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電池知識(shí)

磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池誰的工藝更加穩(wěn)重成熟?

來源:寶鄂實(shí)業(yè)    2019-04-26 20:04    點(diǎn)擊量:

隨著補(bǔ)貼下降,成本壓力增加,能量密度沒有超高要求,鐵鋰電池有望憑借其成本和安全優(yōu)勢(shì),在乘用車市場(chǎng)迎來更多發(fā)展機(jī)遇。

 

3月26日,財(cái)政部等四部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步完善新能源汽車推廣應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)貼政策的通知》,2019年的新能源汽車補(bǔ)貼政策終于落地。最新補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)從當(dāng)日起實(shí)施,并設(shè)置了三個(gè)月過渡期。

 

與業(yè)內(nèi)預(yù)期相同,新能源汽車補(bǔ)貼將在今年進(jìn)一步退坡。根據(jù)最新方案,乘用車、客車和專用車國家補(bǔ)貼幅度較2018年平均下降超過一半,加上取消的地方政府補(bǔ)貼,有分析稱,今年整體的補(bǔ)貼規(guī)模同比下降了70%。

 

補(bǔ)貼退坡表現(xiàn)在,一方面降低了原有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)下新能源汽車的補(bǔ)貼額度,另一方面則通過車輛續(xù)航里程、電池能量密度等門檻的提升,將一部分新能源車型擋在補(bǔ)貼門外。 

 

這對(duì)新能源汽車行業(yè)的影響是多層次的:首先,續(xù)航里程、電池能量密度門檻提升,將進(jìn)一步激勵(lì)企業(yè)提升自身產(chǎn)品的技術(shù)水平;其次,部分難以達(dá)到補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)的企業(yè)將直面補(bǔ)貼退坡的壓力,這部分壓力要么轉(zhuǎn)向市場(chǎng),要么靠企業(yè)內(nèi)部消化;從更廣的層面上而言,補(bǔ)貼退坡影響的是整個(gè)行業(yè),長(zhǎng)期來看,每一家新能源車企都會(huì)面臨降本增效的難題。

 

影響補(bǔ)貼的關(guān)鍵部分是動(dòng)力電池。作為新能源汽車的重要零部件,電池的能量密度及規(guī)模直接決定了電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。此前,受補(bǔ)貼政策引導(dǎo),動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)朝著高能量密度快速發(fā)展,三元材料也迅速推向市場(chǎng),去年其市場(chǎng)份額已經(jīng)超越磷酸鐵鋰,占據(jù)六成。 

 

但業(yè)內(nèi)對(duì)高能量密度的過熱追求也引發(fā)了質(zhì)疑。出于對(duì)安全和成本等因素的考慮,不少新能源汽車行業(yè)及上下游產(chǎn)業(yè)鏈人士認(rèn)為,電池技術(shù)路徑的選擇應(yīng)當(dāng)交給市場(chǎng),不應(yīng)過快推進(jìn)電池能量密度的突破。

 

隨著補(bǔ)貼逐步退坡,動(dòng)力電池行業(yè)格局將朝著更加市場(chǎng)化的方向推進(jìn)。相關(guān)部門出臺(tái)的補(bǔ)貼政策解讀的第一條,就闡明了政策在“適度優(yōu)化技術(shù)指標(biāo)”上的態(tài)度,在適當(dāng)提高技術(shù)指標(biāo)門檻的同時(shí),不提高技術(shù)指標(biāo)上限,防止企業(yè)盲目追求高指標(biāo)忽視安全性。 

 

引導(dǎo)電池技術(shù)多元化發(fā)展

 

在補(bǔ)貼的具體細(xì)則上,政策提升了拿到補(bǔ)貼的電池能量密度和電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程的最低要求。其中,電池能量密度門檻從去年的105Wh/kg提升至125Wh/kg,續(xù)航里程門檻則從去年的150公里提升至250公里。 

 

盡管能量密度、續(xù)航里程門檻提升,但為了防止企業(yè)盲目追高,新的補(bǔ)貼政策未將技術(shù)指標(biāo)上限進(jìn)一步提升。財(cái)政部等部委放出了三條原則:技術(shù)上應(yīng)先進(jìn)、質(zhì)量上要可靠、安全上有保障。 

