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電池知識(shí)

磷酸鐵鋰如何在三元材料崛起中,打通自身筋脈反敗為勝?

來源:寶鄂實(shí)業(yè)    2019-04-14 16:46    點(diǎn)擊量:
 目前國內(nèi)的動(dòng)力電池主要分為兩個(gè)派系,根據(jù)正極材料的不同分為磷酸鐵鋰派和三元材料派。

  磷酸鐵鋰如何在三元材料崛起中,打通自身筋脈?

  正極材料種類及性能比較

  三元材料大火

  從產(chǎn)量來看,目前三元材料已經(jīng)成為正極材料增速最高的細(xì)分領(lǐng)域,據(jù)統(tǒng)計(jì),2017年全國正極材料產(chǎn)量為21萬噸,同比增長3成,其中三元材料8.6萬噸、磷酸鐵鋰5.8萬噸、鈷酸鋰4.5萬噸、錳酸鋰2.1萬噸,三元材料接替2016年磷酸鐵鋰成為2017年增速最高的正極材料,受益乘用車接替客車成為新能源車重要增量。

  磷酸鐵鋰如何在三元材料崛起中,打通自身筋脈?

  國內(nèi)正極材料產(chǎn)量

  磷酸鐵鋰如何在三元材料崛起中,打通自身筋脈?

  2017年我國正極材料產(chǎn)量結(jié)構(gòu)

  從原材料來看,2017年以來,金屬鈷價(jià)格暴漲,三元電池用鈷成為鈷未來增速最快、空間最大的需求領(lǐng)域。三元正極材料應(yīng)聲上漲,面對(duì)迅速攀升的成本壓力,電池廠商利用正極材料技術(shù)協(xié)同紛紛向三元正極材料布局,緩沖原材料漲價(jià)沖擊,并且掌握上游資源。三元材料相較磷酸鐵鋰?yán)麧櫩臻g更大,眾多企業(yè)紛紛布局三元材料。

  磷酸鐵鋰如何打通自身經(jīng)脈?

  1、技術(shù)突破,解決能量密度低的硬傷

  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。三元材料鋰電池是指使用鎳鈷錳酸鋰做為正極材料,石墨作為負(fù)極材料的鋰電池。

  與磷酸鐵鋰不同,三元鋰電池電壓平臺(tái)很高,這也就意味著在相同的體積或是重量下,三元鋰電池的比能量、比功率更大。除此之外,在大倍率充電、和耐低溫性能等方面,三元鋰電池也有很大的優(yōu)勢(shì)。

  磷酸鐵鋰如何在三元材料崛起中,打通自身筋脈?

  從上圖可以看出磷酸鐵鋰的能量密度最低,在最新的補(bǔ)貼政策中,乘用車120Wh/kg、客車115Wh/kg成為一個(gè)重要分水嶺,只有滿足才能獲得一倍補(bǔ)償。在政策的刺激下,推動(dòng)技術(shù)升級(jí)成為磷酸鐵鋰破局的關(guān)鍵之一。

  在提升磷酸鐵鋰電池能量密度的工作中,負(fù)極材料的改善也是關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。目前除了石墨之外,其他有可能作為改善負(fù)極材料性能的材料,包括,硅以及各種氧化物添加劑,來添加到目前的傳統(tǒng)石墨里面,這個(gè)是目前比較可行的方法,而且現(xiàn)在很多公司都已經(jīng)在采用。

  2、成本控制、快充技術(shù)突破,破除三元客車解禁優(yōu)勢(shì)

  受到2016年客車禁用三元的影響,磷酸鐵鋰在新能源客車中成為主流,得益于新能源客車的高速發(fā)展,在2016年全年的出貨量中,磷酸鐵鋰占據(jù)七成以上的份額。進(jìn)入2017年,隨著安全標(biāo)準(zhǔn)得到統(tǒng)一,客車用三元開始解禁,不過采用者依然寥寥無幾。但隨著2018年補(bǔ)貼政策的推出,三元重新進(jìn)入申報(bào)列表。

  這是否意味著三元卷土重來呢?實(shí)際上答案并不明確,在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)得到確定之后,三元的安全問題不用再擔(dān)心,但受到合作以及技術(shù)的慣性,再加上客車市場局限,新能源客車行業(yè)發(fā)展逐漸遇到天花板。并且,對(duì)于商用車而言,能量密度也不是首要關(guān)心的問題,成本、運(yùn)營效率等更被看中。

