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          爭議不斷的動力電池暗戰,究竟改變了什么?

          2021-07-18 20:14:34 和訊名家 

          作為新能源汽車的核心動力組成部分,電池的性能在很大程度上決定了車輛的綜合表現,其技術路線的爭論一直存在.究竟哪種電池更適合當前的純電動車,似乎一直沒有一個定論。由于動力電池的性能優勢不同,根本上來說,爭議圍繞的也是續航問題與安全系數。

          這樣的電池性能分化也導致用戶在選擇何種電池車型搖擺不定.在新能源汽車市場,電池安全與續航不能同時兼得,電池安全了就得犧牲部分續航,續航滿足了,就得犧牲部分安全,安全與續航不僅是消費者購買電動車考慮的重要因素,也是關乎產業發展路線的核心要素。

          目前主流的技術路線是三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池這兩種方案,這兩個派系都在各自的領域有著不可替代的優勢,各具千秋,大家各有意見與分歧。三元鋰電池技術路線背后代表著電動汽車的高續航里程,其在中高續航車型中普遍應用,磷酸鐵鋰電池技術路線代表著安全與成本性能更優,在中低續航車型中普遍應用。以寧德時代(300750,股吧)為首追求更高的續航里程的派系選擇了三元鋰的方向,而比亞迪則以電池安全為主成為了磷酸鐵鋰的代言人。那么這兩種技術路線到底有什么區分和各自的優勢呢?

          三元鋰vs磷酸鐵鋰:

          性能大比拼

          三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池這兩種電池的結構類似,都是由正極材料、負極材料、隔膜和電解液四部分組成,兩者根本的區別從材料方面來看,主要是正極材料的不同,其中三元鋰電池正極材料為鎳、鈷、錳或鎳、鈷、鋁三種材料的聚合物,磷酸鐵鋰電池正極材料為磷酸鐵鋰。

          三元鋰電池指的是正極材料以鎳、鈷、錳(NCM)三種元素,負極材料以石墨,電解質以六氟磷酸鋰為主的鋰鹽鋰電池。目前主要應用于電動車行業,是動力電池中的主流電池技術路線之一。磷酸鐵鋰電池是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池,負極是石墨,電解質為六氟磷酸鋰。

          談論一個電池好不好主要的衡量標準主要是從四個要素來看:能量密度、循環壽命、安全性以及成本。能量密度分為單體能量密度和系統能量密度,單體能量密度指單位體積或單位質量所釋放的能量,該參數是電動車續航能力的直接影響因素,我們討論整車的能量性能用的是系統能量密度。

          循環壽命指的是經歷一次充放電稱為一個周期或一次循環,電池在反復充放電后,容量會逐漸下降,在一定的放電條件下,電池容量降至80%時,電池所經受的循環次數就是循環壽命。安全性也就是談論電池的熱失控問題,當電池的熱失控到達一定的溫度之后,就會出現不可控的狀態,導致電池內部的溫度直線上升,可能會出現燃燒或者爆炸的危險。

          總的來說,三元鋰電池的主要優勢在于能量密度高,可以讓汽車有更長的續航里程,解決了電動汽車的核心里程問題,但是廣為詬病的是其安全性,其熱失控溫度相較于磷酸鐵鋰電池來說較低,磷酸鐵鋰電池的熱失控溫度在500℃左右,而三元鋰電池在300℃左右,在熱失控溫度區間,電解液會迅速燃燒,產生自燃及爆炸的風險。三元鋰電池汽車自燃事故和召回事件頻發,最近的一次新能源汽車大型召回事件也是因為電池安全的緣故。因為現代Kona汽車的一系列起火事件,在今年 2月,現代汽車和LG化學斥資9億美元全球召回8.2萬輛車,更換其電池系統改善安全性能。

          而在電池安全方面,磷酸鐵鋰電池具有優勢,在內部或外部受到傷害,電池也不燃燒、不爆炸,并且電池不含任何重金屬與稀有金屬,成本較低,無污染綠色環保。當然磷酸鐵鋰電池也不是那么完美,主要的缺點能量密度較三元鋰電池來說偏低,而三元鋰電池可以通過調整正極材料鎳的比例繼續升級其能量密度。

