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无钴电池占c位?

作者:
文 AO记者 黎冲森 谭晶宝
2020/03/31
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  最近两个月,新冠肺炎肆虐,汽车企业也积极投身到了这场声势浩大的全面战“疫”中。但整个车市受疫情因素的影响非常大。2020年3月12日,中国汽车工业协会发布的数据显示,1-2月份,新能源汽车产销量为53840辆和59705辆,同比下降63.8%和59.5%。

  而作为新能源车的核心标配电池,自然也难以幸免。根据工信部汽车生产合格证数据,2020年1-2月份,我国动力电池装车量为2.9GWh,同比下降59.6%,其中三元电池和磷酸铁锂电池分别为2.1GWh和0.8GWh,同比分别下降60.4%和54.1%。

  但是,令人意外的是,已沉寂多年的磷酸铁锂电池重回业界视野,开始“爆红”起来,声浪甚至超过老大三元锂电池,由此还掀起了一场无钴和有钴之争。

  磷酸铁锂电池属无钴电池,而三元锂电池属有钴电池,两者综合性能存在差异,但目前后者强于前者。因此,有人发出疑问:磷酸铁锂电池是不是“减配”或者技术的倒退?但业内有一个基本共识,低钴和无钴化电池是未来动力电池的发展方向,而三元锂电池需要在能量密度、成本和安全性之间寻求平衡。

  未来,以磷酸铁锂(LFP)为代表的无钴电池能否占据动力电池市场C位?以三元锂电池为代表的有钴电池又将何去何从?《汽车观察》记者采访和研究后认为,尽管动力电池的技术路线越来越清晰,但还不能简单地论断最终孰赢孰输。

磷酸铁锂:死灰复燃?

  2020年,业内几家头部企业将磷酸铁锂电池重回聚光灯下。1月份,比亚迪宣布将推出基于磷酸铁锂技术的“刀片电池”。2月3日,宁德时代公告称,与特斯拉达成合作。外界普遍推测,宁德时代应该是向特斯拉提供磷酸铁锂电池。2月19日,外媒报道,特斯拉同意从宁德时代采购磷酸铁锂电池,主要用于其在中国生产的Model 3车型上。

  2月21日,特斯拉上海超级工厂回复用户时又说:“请留意4月特斯拉的电池发布会。无钴,不代表一定是磷酸铁锂。”这让外界有点摸不着头脑。

  不过,宁德时代公告同时强调,特斯拉没有责任和义务必须购买公司产品,对产品采购量不作保证,将根据后续具体订单提出采购需求。而特斯拉CEO马斯克透露的信息是合作是小规模的。这更激起了外界强烈的好奇心。

  其实,两年前的2018年,宁德时代也曾发过类似公告。当时外界盛传宁德时代和特斯拉要合作。宁德时代默认双方接洽过合作事项。双方最终在电池技术标准、规格等方面没有达成共识,所以双方没有签署合作协议。这次应该有戏,因为特斯拉已经拉开了国产化序幕。

  而关键的问题是,在特斯拉、比亚迪、宁德时代三家业内头部企业的加持下,磷酸铁锂电池又被拉回到公众视线中,并将无钴电池卷入舆情之中,进而引发舆论对动力电池技术路线的新思考。

  从边缘化到重回赛道

  回首动力电池的发展轨迹会发现,磷酸铁锂电池其实是最早开始产业化的技术路线之一,但其发展历程却大起大落。2003年,它在美国兴起,2004年就迅速传导到中国,2008年前后其研究和产业化在全球出现高潮,2010年后在美国开始降温,在2012年A123系统公司破产后,在中国也开始退潮。

  磷酸铁锂电池在中国的退潮与国家出台的相关政策有很大关系,因为当时的补贴与能量密度挂钩。而磷酸铁锂电池受能量密度、续航里程等因素的限制,在乘用车领域被三元锂电池赶超,后逐渐被边缘化。

  据高工产业研究院(GGII)的数据,2014年-2019年中国新能源乘用车电池装机量,磷酸铁锂电池于2016年装机量达到峰值4GWh,而后三年连续下滑,2019年装机量为1.74GWh,占比低于5%,与三元锂电池相差21倍多。

  不过,磷酸铁锂电池在新能源客车领域却获得了新的发展机会,因为2016年开始此领域禁用三元锂电池。而2020年磷酸铁锂电池似乎重获新生,与几大因素有关:一是补贴退坡,原有政策开始逐渐为市场解套,回归市场本质,这样电动汽车的成本压力更趋明显,而其相对三元锂电池的成本优势得到凸显;二是磷酸铁锂电池的技术迭代进步,从能量密度、电芯设计、材料选择、生产设备、轻量化等都有了新的发展;三是乘用车企业对其态度发生转变,从抛弃到扩大应用。

  应该说,磷酸铁锂电池已站在一个新的起点上,至于这一波最终能发展到什么程度尚无法下定论。

  双线齐进策略

  显然,无钴的磷酸铁锂电池似乎又被业界看好,但这并不意味着含钴的三元锂电池就会立刻被市场抛弃。事实上,特斯拉、比亚迪、宁德时代等业内头部企业都采取了双线齐进的发展策略。