  在鋰電池企業(yè)中,兩級(jí)分化加重,寧德時(shí)代、比亞迪、沃特瑪?shù)日紦?jù)了市場主要份額,而這三家企業(yè),在新能源客車、專用車市場占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位,從市場份額來看,磷酸鐵鋰依然還有很大的空間。

  3、梯次利用,解決回收利用難度大的問題

  隨著磷酸鐵鋰電池壽命的終結(jié),回收成為一大難題。與三元電池相比,磷酸鐵鋰回收利用率低,缺乏盈利點(diǎn),甚至進(jìn)行再生材料回收處于虧本狀態(tài),這導(dǎo)致磷酸鐵鋰電池回收不僅不能帶來效益,還會(huì)成為拖累。

  2018年頒布動(dòng)力電池回收新規(guī)明確了回收主體以及責(zé)任,電池企業(yè)也在積極研究更加綠色、經(jīng)濟(jì)的回收利用技術(shù),只有補(bǔ)足了這一塊短板,磷酸鐵鋰在可持續(xù)發(fā)展的道路上才能走得更遠(yuǎn)。

  與此同時(shí),進(jìn)行梯次利用,以及開拓新市場成為電池企業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。在補(bǔ)貼退坡之后,成本、利用效率成為市場關(guān)注的核心。
 2017年新能源汽車補(bǔ)貼政策開始退坡,但依然阻擋不住鋰電企業(yè)的擴(kuò)產(chǎn)腳步。動(dòng)力電池作為新能源汽車的動(dòng)力之源,與續(xù)航、安全、充放電、市場等一切使用都有著緊密的聯(lián)系。

  在動(dòng)力電池中,現(xiàn)在應(yīng)用到新能源汽車的主要是磷酸鐵鋰電池三元鋰電池,二者之間最大的區(qū)別就在于能量密度和安全性,能量密度的大小關(guān)乎到汽車的續(xù)航能力,而安全性主要體現(xiàn)在材料在高溫下會(huì)發(fā)生分解,這兩點(diǎn)都是消費(fèi)者選購新能源汽車時(shí)最關(guān)注的問題,也是目前業(yè)內(nèi)對(duì)這兩種電池爭議最多的地方。

  能量密度對(duì)比

  磷酸鐵鋰電池的能量密度遠(yuǎn)不及三元鋰電池,但其安全性普遍被認(rèn)為要好于三元鋰。先說說能量密度,目前,新能源汽車的補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)視電池系統(tǒng)的能量密度而定,其具體政策就是,當(dāng)電池系統(tǒng)能量密度超過120Wh/kg,就可以享受1.1倍的補(bǔ)貼,介于90Wh/kg和120Wh/kg之間只能享受1倍補(bǔ)貼。

  據(jù)了解,目前市面上的磷酸鐵鋰電池經(jīng)過改進(jìn)要達(dá)到90Wh/kg的難度不大,但要做到120Wh/kg的企業(yè)寥寥無幾。比亞迪一直專注于磷酸鐵鋰電池電池,在這塊的技術(shù)上處于國內(nèi)領(lǐng)先水平,此前有傳聞比亞迪研發(fā)出高能量密度的磷酸鐵鋰電池,能力密度可以達(dá)到150Wh/kg,這個(gè)水平與三元鋰電池幾乎相當(dāng)。傳聞是否屬實(shí)先暫不討論,但作為行業(yè)龍頭的比亞迪尚且只能做到這樣的水平,就可以看出使用磷酸鐵鋰電池要想拿到1.1倍補(bǔ)貼的難度不小,但這個(gè)難題對(duì)于三元鋰電池來說卻是輕而易舉就能達(dá)到。

  另外從幾家動(dòng)力電池2017年的產(chǎn)能規(guī)劃可以看出,對(duì)于三元鋰電池的產(chǎn)能擴(kuò)張也尤其明顯,就連比亞迪這樣過往一根筋鐘愛磷酸鐵鋰電池的企業(yè),在2017年都維持磷酸鐵鋰產(chǎn)能不變,轉(zhuǎn)頭擴(kuò)張三元鋰電池。