          除了能量密度以外,其抗低溫能力也較差,在氣溫低于﹣10℃的低溫條件下,磷酸鐵鋰電池衰減得非?,經過不到100次充放電循環,電池容量將下降到初始容量的20%,極大地限制了北方低溫天氣的使用。而三元鋰電池的低溫性能優異,即使在﹣30℃條件下,仍可保持正常電池容量,更適應北方低溫地區的使用條件。

          綜上所述,三元鋰電池因其能量密度高在中高續航車型中普遍應用,磷酸鐵鋰電池因其壽命更長、成本更低,在中低續航車型中得到了廣泛應用。目前大多數企業發力點還是集中在三元鋰電池上,國內如寧德時代、中航鋰電、億緯鋰能(300014,股吧)等動力電池企業均發力三元鋰電池產品,國外松下、韓國LG化學、三星SDI等動力電池企業也多采用三元鋰電池的技術路線。

          動力電池格局新變,

          磷酸鐵鋰悄悄拔尖

          縱觀動力電池的發展路線,很有意思的是,你會發現這兩種動力電池技術路線呈現的是來回交替的變化路徑。從動力電池的發展歷程來看,在三元鋰電池風靡以前,消費端對于電動汽車的續航里程需求并沒有那么高,再加上其成本較三元鋰電池來說較低,磷酸鐵鋰其實一直是動力電池主要采取的技術路線,不過后來因為三元鋰電池能量密度性能以及消費端對續航能力的看重,市場風向轉為三元鋰電池。

          三十年河東,三十年河西,有幸的是我們又站在了技術與政策的轉折點上。新能源的補貼政策近年來逐漸退坡,國家對電池的補貼越來越少,動力電池的價格也越來越直接影響電動汽車的成本,在新能源汽車強調高質量、低成本發展的背景下,磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池的發展格局又面臨新的變化。補貼不利的政策下,磷酸鐵鋰較三元鋰電池的成本優勢顯現,技術革新后的磷酸鐵鋰電池打破其原有續航里程瓶頸,能夠滿足400km-600km續航能力要求,鑒于電池性能的大幅優化與其本來的成本優勢,車企也在逐漸將磷酸鐵鋰電池作為新的選擇,磷酸鐵鋰電池逐漸更受青睞。

          據中國汽車動力電池產業創新聯盟最新公布的數據,2021年5月,我國磷酸鐵鋰電池月產量首次超過了三元鋰電池。截至2020年年底,我國三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池的產量占比還分別為58.1%和41.4%。2021年1-5月,我國磷酸鐵鋰電池累計產量占比已達50.3%,超過三元鋰電池的49.6%。

          我們可以看到磷酸鐵鋰的產量在上半年就已經超過了三元鋰電池的產量,雖然該數據是電池產量而不是市場占比或者是裝機量的數據,但是其增幅的趨勢也可以預測,2021年磷酸鐵鋰的裝機量在大概率上將超過三元鋰電池。對于電動汽車來說,選擇三元鋰電池的技術路線也是順其成本和技術優勢的最優解。

          從產業布局層面看,寧德時代、比亞迪、國軒高科(002074,股吧)等頭部電池企業都在積極加碼磷酸鐵鋰電池產能建設,寧德時代和比亞迪推出的基于磷酸鐵鋰方案的CTP電池和刀片電池目前也獲得了市場認可,各廠商正在積極擴充部署旗下磷酸鐵鋰電池產能,獲取先發的競爭優勢。

          路線之爭終結無止期,

          創新蝶變在路上

          市場上動力電池的技術路線從時間跨度的層面來說,一直是你方唱罷我登場的左右搖擺局面,目前是因為政策環境與技術革新發生了新的改變,磷酸鐵鋰電池打開了新的動力電池格局,拔得頭籌。但是我們也知道任何排名里沒有永遠的第一,除了三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池性能拔尖外,還有一些動力電池的新技術與發展也有新的變化創新,值得關注。誰也無法確定未來的主流趨勢是什么,但是根據這些技術的創新點,也可以窺測個大概的發展樣貌。

