的1.5GWh锂电产(chǎn)线对(duì)比计(jì)算(suàn):固定投入(rù)与人员投入都是(shì)相同的,在设备(bèi)的生产节奏固定(dìng)的(de)前提下,每年磷酸铁锂电池的产值只有三元电(diàn)池(chí)的60-65%。因此单体电(diàn)池做大容量是磷酸铁锂路线(xiàn)的必然选择,这样可以提升经营效(xiào)率。
蔚来的三元铁锂综合(hé)应用方案(àn)可能成为(wéi)主流(liú)
蔚来的“三元铁锂(lǐ)”方案(àn)是一种有创意的有(yǒu)效综合方案(àn),对此有借鉴作用(yòng):电池包以磷酸铁锂电芯(xīn)为主,但在电池包的(de)四角,则换装(zhuāng)了三元锂电芯。既然磷酸铁锂「怕低温」,那(nà)么(me)就把容易处于(yú)低温的位(wèi)置换成「不怕(pà)低温」的三元锂。为了校准全新(xīn)电(diàn)池包(bāo)的(de)整体SoC,蔚来(lái)用三元锂作为标尺,实时校准磷酸(suān)铁锂(lǐ)在(zài)平(píng)台段的SoC;在高低段利用磷酸(suān)铁锂(lǐ)的优势,校准(zhǔn)三元锂的SoC,为此开发(fā)了双体系SoC算法,充分(fèn)利用(yòng)三元铁锂双体系的优势。
蔚来三元铁(tiě)锂电池(chí)包中电芯(xīn)布局
无钴电池(chí)技术进展(zhǎn)
无钴电池(chí)的发展,要从“少钴”入手(shǒu)。钴元素在(zài)正极(jí)材(cái)料里起到结构稳定剂的作用,但根据特斯拉Jeff Dahn团队的研究,高镍含钴电(diàn)池中钴的作用较小(xiǎo)并可以被替代:(1)当镍含量超(chāo)过90%时,钴对(duì)容量保持率(lǜ)几(jǐ)乎没有(yǒu)贡献;(2)用铝或者猛替代(dài)钴也是可以起到稳定剂(jì)的作用;(3)掺(chān)入铝或者锰也可以抑(yì)制相变,改善循环性能。用以代替(tì)钴元素的其他(tā)化学元素(sù)引入主要是通过离子掺杂等(děng)方式实(shí)现的,在(zài)多种开发路(lù)径中有如下几个主要尝试:
以(yǐ)LG化学NCMA四(sì)元锂(lǐ)电(diàn)池为例,LG化学遵循去钴提镍研发思路,将NCM和NCA掺(chān)杂而成四元锂电(diàn)池(chí),正极材料镍含量(liàng)约为85%,钴、锰、铝的(de)含量皆为5%,减少钴(gǔ)用量的(de)同时添加铝提高安全性、增加材料结构的稳定性。
松(sōng)下(xià)的目标是(shì)提高动力电池材料(liào)的可持续性(xìng)(降低正极中的钴含量)并降低成本。目前松下NCA电(diàn)池的钴含量低于5%,该公司正在开发无钴版本,基于原有的NCA和NCM两条(tiáo)路线(xiàn)都在(zài)往前走(zǒu)。
在中国(guó)企(qǐ)业中以蜂巢(cháo)能源(yuán)NMx无(wú)钴电池为例,基(jī)于(yú)已(yǐ)有的正极材料进(jìn)行改性实(shí)现无钴化,通过多项改性技术提升LNMO性能。目前已经在层(céng)状LNMO材料的商业(yè)推广(guǎng)上已(yǐ)经取得关键(jiàn)进展,2021年7月16日(rì),蜂巢(cháo)能(néng)源在江苏举行了首款无钴电(diàn)池量产下线(xiàn)仪式(shì),这意味(wèi)着全(quán)球首款无钴电池走出实验室, 正(zhèng)式实现量产, 蜂巢能源(yuán)由此成为全(quán)球首家突破无钴电(diàn)池技术(shù)难关, 成(chéng)功(gōng)实现产品量产(chǎn)的动力电池企业。
在前几天刚结束的广(guǎng)州国际车展上,蜂巢能(néng)源的无钴电池装在了长城高(gāo)端(duān)轿车品牌沙龙的机甲(jiǎ)龙全(quán)球限量版上面(miàn),展示了蜂巢(cháo)对于无钴电池的坚定信心,也表现了长城汽车对于无钴电池内部长期测试后的全(quán)面认可。
蜂巢能源相关人士(shì)透露,相比(bǐ)NCM811电(diàn)池,无钴(gǔ)电池(chí)材(cái)料成本降低8%-10%,电(diàn)芯循环超过3000次,理论(lùn)能量密度(dù)可以与三元(yuán)材料持(chí)平,无钴电(diàn)池还有抗过(guò)充和热稳(wěn)定性的天然优势,安(ān)全性比三元锂电池有(yǒu)明显提高。此外,无钴(gǔ)材料合成工艺与常规三元的合成可以共线生产,加上去掉“钴”元素(sù),降本空间也(yě)很可(kě)观。
蜂巢能(néng)源(yuán)后续还会从以下(xià)六个方面继续改进无钴(gǔ)电池(chí):
