以小見大 從磷酸鐵鋰、三元電池看行業(yè)現(xiàn)狀
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-12 16:16
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2016年年底出臺的新能源汽車補貼新政明確將補貼額度與電池能量密度掛鉤，能量密度越高補貼越多。為此，許多動力鋰電池企業(yè)紛紛調(diào)整技術(shù)路線，減少磷酸鐵鋰的投入，轉(zhuǎn)投三元電池。緊接著，大量資金涌向三元電池產(chǎn)業(yè)鏈，直接造成鈷價等原材料價格大幅上漲企業(yè)成本明顯增加。不難看出，在“轉(zhuǎn)軌”過程中，磷酸鐵鋰與三元電池的取舍無疑成為許多電池企業(yè)的一塊“心病”。
以小見大 從磷酸鐵鋰、三元電池看行業(yè)現(xiàn)狀
通過調(diào)研走訪我們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段動力電池材料技術(shù)路線主要分為：以磷酸鐵鋰為主，兼顧發(fā)展三元電池：代表企業(yè)為比亞迪、沃特瑪、國軒高科等；以三元電池為主，兼顧發(fā)展磷酸鐵鋰：代表企業(yè)為德朗能、比克、億緯鋰能等；磷酸鐵鋰和三元電池并行發(fā)展：代表企業(yè)為萬向A123、天津力神、山東威能等。
那么在實際生產(chǎn)中，主流企業(yè)為何這樣抉擇呢？
沃特瑪：堅持磷酸鐵鋰不放棄
成立于2002年的沃特瑪，是國內(nèi)最早研發(fā)磷酸鐵鋰動力電池、汽車啟動電源、儲能系統(tǒng)解決方案的企業(yè)之一。幾年前，沃特瑪也曾專注過三元電池。然而，在政策調(diào)整和企業(yè)發(fā)展的過程中，沃特瑪發(fā)現(xiàn)：盡管從能量密度來講三元電池略勝一籌，但對鈷材料的掌控權(quán)并不在我國。隨著我國新能源汽車市場的逐步擴大，動力電池的需求量也將隨之增加。如果全國的動力電池都走三元路線，未來勢必在原材料方面受制于其他國家，動力電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將處于被動局面。為了更有效、迅速地在行業(yè)中脫穎而出，與日韓電池企業(yè)“一決雌雄”，沃特瑪毅然調(diào)整路線，大力發(fā)展磷酸鐵鋰。如今，碳酸鐵鋰電池單體能量已達到145 Wh/kg。
相關(guān)負責(zé)人告訴調(diào)研組，未來，沃特瑪仍將堅持磷酸鐵鋰體系，并計劃通過材料和結(jié)構(gòu)的調(diào)整，進一步提升磷酸鐵鋰體系，以用作技術(shù)儲備。
比亞迪：目標是安全第一
比亞迪是全球第二大和國內(nèi)最大的動力電池生產(chǎn)商，一直堅持磷酸鐵鋰電池的技術(shù)路線，是全球磷酸鐵鋰電池技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者。2017年，比亞迪在大巴、專用車方面，依然選擇磷酸鐵鋰電池；而在純電動方面，可能會是磷酸鐵鋰和三元同時并存。搭載磷酸鐵鋰電池的E6目前續(xù)航里程為400公里，未來目標是做到500公里以上。
電池中國網(wǎng)通過調(diào)研了解到，比亞迪堅定這一路線的主要考量是“安全”。電池存在太多不安全因素，相對三元電池來講，磷酸鐵鋰更安全，更適合新能源汽車使用，因為新能源汽車正處在“發(fā)展期”，一旦出現(xiàn)安全事故將會對整個行業(yè)造成嚴重打擊。未來，比亞迪在發(fā)展磷酸鐵鋰電池的同時，將進行高能量密度三元電池的研發(fā)，預(yù)計在很長一段時間內(nèi)，磷酸鐵鋰電池與三元電池將會長期并存。
“單一側(cè)重點”作戰(zhàn)，更加適合像沃特瑪和比亞迪這樣資金雄厚、技術(shù)過硬的標桿企業(yè)，絕大多數(shù)企業(yè)還是堅守著三元電池和磷酸鐵鋰“兩手抓，兩手都要硬”的原則，盡可能多地在整體市場中“分一杯羹”。