  特斯拉的做法似乎给外界传递出非常矛盾的信息。这次特斯拉与宁德时代合作,外界普遍的解读是其未来将青睐无钴电池,尽管其回应模棱两可,但外界还是认为其最大选项可能是磷酸铁锂电池。

  这与特斯拉对无钴电池的布局有关,且对钴的使用量处于削减状态。2009年特斯拉Roadster使用的是钴酸锂电池,2012年Model S上钴的使用量为11千克/辆车,2018年Model 3上钴的使用量锐减到4.5千克/辆车,2019年收购Maxwell和HibarSystems,推进无钴电池的布局。特斯拉CEO马斯克2018年就放话说:“特斯拉用的电池含钴量为3%,下一代电池含钴量要为零。”

  但特斯拉的另一只手却伸向了有钴电池。据外媒披露,2020年2月,特斯拉与全球最大钴生产商嘉能可(Glencore)洽谈合作,以为其上海工厂长期供应钴。

  特斯拉这边喊着不用钴,且欲自主研发干电极技术+超级电容组合的无钴新电池,那边又与钴商要进行长期合作,且目前其车型使用的主要是松下生产的三元锂电池(NCA或NCM)。显然,外界认为其仅有无钴电池方案是误读。从其作为可以看出,特斯拉目前采取的是有钴电池和无钴电池双线齐进的策略。

  而作为新能源车和动力电池生产商,比亚迪也采取了双线策略,根据现实市场需求,既生产三元锂电池,又开发磷酸铁锂电池技术。

  宁德时代作为全球最大的动力电池供应商,也是国内最大的三元锂电池供应商,一直是三元方形电池领域的权威,而此次有可能给特斯拉供应磷酸铁锂电池。高工锂电董事长张小飞认为,考虑到性价比和安全性,特斯拉极有可能将产品按磷酸铁锂电池和三元锂电池分为两种车型或同一车型的两种配置。事实上,宁德时代也一直在生产磷酸铁锂电池。显然,宁德时代也是提供有钴和无钴方案供车企选择。

  长期占据细分市场

  根据各自特性,未来磷酸铁锂电池和三元锂电池可能会偏重不同的细分市场。比如2020年1月,三元材料的搭载量为1.5GWh,其中乘用车占比99.1%,三元材料搭载量占总搭载量的65.1%。磷酸铁锂电池以搭载纯电动客车为主,1月份总搭载量为645.7MWh,在月度装机中占比27.9%。

  磷酸铁锂电池应用在中低端产品上,三元锂电池应用到中高端产品上。张小飞认为,中高端电动车以使用三元锂电池为主。高能量密度(300Wh/kg以上)的高镍(包括无钴三元材料)体系,依旧是主流趋势。在乘用车领域,两者将长期共存。

  同时,动力电池的市场集中度非常高。比如2020年2月装机量市场占比中,宁德时代为43%,LG化学为34%,比亚迪为14%,亿纬锂能约2%,国轩高科约2%,排名前五的企业合计高达95%。

  与中国的电池企业不放弃磷酸铁锂电池技术不同,近几年,日本、韩国的电池企业主要开发三元锂电池,包括镍钴锰酸锂三元材料。比如丰田和松下合资成立的PanasonicEV能源公司、三星和LG等。在日本、韩国,磷酸铁锂被认为是落后的技术,所以几乎不生产。而美国的企业也开发磷酸铁锂电池。

  总之,无论中国还是日本、韩国或者欧美企业,都是各取所需,并由此逐渐形成不同的动力电池技术路线。

两条技术路线:磷酸铁锂VS三元锂

  环视全球动力电池市场,尤其中国新能源汽车市场,无论是在乘用车还是在商用车领域的应用,总体而言,目前三元锂电池和磷酸铁锂电池已成为两条主流的技术路线。

  因为磷酸铁锂电池不含钴,而三元锂电池含钴,因此某种意义上说,它们也是无钴和有钴的两条技术路线,各有千秋。

  两者性能各有长短

  相对而言,磷酸铁锂电池具有成本较低、安全性高、循环寿命长、上游基础材料供应稳定等优势,当然也有其弱势所在。三元锂电池也是如此。

  在成本方面,目前动力电池成本占新能源汽车整车的30%-40%,在补贴退坡后,这给车企的压力就更突出。因此,业内普遍认为,补贴取消后,新能源汽车必须大幅降低成本。

  磷酸铁锂电池更具价格优势。据GGII的调研数据,截至2019年12月份,磷酸铁锂系统(电池包)不含税价格为0.85-0.95元/Wh,三元电池系统不含税价格为0.95-1.05元/Wh。据国君新能源数据,磷酸铁锂电池成本为0.65元/Wh,三元电池为0.85元/Wh。两者价差0.2元左右/Wh,这意味着用在同为60KWh的乘用车上可节省1.2万元。比亚迪董事长王传福曾表示,刀片电池在体积能量密度上提升了50%,整车寿命可达百万公里以上,随着新一代磷酸铁锂电池量产,成本或降20%-30%。2020年1月份,欧阳明高院士透露,目前磷酸铁锂电池1度电成本可做到600元,而三元811系统1度电的成本在1000元到1200元。