尝试采(cǎi)用其他金属元素掺(chān)杂、替(tì)代钴金(jīn)属以(yǐ)及包覆改(gǎi)性无(wú)钴正(zhèng)极材料,提升(shēng)无钴电池的(de)容量和充(chōng)放电(diàn)倍率性能;
优化材(cái)料晶体结(jié)构提升(shēng)无钴正极(jí)材料性能(néng);
对传(chuán)统的尖晶(jīng)石锰酸锂材料、磷(lín)酸铁锂进行掺(chān)杂和改性,或者将多种不同微观结构的正极材料混合使用进一步提升正(zhèng)极(jí)材料综合(hé)充放电性(xìng)能(néng);
结构创新层面(参考《动力电池结构创新研究》了解详情)
从系统设计层面,不同材料(liào)类型(xíng)电芯混用,综合提升电(diàn)池包的(de)能量密度和倍率性能;
进一(yī)步(bù)开发低镍高锰的层状无钴(gǔ)材料,进一步降低(dī)镍的含量,降低材料成本,打造成本接近磷酸铁锂的无钴层状材料,来进一步扩大层(céng)状无钴(gǔ)家(jiā)族成员。
钴的影响(xiǎng)与无(wú)钴(gǔ)族系
“钴(gǔ)”在全球(qiú)存(cún)储量越有限,意(yì)味着被替代的可能性越(yuè)大,这正是无钴电池加速发展的契(qì)机。根据美国地质勘探局统计,2018年全球钴矿储量为690万公吨(dūn)。超过70%的钴资源分布在刚果金、澳大利亚两个(gè)国(guó)家,中国钴资源储量(liàng)仅(jǐn)为全球的1.12%,大(dà)约7.1万吨,属于钴(gǔ)资源匮(kuì)乏的国(guó)家(jiā)。从国家(jiā)层面来看,如果要彻底完成(chéng)交通电动化转型,发展可(kě)替代产品,“去钴”已经迫在眉(méi)睫(jié)。
落地到电池企业的生产上(shàng),对“钴”有强感知(zhī)的是上游材料价格。近几年中国钴的产量随着(zhe)开采而(ér)逐渐枯竭,进口(kǒu)的比例(lì)逐年(nián)增加,使得电池企业得到“钴”的成本越来越高(gāo)。“钴”价居(jū)高不下,与动(dòng)力(lì)电池企业降(jiàng)本的大方向背道而驰。以50kWh的(de)A级车(chē)来(lái)计算,如果按NCM523体(tǐ)系,一辆车大(dà)约(yuē)需(xū)要11公斤钴,如果(guǒ)按年销2000万辆计算的话,需要22万(wàn)吨钴;换成高(gāo)镍811体系的话(huà)就只需要一(yī)半,必须(xū)先“少钴”,然后“无钴”。无钴电池家族或者叫做广义的无钴正极材料大致包括:层状无钴、尖晶石镍锰酸锂、富锂锰基、磷酸铁锂、磷酸锰酸锂、锰酸(suān)锂等,今后我们统称“泛无钴家(jiā)族(zú)”,如下表:
作为(wéi)主机厂,虽然(rán)在(zài)电池(chí)技(jì)术路(lù)线上有所偏好,但是不排斥任何的(de)技术(shù)路线,前提是满(mǎn)足主机厂对于安(ān)全的(de)核(hé)心诉求下,平衡成本、续(xù)航、长寿(shòu)命等等商业化因素。随着搭载无钴电池的整车(chē)面世,无(wú)钴(gǔ)材料各项(xiàng)性能得到用户(hù)认可,更(gèng)多的玩家(jiā)和上下(xià)游企业加(jiā)入该技术路线(xiàn),行业协同效应显现,无钴(gǔ)电(diàn)池大(dà)规模应用一定是趋势与方向(xiàng)!
图示为中(zhōng)国电(diàn)动车电池的发展(zhǎn)路线图(资料来自清(qīng)华大学(xué)锂(lǐ)离子电池实验室)
总结
三元(yuán)锂(lǐ)选择(zé)高(gāo)镍无钴,磷酸铁锂选择CTP、LCTP,都在向着(zhe)低资源依赖低(dī)成本的(de)方向(xiàng)发展。结(jié)合新能源汽车发展的两条主(zhǔ)线(xiàn):电动化与智能网联,笔者判断,追求(qiú)高(gāo)续航(háng)与自动驾(jià)驶体(tǐ)验的高端(duān)时尚乘用(yòng)车,装电量会不断提升,从(cóng)50kWh提升到115kWh以上(shàng),更多会考虑选择(zé)三元(yuán)高镍无(wú)钴电池;另外一方面实用主义者用车,每年行驶里(lǐ)程(chéng)不超一万公里,只需要简(jiǎn)单的(de)辅助驾驶,肯定(dìng)将选择磷酸铁锂路线的电池;介于(yú)两者(zhě)之(zhī)间的体验派则会忽三元忽铁锂在(zài)网上发(fā)声;商用(yòng)车(chē)几乎都导向磷酸铁锂体系。就算大家对未来推出的半固态与固态电池充满期(qī)待,泛(fàn)无钴(gǔ)材料体系的动力电池(chí)赛道都具有明确的确定(dìng)性。
(本文作者系吉林大学青(qīng)岛(dǎo)汽车(chē)研究(jiū)院副院长、中国汽车工程学会电器技(jì)术(shù)分会技术与标准专家组特聘专家顾(gù)国洪)