億緯鋰能：后起之秀兩手抓，靠實力說話
惠州的電池企業(yè)中，億緯鋰能發(fā)跡很快，在電池界迅速躥紅，這跟磷酸鐵鋰和三元并行的技術(shù)路線是密不可分的。
在調(diào)研過程中，億緯鋰能表示磷酸鐵鋰與三元兩個體系的電池各有特點，磷酸鐵鋰安全性好，循環(huán)壽命高，在一些公交車和出租車這一類的應(yīng)用領(lǐng)域會選擇磷酸鐵鋰。三元電池的比能量高、增長速度快。兩種材料技術(shù)路線各有所長，應(yīng)該在競爭中各自成長。今后五年，億緯鋰能將對兩個體系都進行研發(fā)和生產(chǎn)投入，使兩者并行。但另一方面，億緯鋰能正在規(guī)劃建設(shè)的三元材料動力鋰離子電池生產(chǎn)線，自動化程度非常高。這一舉措不難表明億緯鋰能依舊對三元寄予厚望。
比克：三元電池領(lǐng)跑業(yè)內(nèi)
比克是國內(nèi)最早布局動力電池的廠家之一。早在2004年，就和美國A123聯(lián)合開發(fā)出全球第一款動力電池，即磷酸鐵鋰26650電池，但由于雙方對技術(shù)路線的判斷不一致，比克優(yōu)先發(fā)展三元材料體系的高能量密度鋰離子電池，放棄了鐵鋰系電池產(chǎn)品。
借此調(diào)研機會，比克的相關(guān)負責(zé)人告訴電池中國網(wǎng)，三元電池在汽車上批量使用接近5年的企業(yè)，只有比克一家。比克結(jié)合客戶終端應(yīng)用，堅定了信心，判斷三元圓柱電池就是下一代汽車動力電池的未來方向。
在面臨“磷酸鐵鋰”和“三元電池”的取舍時，“百家爭鳴”是大勢所趨，但很難“持之以恒”，“優(yōu)勝劣汰”才是市場發(fā)展的最終導(dǎo)向。但電池行業(yè)需要這個過程，市場需要這個環(huán)節(jié)。動力電池技術(shù)還在不斷發(fā)展和進步。磷酸鐵鋰電池曾經(jīng)因為壽命長、安全性好的特點而受到熱捧，但隨著三元鋰電池安全問題不斷得到改善、解決，能量密度高的優(yōu)勢得以發(fā)揮，越來越多的企業(yè)采用三元鋰電池。未來如果石墨烯電池、鋁空氣電池投入使用，動力電池以及電動汽車整車領(lǐng)域都將面臨變革。
由此可見，技術(shù)路線優(yōu)缺點各不相同，“利”被無限放大的同時，也伴隨著短期內(nèi)無法割舍的“弊”。另一方面，企業(yè)基礎(chǔ)、技術(shù)水平、乃至政策因素，都對“發(fā)展”起著至關(guān)重要的作用。電池企業(yè)要科學(xué)看待能量密度，認清自身實際情況，明確自己的重點技術(shù)方向，揚長避短，不要跟風(fēng)，更不能被片面的觀點所誤導(dǎo)。
新能源汽車如果想真正實現(xiàn)與傳統(tǒng)汽油車體驗接近，縮短充電時間、提高續(xù)航里程和充電的便利性是不可回避的話題。寧德時代新能源科技股份有限公司(CATL)快充項目負責(zé)人王升威博士表示，CATL研發(fā)的“超電子網(wǎng)”和“快離子環(huán)”技術(shù)雙劍合璧，開發(fā)出來磷酸鐵鋰快充電芯成組后擁有4C的高倍率快充，15分鐘內(nèi)可完成純電動客車100%充電。
9月27日，在第一電動網(wǎng)主題為“充電五分鐘，行駛兩小時的時代即將到來？”的第八期公開課上，王升威發(fā)表演講解析快充型鋰離子電池的原理、特點，并介紹了CATL的維護方案和快充型鋰離子電池進展。
寧德時代新能源科技股份有限公司(CATL)快充項目負責(zé)人王升威博士
從原理上講，電池快充的瓶頸在負極，普通化學(xué)體系在快充時在負極會出現(xiàn)副產(chǎn)物，影響電芯的循環(huán)和穩(wěn)定性。一旦鋰離子被阻塞在負極是非常危險的，但只要鋰離子進入石墨內(nèi)部，基本上就不會有問題。因此，CATL開發(fā)了“快離子環(huán)”技術(shù)，在石墨表面與內(nèi)部打造高速公路網(wǎng)，使鋰離子能快速嵌入石墨的任何位置。