  而三元锂电池成本更高,主要因为正极材料的钴。目前钴的价格为约27万元/吨,曾高达80万元/吨。比如特斯拉Modle3基础版采用宁德时代的磷酸铁锂方案,续航可达400km,成本可降3万元。有业内人士认为,随着技术进步,磷酸铁锂电池的价格优势会更明显,甚至其成本只有三元锂电池的一半,而且不受钴价格的影响。

  在安全性方面,与三元锂电池相比,磷酸铁锂电池抗高温性更好,电热峰值达350℃-500℃,安全性更高,而三元锂电池中的钴酸锂等只有200℃左右。比如比亚迪刀片电池的失控温度就远高于三元锂电池,同时电池组具有更高的整体刚性,抗变形、耐挤压和穿刺的能力也更强,电池组内部短路的几率接近于零。因此,磷酸铁锂电池可以高频使用,全生命周期稳定性强,且相对安全。

  相反,三元锂电池具有不稳定性,安全性广遭质疑。比如2019年以来,全球发生了数起新能源汽车自燃事故,这些事故车辆主要配备三元锂电池。

  在使用寿命方面,磷酸铁锂电池的循环寿命可达2000次以上,理论寿命为7-8年,甚至宁德时代超长寿命的磷酸铁锂电池可达8-15年。而三元锂电池的循环寿命仅为800次左右。

  在体积方面,在等能量的情况下,磷酸铁锂电池的体积相对较大,三元锂电池体积较小,而体积大就更占空间,损失车内空间。

  在能量密度方面,磷酸铁锂电池的能量密度比三元锂电池要低,有公开资料称低20%左右,而三元锂电池能量密度更高,续航里程也更长。这也是业内对磷酸铁锂电池的顾虑所在。

  比如国家出台的补贴政策就与能量密度挂钩,使用三元锂电池比使用磷酸铁锂电池更占“便宜”。据2019年补贴政策,纯电动乘用车动力电池系统的质量能量密度不低于125Wh/kg,其中125(含)-140Wh/kg的车型按0.8倍补贴,140(含)-160Wh/kg的车型按0.9倍补贴,160Wh/kg及以上的车型按1倍补贴。据《新能源汽车推广应用推荐车型目录(2020年第2批)》,从能量密度来看,超过160Wh/kg的车型有吉利、合创、上汽荣威、长城欧拉、北汽、比亚迪、江淮和奇瑞新能源等品牌的16款,能获得1倍补贴。另有5款车型系统能量密度低于125Wh/kg,不能获得补贴。还可以看到,比亚迪、江淮、宝骏、长安、大运等企业使用磷酸铁锂电池的车型也登上了推荐车型目录。

  其实,随着技术不断创新,磷酸铁锂电池的能量密度也获得较大提升,2015年单体为120-130Wh/kg,2017年达到150-160Wh/kg,2019年底提升到180Wh/kg。比如比亚迪刀片电池采用长电芯方案,体积能量密度提升达50%。据国轩高科的数据,目前其磷酸铁锂电池单体能量密度已突破190Wh/kg,系统能量密度突破140Wh/kg,而单体能量密度实验阶段已突破200Wh/kg。而三元锂电池单体能量密度超过250Wh/kg,系统能量密度达到170Wh/kg,甚至180Wh/kg。显然,磷酸铁锂电池与之相比依然存在不小差距。

  在快充方面,因为磷酸铁锂电池的低温性能问题,所以业界对其快充性能有不同的看法。业内认为,从材料角度而言磷酸铁锂电池不适合做快充,因为其导电性不好,快充时容易发热。据公开资料,磷酸铁锂材料的本征电导率仅为三元材料的百分之一。因此,要满足市场需求,磷酸铁锂电池在此方面还需要做相应的技术创新。

  从中可以看出,磷酸铁锂电池和三元锂电池各有优劣,现实中该如何选择这两条技术路线,需要综合权衡,尽可能取得相关要素之间的平衡。

  无钴电池≠磷酸铁锂电池

  尽管磷酸铁锂电池不含钴,属无钴电池,但反过来说,无钴电池并不等同于磷酸铁锂电池。目前,无钴电池是整个锂电行业的一大课题,要更具市场竞争力,还需要攻坚。只有找到更合适的材料替代钴元素,才能更好地与三元锂电池进行竞争。

  那无钴电池又有哪些技术路线?

  目前,锂离子电池正极材料主要有锰酸锂(LMO)、磷酸铁锂(LFP)、镍钴锰酸锂(NCM)、镍钴铝酸锂(NCA)四类,其中镍钴锰酸锂三元体系和磷酸铁锂电池的市场装机量最多。

  若从有无钴角度看,锰酸锂、磷酸铁锂没有钴,可以归为无钴电池。另一种无钴电池是用镍锰材料做电池正极,也即镍钴锰三元体系除掉钴元素。目前无钴化主要有两个方向:一是采用尖晶石镍锰材料,解决电解液问题;二是采用层状结构镍锰材料,解决循环和DCR(直流内阻)问题,业内已取得一定的进展,将开始批量试用。