          固態電池是一種新興技術,固態電池技術采用鋰、鈉制成的玻璃化合物為傳導物質,使用固體取代以往鋰電池的電解液,除了可以避免電解質泄露、更好地控制體積,實現更密集地存儲能量,還可以兼作電池的隔膜,減少火災、爆炸的危險。固態電池循環壽命長,目前研發的預期壽命是15000-20000次,遠高于三元鋰電池1200次和磷酸鐵鋰電池的2000次。所有的性能參數目前都是在實驗室的結果,還沒有真正進行量產商用,主要的原因就是其生產工藝復雜,成本較高。因為其性能的優勢,目前的各大廠商也都積極規劃固態電池研發的部署。

          除了正在研究中的固態電池以外,一種介于液態和固體之間的電池-果凍電池也漸入視野,這是一種基于無鈷正極材料和電解液材料的材料打造的凝膠電池,由電池制造商蜂巢能源研發,這種凝膠型電解質可以與電極材料的表面更好的貼合,具有自愈、阻燃等特點,能在不降低電性能的同時阻止熱擴散。果凍電池可以說是液態電池向固態電池發展的一個過渡。

          市面上動力電池的新產品還有四元鋰電池,它是指正極采用鎳、鈷、錳、鋁四種金屬材料的電池,四元鋰電池是升級版本的三元鋰電池,鎳的含量增高,多加入的鋁元素,降低了其他高價值金屬元素的含量,實現了高能量密度、高穩定性、低成本難以同時實現的特性,目前是由韓國LG化學電池廠商進行研發,據悉最快今年內即可量產并裝車使用。對于動力電池產品而言,其量產將會掀起一股技術路線升級的浪潮。

          除了在材料方面進行創新,結構方面的創新也有新的看點,2020年3月底,比亞迪正式推出了“刀片電池”。通過結構創新,省去模組,增大電芯長度,提高體積利用率,不僅滿足電池穩定性和安全性能的需求,也有效提升續航里程。在采用磷酸鐵鋰電芯的前提下,刀片電池結構將磷酸鐵鋰電池的容量(續航)水平拔高到了和三元鋰電池的同一水平線。未來,比亞迪宣稱旗下全系電動車型將全面搭載刀片電池,目前正在積極擴充產能。

          總體而言,新技術主要圍繞材料和結構創新,材料方面,圍繞去鈷、高鎳,添加硅等方式,電解質朝著固態路線發展,結構上朝著去模組化的CTP和CTC路線(即核心省去電池模組、打包過程,將電芯直接集成到汽車底盤上,實現更高程度集成化)發展。

          無論是哪種技術發展方向,其目的都是強化電池性能與安全,我們知道實驗室的產品與正式落地后產品性能還有較大的差距,這中間需要不斷平衡能量、壽命、成本、安全等相互矛盾的性能指標。雖然現在的技術路線之爭是磷酸鐵鋰取得了優勢,可見的未來里,磷酸鐵鋰電池在電動汽車上會有更多的裝機量,但是我們也發現,動力電池的技術一直在革新變化,新的產品如固體電池、果凍電池、納離子電池等也在亂花漸欲迷人眼,說不定哪天技術發展到突破了成本和里程現有的記錄,新的電池技術路線讓電動車行業重新洗牌,對于用戶來說也帶來更安全和便捷的體驗。

          時間維度拉長去看,愈演愈烈的技術革新讓電池路線之爭終結似乎沒有盡頭,對于行業來說,動力電池持續的進化帶來的是更安全更高效的體驗,這也會引領新能源汽車技術與產品的變革,為用戶提供更多選擇。

          本文首發于微信公眾號:腦極體。文章內容屬作者個人觀點,不代表和訊網立場。投資者據此操作,風險請自擔。

          (責任編輯:王治強 HF013)
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