“既可以實現(xiàn)鋰離子密度的，又可以快充，這像修環(huán)城高速來緩解交通擁堵，‘快離子環(huán)’石墨就是這個機理，我們在手機上已經(jīng)有數(shù)億的出貨量了，可靠性已經(jīng)得到了驗證。”王升威如是介紹。
磷酸鐵鋰適不適合快充？
業(yè)內(nèi)有人認為磷酸鐵鋰不適合快充，在王升威看來，這個問題存在兩面性。從材料上看，磷酸鐵鋰材料的本征電導(dǎo)率比較低，僅為三元材料的百分之一，需要對磷酸鐵鋰材料進行導(dǎo)電性優(yōu)化才能滿足快充的需求。
王升威表示，經(jīng)過CATL的改造，磷酸鐵鋰已經(jīng)不是“原來那個磷酸鐵鋰”，甚至比三元材料更好。在正極上，CATL開發(fā)了“超電子網(wǎng)”技術(shù)，使得磷酸鐵鋰具有優(yōu)異的電子導(dǎo)電性能，可達三元材料的1000倍。
他指出，目前的磷酸鐵鋰快充電池的循環(huán)性能比不快充的要好，從原理上講，循環(huán)性能跟充電是不存在矛盾的。那為什么傳統(tǒng)電池一用快充循環(huán)就不好？那是因為傳統(tǒng)電池并不是按快充設(shè)計的，快充的時候就會有副產(chǎn)物或者副反應(yīng)，副反應(yīng)多了以后，循環(huán)自然變差。一旦解決了快充的動力學(xué)問題，它的循環(huán)最起碼不會變差。與此同時，快充電池不但動力學(xué)高了，而且由于能量密度比非快充的低一點，能量密度低了，電解液多了，循環(huán)變得更好就不足為怪了。實際上，他們目前開發(fā)的磷酸鐵鋰快充電池可以達到10000循環(huán)。
保障“健康充電區(qū)間內(nèi)”的快充
“CATL經(jīng)過多年研究，我們認為健康的充電區(qū)間是與充電的不可逆反應(yīng)速度有關(guān)的，這個對于固定化學(xué)體系來說，它會受溫度和電壓的影響，不可逆反應(yīng)的速度決定了電池在循環(huán)過程中的容量衰減和阻抗增加的速度，所以我們研究的重點在于怎么識別不可逆反應(yīng)的速度，在這個“健康充電區(qū)間”范圍內(nèi)進行快充，就可以既實現(xiàn)快速充電，又可以不讓電池受到快充的損害，做到快充和長循環(huán)兼顧。”
在低溫情況下，CATL提出了兩種電池保護，一是分溫度區(qū)間充電，低溫下慢充，在電池的“健康充電區(qū)間”內(nèi)充電，更好地保護電池。二是利用水熱系統(tǒng)，低溫下為電芯加熱，待電芯溫度達到要求，即可開啟快充模式，做到低溫下“健康的”快充。
同樣，電池也需要避免高溫的影響，因為它本身存在氧化還原反應(yīng)，溫度越高反應(yīng)越劇烈。對此，CATL的解決方案是采用3.65V的低電壓體系，正極氧化性弱，副反應(yīng)少而且速度慢。另外還有水冷控制溫度，避免高溫情況出現(xiàn)。
高能量密度電池快充領(lǐng)先國際
在“更長的續(xù)航里程”方面，CATL的技術(shù)規(guī)劃是2020年之前電池能量密度要做到300瓦時每公斤，2025年以后，有進一步提高能量密度的規(guī)劃。在“更短的充電時間”方面，CATL已經(jīng)在開發(fā)能量密度190Wh/kg15分鐘滿充的快充電池，該電池預(yù)計在2018年具有批量生產(chǎn)能力，其主要應(yīng)用領(lǐng)域為乘用車。
“對于小車高能量密度快充電池方面，我們有技術(shù)儲備優(yōu)勢，國內(nèi)電池企業(yè)有機會領(lǐng)先于日韓。”王升威表示，“單從充電速度這一方面，普通小車用的充電基本上都是1C以下的，充到80%接近50分鐘。我們的產(chǎn)品12分鐘就可以充80%，充電速度有一個鮮明的對比。 即使對快充的重度用戶出租車來講，每天滿充兩次，一年要充700次，按照出租車4年左右的使用周期，2800次充電應(yīng)該是夠了。我們這一款高能量快沖電池的循環(huán)預(yù)計在3000次以上，應(yīng)該能滿足乘用車應(yīng)用的需求。