  另有研究表明,富锂锰基材料钴含量只有9%左右,锂硫电池、锂空气电池也不含钴,其中锂硫电池是以硫元素作为电池正极,锂空气电池是以空气中的氧气作为正极反应物。

  毫无疑问,无钴或少钴是动力电池的研发方向。比如蜂巢能源2019年7月就发布了无钴材料电芯产品,预计2020年第三季度实现无钴电芯的商品化量产,其中材料成本将降低5%-15%,相应的电芯BOM成本可降低约5%。

  另外,磷酸铁锂电池的市场集中化趋势也非常明显。目前国内磷酸铁锂电池已形成宁德时代、国轩高科、比亚迪、亿纬锂能为主导的市场格局。根据2019年出货量,宁德时代、国轩高科、比亚迪和亿纬锂能的磷酸铁锂电池出货量分别为11.5GWh、2.96GWh、2.6GWh、1.72 GWh,市场占比分别为57%、15%、13%、9%,四家公司市场占比合计达94%。

  三元锂电池主流地位未变

  尽管磷酸铁锂电池经过技术创新手段获得了相应的发展,但就整个动力电池市场格局而言,三元锂电池依然占据主流市场地位。

  2019年,我国动力电池产销量约为85.4GWh和75.6GWh。其中,三元锂电池产量约为55.1GWh,占总产量的64.6%,同比增长40.8%;销量约为53.0GWh,占总销量的70.0%。而磷酸铁锂电池产量约为27.7GWh,占总产量的32.4%,同比下降1.2%;销量约为20.6GWh,占总销量的27.2%。

  2019年,我国动力电池装车量约为62.2GWh,同比增长9.2%。其中,三元锂电池装车量约为40.5GWh,占总装车量的65.2%,同比增长22.5%;磷酸铁锂电池装车量约为20.2GWh,占总装车量的32.5%,同比下降9.0%。

  总之,一些业内人士很看好磷酸铁锂电池的发展前景,甚至认为实际使用中磷酸铁锂电池比三元锂电池更具合理性。不过,三元锂电池与磷酸铁锂电池作为目前动力电池市场的两条主流技术路线,在不同的细分市场的确各有优势,而且在创新中会有动态演进,但在可预见的未来不存在谁完全取代谁的问题。

有没有第三条技术路线

  尽管目前上述两条技术路线已横在眼前,但事物总是不断演化的,为此不禁要问:未来是不是还有第三条主流技术路线?

  答案是,需要汽车产业链上的企业共同去实践探索。从目前情况来看,以下几个方面的技术探索值得探讨。

  燃料电池

  2020年3月12日,中国汽车工业协会发布的数据显示,1-2月份,燃料电池汽车产销量为145辆和171辆,同比下降24.5%和8.6%,在新能源汽车产销量中的占比均不到0.3%。2019年,燃料电池汽车产销量为2833辆和2737辆,同比增长85.5%和79.2%,但在新能源汽车产销量中的占比均为0.2%多。也就是说,从市场角度而言,燃料电池在可预见的未来尚难以成为主流技术路线。

  不过,在燃料电池中,外界更看好氢燃料电池,其中电-氢混合技术有望成为氢燃料电池汽车的主要技术路线。因为氢燃料电池能量密度较高,长续航优势明显,可运用于大载荷场景,比如大型远洋船舶、重型长途车辆等,而动力电池难以胜任这些应用场景。但从总体来看,氢燃料电池在电池市场可能主要起补充作用。

  固态电池

  蜂巢能源首席技术官饶忠儒接受《汽车观察》采访时透露,其公司在研发固态电池,干法电极原型机将于2020年下半年完成。

  而2020年3月9日,三星公开展示了一款高性能、长寿命的全固态电池,并号称其能让电动汽车续航里程达到800公里,且循环寿命超1000次。这款固态电池由三星高级技术研究所和三星日本研发中心研发。

  据了解,与锂离子电池相比,固态电池拥有更大的能量密度,且采用更安全的固态电解质。但全固态电池的锂金属阳很容易引发枝晶生长,而枝晶会缩短电池寿命,引发安全问题。至于其市场前景如何,暂无法推断。

  特斯拉也曾发布过超级电容+干电池技术。其干电池电极技术与传统锂电池的制备工艺不同,可降低成本,提升电池容量。业内推测,特斯拉准备推出的无钴电池有可能就是采用干电池电极技术的电池,或者利用干电池电极超级电容作为锂电池的补充。

  四元电池

  2019年,蜂巢能源对外发布了其四元材料电池信息。据饶忠儒介绍,蜂巢能源开发出了NCMA四元正极材料,并发布了首款四元材料电芯。其四元材料是在NCM体系的基础上掺杂Mx,使其循环性能优于NCM811材料,具备更好的耐热性、产气少、安全性更高等特点,以使动力电池达到容量更高、寿命更长、安全性更好。“Mx掺杂会使一次颗粒之间的边界强度增强,因此会减少在有害相变过程中微隙的形成。这就是四元电池的关键性突破。”

  NCMA 四元材料是在高镍三元的基础上增加铝元素,并改变石墨负极的常规做法,增加硅碳层,使负极嵌入和脱出离子的能力以及在高倍率充放电时枝晶产生的概率大大降低。也即在电池材料中降低或祛除钴元素,以第四种金属元素替代或部分取代原本的钴元素,以提升正极材料的安全性和循环寿命。饶忠儒说,通过掺杂技术改进无钴化后材料在充放电的可逆性和结构稳定性上得到长足进步。同时,四元材料剔除了钴元素,使得电池成本较现有价格再下降5%-15%。