 

這意味著,政策對(duì)動(dòng)力電池的技術(shù)路徑給予了更大空間。“電動(dòng)車技術(shù)路線沒有改變,但在動(dòng)力電池方面有引導(dǎo),磷酸鐵鋰和三元鋰電池都將迎來發(fā)展機(jī)會(huì)。”汽車行業(yè)資深分析人士鐘師對(duì)智庫君表示。 

 

此前幾年,由于補(bǔ)貼政策傾向于能量密度更高、續(xù)航里程更高的電池和電動(dòng)車,動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)鏈中,三元鋰電池發(fā)展迅速。有數(shù)據(jù)顯示,2018年,三元鋰電池的裝機(jī)量占有率達(dá)到60%,超過磷酸鐵鋰電池獨(dú)占鰲頭。 

 

不過,隨著新能源汽車銷量及保有量的提升,關(guān)于激進(jìn)追求能量密度和續(xù)航里程的質(zhì)疑也開始出現(xiàn)。智庫君此前多次報(bào)道,一方面,市場(chǎng)對(duì)新能源汽車的需求是否全部集中在高續(xù)航能力上并不確定;另一方面,過分追求高能量密度、高充電倍率也會(huì)增加成本壓力和安全隱患。 

 

事實(shí)上,對(duì)于能量密度指標(biāo)的弱化此前已有跡象。早先工信部發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》曾對(duì)動(dòng)力電池的能量密度提出發(fā)展目標(biāo),但在去年12月出臺(tái)的《汽車產(chǎn)業(yè)投資管理規(guī)定》中,對(duì)于新增動(dòng)力電池投資項(xiàng)目,之前意見稿中提到的能量密度要求被取消。

 

上述產(chǎn)業(yè)投資管理規(guī)定在放開市場(chǎng)準(zhǔn)入規(guī)則的同時(shí),取消了對(duì)電池能量密度的硬性要求,而是將其發(fā)展節(jié)奏、發(fā)展路徑更多地交給市場(chǎng)。

 

磷酸鐵鋰將收復(fù)失地?

 

新補(bǔ)貼政策的出臺(tái)有望促使整車廠改變過去單純追求能量密度的形勢(shì),由此帶來整個(gè)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)的重構(gòu)。 

 

此前,有動(dòng)力電池行業(yè)人士對(duì)智庫君表示,隨著補(bǔ)貼下降,成本壓力增加,能量密度沒有超高要求,鐵鋰電池有望憑借其成本和安全優(yōu)勢(shì),在乘用車市場(chǎng)迎來更多發(fā)展機(jī)遇。 

 

受益于新能源車企對(duì)能量密度和續(xù)航里程的要求提升,三元鋰電池近兩年逐漸“走俏”,市場(chǎng)占有率從2015年的27%上升至60%,成為動(dòng)力電池領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。近期申請(qǐng)?jiān)诳苿?chuàng)板上市的容百科技主要產(chǎn)品,便是用于三元鋰電池的正極材料。

 

相比較而言,磷酸鐵鋰電池在前兩年一直是市場(chǎng)主流,2015年、2016年左右市占率高達(dá)70%左右,2017年開始,隨著補(bǔ)貼向高能量密度電池和高續(xù)航里程電動(dòng)車傾斜,磷酸鐵鋰電池的市場(chǎng)占有率開始下降。 

 

不過,磷酸鐵鋰電池一直是不少傳統(tǒng)整車廠的選擇,2018年其市場(chǎng)占有率仍有38%。 

 

通常而言,搭載定位較低的新能源車型上,整車廠對(duì)電池能量密度的要求并不高,因此也不會(huì)一味地追求三元電池,以電動(dòng)汽車銷量相當(dāng)可觀的比亞迪、北汽新能源為例,它們不少車搭載的都是磷酸鐵鋰電池。

 

值得一提的是,磷酸電池經(jīng)過發(fā)展后,其能量密度也有一定的提升。據(jù)行業(yè)媒體梳理2018年至2019年《新能源汽車推廣應(yīng)用推薦車型目錄》,磷酸鐵電池的平均能量密度達(dá)到了140Wh/kg,而三元鋰電池則是160Wh/kg,差距在縮小。 