  三元PK磷酸鐵鋰的結(jié)果一看便知

  安全性對(duì)比

  除了在供給端三元鋰電池有所擴(kuò)產(chǎn)之外,在需求端也一并放大。剛剛說到的能量密度要求是三元鋰電池的需求端放大的一個(gè)動(dòng)力,另一個(gè)則來自于三元鋰電池在2017年將正式解禁客車使用。這里就涉及到三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池優(yōu)劣性上的第二個(gè)爭議點(diǎn)—“安全性”。

  三元鋰電池由于在200度左右會(huì)發(fā)生分解(磷酸鐵鋰則需要溫度高達(dá)700度),并且分解后會(huì)產(chǎn)生更加劇烈的化學(xué)反應(yīng),因此在汽車碰撞時(shí)更容易著火,這也是三元鋰電池普遍被認(rèn)為不安全的地方,正是因?yàn)檫@個(gè)原因三元鋰電池此前被暫停使用在客車上。

  然而,安全性的好壞其實(shí)更取決于整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng),尤其是電池管理系統(tǒng)(BMS),合格的BMS都可以在發(fā)生意外時(shí)切斷電源避免著火,并不能僅因?yàn)槿嚥牧先菀谉峤饩驼J(rèn)為三元鋰電池不安全。隨著三元鋰電池安全性重新被評(píng)估,客車將解禁三元鋰電池,這無疑又釋放了很大一塊市場。

  溫度影響

  我國幅員遼闊,氣候復(fù)雜,從最北端的東北三省到最南端的海南諸島溫度變化非常豐富。以北京為例,作為電動(dòng)汽車的主力市場,北京夏季最高溫度在40℃左右,而冬季則基本保持在零下16℃左右,甚至更低。這樣的溫度區(qū)間顯然適合低溫性能更佳的三元鋰電池。而注重耐高溫性能的磷酸鐵鋰電池在北京的冬季會(huì)顯得有些乏力。更何況,三元鋰電池耐高溫方面與磷酸鐵鋰相比,差距并不大。

  三元PK磷酸鐵鋰的結(jié)果一看便知

  從上圖中能夠看出,以25℃為基準(zhǔn)常溫,兩類電池在55℃高溫下放電與常溫25℃下放電,放電容量幾乎沒有差別。但在零下20℃時(shí),三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池相比有比較明顯的優(yōu)勢(shì)。

  充電效率對(duì)比

  除了續(xù)航之外,充電也是電動(dòng)汽車在實(shí)際使用中的重要環(huán)節(jié),而三元鋰電池在充電效率方面較磷酸鐵鋰電池有著非常大的優(yōu)勢(shì)。
三元在乘與專上主流專用車鐵鋰有所增多

  三元保持在乘用車與專用車上的主流地位,磷酸鐵鋰在專用車上使用增多三元保持在乘用車與專用車上的主流地位,乘用車方面,前7批的三元應(yīng)用占比為68%,第8批該比例為80%,三元處于絕對(duì)領(lǐng)先地位。專用車方面,前7批的三元應(yīng)用占比為68%,第6、7批中三元應(yīng)用占比分別為75%、70%,占比同樣較高,但本批次。專用車中三元占比下降至53%,磷酸鐵鋰已由第7批的28%提升至41%,三元仍處于主流地位,但磷酸鐵鋰在專用車上使用比例大幅提高。
  三元PK磷酸鐵鋰的結(jié)果一看便知

  我們了解到,目前市面上較為常見的充電方式為恒流恒壓式充電。一般在充電開始時(shí)先采用恒流充電,此時(shí)的電流較大,充電效率相對(duì)更高。而在電壓達(dá)到一定數(shù)值之后,降低電流改為恒壓充電,這樣可以讓電池充的比較滿一些。

  從表中可以看出,三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池在10C以下充電時(shí),恒流比無明顯差距,10C以上倍率充電時(shí),磷酸鐵鋰電池恒流比例迅速降低,充電效率迅速降低。

  結(jié)論:磷酸鐵鋰與三元的市場之爭,至目前雖然還沒有一個(gè)明確的定論,并且電池技術(shù)日新月異,不久的將來迎來革命性的變化也在意料之中,但筆者認(rèn)為,技術(shù)已經(jīng)成熟的三元電池,憑借其能量密度高且仍有較大提升空間、不遜色的安全性、耐低溫、高充電效率等特性,將會(huì)在新的市場中站穩(wěn)腳跟。
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