  至于四元电池未来市场究竟会如何,还有待市场检验。

  无模组电池包

  因为宁德时代推出了CTP(Cell To Pack)电池包和比亚迪推出的刀片电池而让无模组电池包走入公众视野。

  无模组电池包就是将电芯直接集成为电池子模块,而这些子模块可进行串并联,由此生产出各种尺寸的电池。其好处是,能提升电池体积利用率,降低电池包成本。

  根据宁德时代的数据,其CTP电池包体积利用率提高了15%-20%,电池包零部件数量减少40%,生产效率提升了50%,电池包能量密度提升了10%-15%,可达到200Wh/kg以上。不过,CTP技术侧重于电池系统创新,是在模组结构基础上做简化,对电池包结构优化,在纵向或者横向的排列方式上通过层次分割达到降低成本的目的。但采用CTP技术,电池包后续的维修会比较困难。

  而比亚迪的刀片电池,和传统的磷酸铁锂电池相比,其体积比能量密度提升了50%,成本有望降低30%,且具有高安全、长寿命等特点,整车寿命可达百万公里以上。业内人士认为,刀片电池也属无模组电池包,偏向于改进电芯制造工艺。它是把电芯宽度无限拉长,厚度做薄,做成900mm甚至快1m的超长电芯。由于电池更薄,所以散热效果也更好。

  无模组电池包作为一个新的发展方向,主要通过系统集成和工艺改进方式来提升能量密度和降低成本,目前它在乘用车上的应用还不多。

  此外,若按产品形状划分,还有方形、软包等形式。比如宁德时代的产品以方形电池为主,同时供应部分软包电池;比亚迪、三星SDI均以方形电池为主;松下以圆柱型电池为主,后来也做方形电池;韩国LG则以软包电池为主。其中,方形和软包是目前电池的主流封装方式,圆柱电池较为小众。

  凡此种种技术最后能不能成为动力电池新的主流技术路线,尚无法判断,但至少眼下的一个阶段内还难以实现这个目标。不过,中国市场已经成为动力电池竞争的主战场,电池的技术创新将成为其重要标志。

蜂巢能源:让技术跑在产品前面

  作为动力电池行业的后起之秀,蜂巢能源的发展速度引发了行业的关注。虽然起步不算早,但起点却很高,背靠长城汽车的行业资源,蜂巢能源从成立之初就放眼全球,在国内和海外同步开展业务。为了进一步了解这家动力电池新势力的技术发展情况,《汽车观察》对蜂巢能源首席技术官饶忠儒先生进行了专访,并就近期遭到热议的电池新技术进行了探讨。

  聚焦方形叠片工艺

  蜂巢能源虽然是一家2018年成立的年轻公司,但其前身长城汽车动力电池事业部却早在2012年便开始了电芯的研发工作。在技术路线选择上,蜂巢能源聚焦方形叠片工艺,首款量产产品就采用目前领先的NCM811三元材料体系。

  在蜂巢能源看来,方形硬壳电池在空间效率和安全性上比圆柱和软包电池更有优势,将成为电动汽车规模化发展的主流需求产品。与传统卷绕工艺电池相比,叠片电池的边角处有更好的结构适应性,可提高5%的能量密度,此外还更不易变形和膨胀,循环寿命可提升10%-20%,在制作大尺寸、大容量动力电池方面,叠片工艺是最好的选择。

  对于近期关注度极高的CTP(Cell To Pack)和“刀片电池”技术,蜂巢能源也早有布局。“对于刀片电池的研究,蜂巢能源在一年半以前就已经开始,我们目前的二期工厂就是刀片电池的产线。”饶忠儒介绍,对于方形电池和软包电池而言,把电芯做薄、做长是大趋势,这么做不仅可以提升能量密度,还能增加散热面积,蜂巢能源所规划的刀片电池产线选择的是目前技术最成熟的600mm长度的电芯。

  饶忠儒也坦言,尽管薄长型的电芯是大趋势,但根据调研结果来看,由于受到设备精度的限制,目前要把电芯做到超过1000mm还存在一些难题需要突破。尽管可以通过将数个电芯内串联或内并联到一起来进一步提升电芯长度,但这将让焊点暴露在电解液当中,对电池的可靠性和寿命将会产生较大影响。只将最成熟的技术应用到量产产品中,从中我们也看出了蜂巢能源保持的理性和克制。

  随着“刀片电池”技术的应用,磷酸铁锂电池的市场份额将会得到提升。一方面随着补贴政策退坡,磷酸铁锂电池的成本优势将会凸显;另一方面,将这项新技术应用到磷酸铁锂电池上,可以使A级车的续航提升到500km,达到和燃油车相当的水平,从用户的使用需求上来说,三元锂电池将不再是其唯一的选择。