 

在當(dāng)前的補(bǔ)貼細(xì)則下,磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池能夠獲得的補(bǔ)貼差距也不大,而對(duì)于整車廠而言,磷酸鐵鋰電池的工藝更為成熟、穩(wěn)定,成本也具有優(yōu)勢(shì),有分析認(rèn)為,磷酸鐵鋰有望重新獲得車企的青睞。

 

需要指出的是,三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池并不能簡(jiǎn)單地作為高低能量密度的代表,即便選擇三元鋰電池,企業(yè)從市場(chǎng)層面考慮,也會(huì)選擇相對(duì)平穩(wěn)的發(fā)展路徑。 

 

4月1日,一位造車新勢(shì)力車企的內(nèi)部人士對(duì)智庫君表示,盡管他們計(jì)劃在即將上市的新款車型上搭載最高能量密度密度水準(zhǔn)的電池,但這并非主力產(chǎn)品,而是作為新技術(shù)的突破和探索。據(jù)悉,上述電池能量密度高達(dá)170Wh/kg,能夠獲得現(xiàn)階段的最高補(bǔ)貼。

雖然涂覆層優(yōu)選是越薄越好因?yàn)檫@樣粒子傳導(dǎo)性高,但為了避免產(chǎn)生包覆不全,豐田將涂覆層厚度控制在了10nm左右(根據(jù)豐田的數(shù)據(jù)創(chuàng)建)。

 

根據(jù)巖瀨先生的說法,對(duì)于上述涂覆層有3個(gè)要求:“鋰離子可通過”,“S,過渡金屬,氧(O)等元素?zé)o法通過”,“不與正極活性材料和電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)”。即它不會(huì)抑制Li離子的傳導(dǎo)并阻止S和過渡金屬的移動(dòng)并防止形成電阻層。更進(jìn)一步該涂覆層也不會(huì)與正極活性物質(zhì)或固體電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)造成其劣化或生產(chǎn)其他的阻抗層。而要求不讓氧通過的原因是因?yàn)檎龢O活性材料中的O如果進(jìn)入電解質(zhì)的話,鋰的離子導(dǎo)電性會(huì)降低,同時(shí)產(chǎn)生磷酸鹽(Li3PO4)。

 

涂覆層的一個(gè)候選物是鈮酸鋰(LiNbO3)。豐田以10納米的厚度涂覆它。涂層越薄,Li離子越容易通過,越好。然而,涂覆越薄就越容易產(chǎn)生缺陷(未涂覆部分),耐久性也會(huì)受到影響。 “試驗(yàn)階段豐田還嘗試了5nm和7nm的厚度,但從性能與耐久性的平衡來看,目前10nm是最好的”(巖瀨先生)。

 

 

通過濕涂工藝覆薄固體電解質(zhì)層

 

 

問題(2)固體電解質(zhì)層增厚導(dǎo)致的困難點(diǎn)是Li離子的導(dǎo)電性降低。而在全固態(tài)電池中,之所以能夠具備電池的機(jī)能主要就是因?yàn)長(zhǎng)i離子能從固態(tài)電解質(zhì)中通過。

 

根據(jù)巖瀨先生說法,早期的電解質(zhì)層變厚的原因主要是受限于當(dāng)時(shí)的電芯工藝。在全固態(tài)電池開發(fā)的早期階段,制作的電池是直徑約10mm的紐扣電池。分別用到正極混合材料(正極活性物質(zhì),固體電解質(zhì),導(dǎo)電輔助劑)和固體電解質(zhì),負(fù)極混合材料(負(fù)極活性物質(zhì),固體電解質(zhì)),且將各個(gè)材料的粒子保持干燥的狀態(tài)下依次填充在圓筒狀的容器內(nèi),然后蓋上不銹鋼制的集電器,上下用螺釘擰緊然后進(jìn)行加壓。這樣的方法難以使固體電解質(zhì)變薄,最高的水平就是將厚度保持為300至500μm。

 

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