  “根据我们的预测,新技术将对A级车有相当大的促进。由于对续航的要求,前几年磷酸铁锂电池基本是用在A00级和A0级车型上,现在可以将其扩展到A级车的平价版上。”饶忠儒说。从特斯拉在国内的布局也可以看出,其高端车型目前会选择三元锂电池,而平价版车型则会选择磷酸铁锂电池。蜂巢能源也会推出相应的磷酸铁锂电池产品,“高能量密度的三元锂电池一直是我们的主要方向,但是我们也不可能放弃平价车的市场。”饶忠儒表示。

  市场为基,技术先行

  对于“刀片电池”技术,不仅仅只是把电芯变得薄长这么简单,相应的工艺、电池的组装方式等都必须要改变,对电池壳体的平整度、一致性的挑战也非常大,整个工艺设备都需要根据新的设计做大幅的调整。由此可见,在动力电池技术更新迭代如此迅速的时期,若没有精准的布局和长远的规划,对企业来说可能是致命的打击。“若是在已有的产线上改造升级难度将会特别大,原来生产VDA型号电池的产线基本就不能用了,对于蜂巢能源这样的年轻公司而言,反而没有这个包袱。而且我们从一年半以前就开始布局,产线的规划和设备的研发上都做了充足的准备。”饶忠儒说。

  既要跟上当前主流技术发展的步伐,又得瞄准未来前进的航向,对此,蜂巢能源也有属于自己的一套方法论。饶忠儒介绍:“我们会根据市场的趋势先行做预研布局,同时会紧跟国际的先进技术,不仅在电池的物理结构设计上保持领先,同时也会不断探索高安全性、高能量密度的材料体系。”

  在技术路线的选择上,蜂巢能源借助长城汽车的力量,可以与国内和国际整车企业建立良好的沟通渠道。尤其针对国外一线整车企业,提前车型量产时间三年就切入其体系,与整车企业一起做研发,融洽的合作关系也帮助蜂巢能源得以更容易获得整车企业的真实需求。更早的介入整车开发和更精准的客户需求成为了蜂巢能源的独特优势,也让其技术研发工作更加有的放矢。

  蜂巢能源这套方法的成效也已经逐渐得到了体现。2019年7月,蜂巢能源无钴材料、四元材料电池首发。在现有三元体系的锂离子动力电池中,正极材料的成本占比达到30%~45%。正极中所含的钴为战略性资源,价格贵且波动剧烈,对电芯的成本影响极大,因此低钴和无钴化电池是下一代动力电池的研发方向。蜂巢能源基于对于材料体系的前瞻性研发率先在国内发布无钴电芯产品可谓意义重大。

  此外,随着镍的含量不断提升,三元体系锂电池能量密度和安全性之间的平衡成为了无法回避的问题。对此,蜂巢能源率先开发出NCMA四元正极材料,并发布了四元材料电芯。四元材料在NCM体系的基础上掺杂Mx,使其循环性能优于NCM811材料,同时能实现耐热更好、产气少、安全性更高的特点。

  蜂巢能源负责前沿技术研发的实验室当前还在同步开展固态电池的相关研发工作,干法电极的原型机将于今年下半年完成。饶忠儒认为,当固态电池导电性差的问题突破以后,其突出的安全性能将让其成为下一代电动车的最佳选择,相关技术预计将在五年之后开始得到应用。

  蜂巢能源立足当下做产品应用,面向未来做技术开发,让技术跑在产品前面,使其得以更加从容的面对动力电池瞬息万变的技术格局。正如饶忠儒最后总结:“在动力电池产业集中度越来越高的现状下,蜂巢能源作为一家年轻公司,必然会受到夹击。但凭借我们深厚的技术积累,虽说不能保证弯道超车,但也至少可以做到异军突起。”

全球市场:中日韩走在欧美前面

  蜂巢能源作为中国动力电池市场的新秀,发展前景值得期待。而宁德时代和比亚迪既是中国又是全球动力电池领域的头部企业。以它们为代表的中国动力电池企业和日本、韩国的同行目前已经占据全球市场的主导地位,而总体上欧美的同行尚处于追赶态势。

  日本

  提起锂电池就不得不首先想到日本,而日本锂电池技术的当今地位却与一位美国科学家息息相关。

  1970年代后期,一种使用金属锂作为电极的电池凭借其储能优势受到市场青睐,掌握该项技术的加拿大公司Moli Energy也开启了霸占全球电池市场的腾飞之路。但这种电池问世不到半年,就因起火爆炸的问题,而被全球召回。Moli Energy最后也难逃被被日本NEC公司收购的命运。

  1980年,一位原本专攻固体物理、仅上过两门化学课程美国人发现钴酸锂(LiCoO2)可以作为电池正极材料。但由于Moli Energy的教训太过惨烈,美国没有一家企业敢接这项发明。美国不敢接的烫手山芋,正处于经济腾飞期的日本敢接,风头正盛的索尼接过这项技术并将其与自己掌握的石墨负极技术结合,并在1991年发布了世界上首款商用锂离子电池,并一跃成为行业老大。而这位美国人正是2019年刚刚获得诺贝尔化学奖的“锂离子电池之父”John B.Goodenough。

  钴酸锂-石墨体系架构奠定了日本锂电池的技术的基础,由于众所周知的原因,钴作为战略资源成本一直高居不下,此后日本先后将技术转向锰酸锂、镍酸锂、镍钴酸锂,直到最后在镍钴酸锂的基础上掺入铝,形成了当前的主流技术之一—NCA(镍钴铝)三元材料体系。

  2008年,松下收购三洋,持续在电池领域发力,并一举成为全球新的霸主。随着特斯拉的蒸蒸日上,松下凭借与特斯拉的紧密合作也成为动力电池的巨头,市场份额仅次于宁德时代。而昔日霸主索尼则在2016年底出售了旗下的电池业务。松下凭借消费锂电业务所积攒的扎实基础,将圆柱型封装工艺的高成熟度、高一致性的先天优势发挥到了极致。回顾松下与特斯拉的合作历程,从特斯拉的首款电动车Roadster到最新的Model3,采用的均是圆柱形封装形式。松下电芯技术的提升集中体现于正极材料和圆柱尺寸的改良,正极材料从最初的的钴酸锂转向现在NCA三元材料,尺寸上从18650型号开始转向21700型号,所有的改变不为别的,就是现在行业共同追求的目标:能量密度和成本。松下应用于Model3上的21700型号电池能量密度能达到340Wh/kg,成为当前市面上能量密度最高的电池。

  AESC是日本另外一家很早就布局动力电池的企业。2007年,日产和NEC合资建成AESC,从日产的背景就能看出其瞄准的是新能源汽车市场。同年上市的日产Leaf便采用AESC研发的动力电池,日产Leaf的热销也让AESC迅速扩大了市场份额。AESC动力电池采用软包设计,正极采用锰酸锂材料,虽然价格便宜,但能量密度过低,当市场主流向高镍三元材料倾斜之后,AESC也因为其技术路线的错误选择,最终于2019年被中国远景集团收购。

  日本的汽车巨头丰田也一直是动力电池的重要玩家,1996年与松下共同组建合资公司PEVE(Primearth EV Energy),生产镍氢电池及锂电池等环保车用电池。凭借镍氢电池技术,1997年丰田推出全球第一款大规模生产的混合动力汽车普锐斯。丰田随后增加了对PEVE的掌控权,持股比例增至80.5%。2019年,据《日经新闻》报道,PEVE将在中国建立第四家混合动力汽车电池工厂,以满足日益增长的混动车需求。丰田还在为纯电动车型研究固态电池技术,并计划将其应用到下一代汽车产品中。

  韩国

  与日本一样,韩国是消费电子大国,得益于此,其电池产业也具有很高的国际地位,LG化学、三星SDI、SKI等众多知名企业都来自韩国。在技术路线上,与中国类似,韩国最初引进美系技术,其主流技术也以MCM三元材料体系为主,但NCA材料也有很好的应用。

  根据韩国专业调研机构SNE Research的数据,2019年,LG化学、三星SDI、SKI的出货量分别为12.3GWh、4.2GWh、1.9GWh,全球排名分别为第三、第五和第十,三家公司的市场份额均在2018年的基础上有所提升。

  韩国电池企业中排名第一的LG化学是公认的全球软包龙头企业,正极以NCM三元材料为主。LG化学拥有非常好的客户基础,与全球众多汽车品牌均有合作,除了韩国本土的现代汽车,雷诺、通用、奥迪、捷豹等均是其客户。三星SDI与LG化学的选择不同,封装形式以方形为主,同时也在积极跟进21700圆柱形电池的生产。三星SDI正极材料的技术路线上采取双线布局,同时采用NCM和NCA三元材料,也是除松下之外最主要的NCA动力电池生产厂家,宝马i3、大众Golf等明星车型采用的均为三星SDI的方形三元电池。SKI起步较晚,是三家企业中体量最小的一家,主打软包电池,正极以NCM三元材料为主,其客户涵盖了起亚、戴姆勒、北汽等多家国内外知名车企。2019年,SKI宣布的下一代动力电池“NCM9/0.5/0.5”,最早将从2021年开始实现商用化。

  韩国政府对新能源汽车的支持力度不断增加,韩国国内的电池企业也正在大范围扩张,LG化学、三星SDI和SKI三家企业的总产能目前已经扩充至100GWh以上,超过了日本,仅次于中国。2016年,LG化学全球产能仅为8.6GWh,2019年就达到了70GWh,进入2020年之后丝毫没有停下脚步,LG化学宣布将产能提升至90GWh。动力电池的“韩流”正向全球蔓延。

  美国

  钴酸锂让日本锂离子电池迅速崛起,也让John B.Goodenough一跃成为炙手可热的化学家。1986年,他回到了祖国,进入得克萨斯州大学奥斯丁分校,继续着他的研究。直到1997年,75岁的Goodenough再次震惊世界,这一次他的发现正是一直沿用至今的磷酸铁锂(LiFePO4)。磷酸铁锂凭借其稳定性和成本优势迅速吸引了行业的注意,美国的A123 System公司靠着生产磷酸铁锂电池,一度成为全球锂离子电池产业的霸主。

  由于受到美国处于石油产业链的顶端,政府并没有急迫的想要推进电动车的发展,尽管对新能源汽车给予补贴,但远没有中国这般热情。除了上述提到的A123 System,再没有其他让人记忆深刻的企业。而A123 System也由于经营问题申请破产保护,最终被中国公司万向集团收购。

  不过这并不代表美国的动力电池技术就很弱,美国在动力电池技术上有着很深的技术储备,只是没有将其大规模产业化。蜂巢能源CTO饶忠儒先生的介绍:“在日本电池技术走向NCA的同时,美国选择了另外一种体系,也是现在另一种主流技术路线MCM(镍钴锰)材料体系。由于日本对锂电池技术的保护,中韩最终选择了引进美国技术,这也是中国电池技术路线以NCM为主的重要原因。”所以中国市场目前主流的磷酸铁锂和NCM三元材料体系,最初的技术来源实际都是美国。

  随着特斯拉的崛起,特斯拉与松下的合作让美国动力电池产业又有了新的活力。2019年5月,特斯拉正式宣布收购超级电容与电池公司Maxwell。据Maxwell 介绍,其干电极技术能将电芯的能量密度提升至 300 Wh/kg 以上,未来有可能进一步增加至500 Wh/kg。而近期特斯拉的下一代无钴电池在网上遭到疯传,并牵动无数人的神经,更有流言称其下一代电池就是“干电极+超级电容”的组合。对此,饶忠儒表示:“干法电极和超级电容其实不是什么新概念,技术早就存在。特斯拉真正瞄准的其实是2025年以后的固态电池,因为干法电极正是研究固态电池必须掌握的关键技术。”此前马斯克一直对外界表示:“固态电池并不是动力电池的未来,而氢燃料更是蠢得令人难以置信。”现在看来,这更像是其对外放的一发烟雾弹。

  Goodenough同样认为固态电池将会是更好的选择。磷酸铁锂材料推出之后,虽然安全性能相比早期的金属锂电池上升了一个台阶,但并不代表安全隐患就消失了,安全问题一直盘旋在动力电池领域的心头。对于这位“足够好”先生而言,这样的电池技术显然还“不够好”。于是,年过90的Goodenough再次投身到了新的研究领域—全固态电池。目前,Goodenough的研究已经初见端倪,相关的成果已经被多个权威刊物报道。虽然美国电池技术没有产业化,但在相关的基础研究方面,美国依然掌握了强有力的话语权。

  欧洲

  欧洲是汽车产业重地,或许因为无法割舍其在传统汽车领域的地位,其新能源汽车的发展节奏远不如亚洲这般迅速。近日,欧盟“电池2030+”(BATTERY 2030+)计划工作组发布了电池研发路线图第二版草案,提出未来10年欧盟电池技术的研发重点,旨在开发智能、安全、可持续且具有成本竞争力的超高性能电池,使欧洲电池技术在交通动力储能、固定式储能领域以及机器人、航空航天、医疗设备、物联网等未来新兴领域保持长期领先地位。随着欧盟下定决心,欧洲电池产业将迎来高速发展。

  戴姆勒、宝马、大众、PSA等欧洲车企在动力电池领域的合作伙伴基本都来自亚洲。欧洲虽然凭借其在汽车工业的地位,吸引了包括宁德时代、蜂巢能源、孚能科技、LG化学、三星SDI等众多亚洲电池企业的投资,但其本土企业还处于初级发展阶段。为尽快弥补短板,欧盟批准了由德国、法国、意大利、芬兰等7国共同申报的电池领域“欧洲共同利益重要计划(IPCEI)”,在未来数年内投资32亿欧元(约250亿元)在原材料、电池单元和模块、电池系统以及循环利用四个关键的研发领域。

  Northvolt、大众、戴姆勒、巴斯夫等公司均对政府的号召做出了积极响应。Northvolt作为欧洲电池领域的“国家队”,可以说肩负着重大使命。目前Northvolt聚焦于开发高能量方形电池用于汽车和储能系统,正极采用NCM三元材料,其圆柱形电池则主要用于工业设备和消费电子产品。Northvolt正在瑞典建设一个欧洲版的Gigafactory,预计到2023年将拥有32GWh的容量。Northvolt在合作伙伴上也尤其得天独厚的优势,大众、雪铁龙、标致、宝马等一众欧洲巨头都将为他的整车企业客户。此外,Northvolt还在2019年获得了大众的9亿欧元投资,双方将成立合资公司,建设16GWh电池工厂。

  法国车企PSA也不甘寂寞,据外媒报道,PSA集团将与法国电池制造商Saft公司联合建立两个总产能达64GWh/年的电池工厂。Saft是是一家高科技工业电池的设计开发及制造商,主营镍电池和锂电池的设计和制造业务,其锂离子电池被应用于卫星等军事领域。PSA与Salt将投资共50亿欧元建立一家名为Automotive Cell Company(ACC)的合资企业。据业内人士分析,PSA与Saft的联手是欧洲推动动力电池市场反击的重要落子。

  欧洲动力电池产业尽管目前处于落后,但欧洲的发展决心早已表露无遗。凭借深厚的工业基础和政府的大力支持,欧洲也定不会让自己在动力电池这片肥沃的市场缺席。

  世界主要国家对新能源汽车的发展绘制了宏伟蓝图,并制定了行动路线图。我们相信,动力电池产业也将随之而获得持续发展,无论是无钴或少钴电池还是有钴电池将出现更多、更好的创新技术,进而反哺于新能源汽车的发展。

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