誰(shuí)是鋰電池的未來(lái)？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-08-03 09:17
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先說(shuō)鈷酸鋰：循環(huán)性能太差，且大量使用了極其稀有的金屬鈷，缺點(diǎn)太過(guò)明顯，其宿命唯有淘汰。
再說(shuō)鈦酸鋰：高充電倍率，壽命長(zhǎng)；但也有一個(gè)鮮明的缺點(diǎn)——能量密度太低，導(dǎo)致成本過(guò)高。
其特性類似于超級(jí)電容，這個(gè)致命缺點(diǎn)也阻礙其成為動(dòng)力電池主流路線，故而也無(wú)法在初選中脫穎而出。
第三說(shuō)下錳酸鋰：成本低，充電倍率高；但是高溫性能差、循環(huán)性不佳。
故而很少直接選用錳酸鋰作為動(dòng)力電池，而是同時(shí)添加其他材料形成改性電池，例如鎳、鈷成為鎳鈷錳電池，從而實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)性能的均衡。
但是經(jīng)過(guò)這些改進(jìn)之后，已經(jīng)不再是簡(jiǎn)單的錳酸鋰電池了，而是成為了三元電池類型中的一種。
這樣的論述結(jié)果表明：錳酸鋰也要被淘汰。
在鋰電池眾多的技術(shù)路線中，磷酸鐵鋰vs三元電池兩種技術(shù)路線的對(duì)決最為膠著。
磷酸鐵鋰安全性高，壽命長(zhǎng)，但是能量密度低，低溫性能差，一致性差；
三元電池能量密度高，一致性好，低溫性能好，成本較低，但是安全性能差，循環(huán)壽命不如鐵鋰電池。
當(dāng)前，磷酸鐵鋰最成熟的產(chǎn)業(yè)鏈在中國(guó)，我們對(duì)相關(guān)領(lǐng)域掌握的核心技術(shù)也較多；而三元電池則以日韓為代表，且更成熟一些。
所以這兩種技術(shù)路線的對(duì)決更有一種中國(guó)vs日韓的意味。
決賽
評(píng)價(jià)動(dòng)力電池性能大致有以下7個(gè)維度：
1、安全性
2、能量密度
3、循環(huán)壽命
4、成本
5、充電倍率
6、電池單體一致性
7、低溫性能
作為一種合格的技術(shù)路線，在以上任何一個(gè)方面都不能有太過(guò)鮮明的缺點(diǎn)，需要做到各方面的均衡才能是一種具有可行性的路線。
1、安全性
這個(gè)方面磷酸鐵鋰電池有著鮮明的優(yōu)勢(shì)：溫度達(dá)到480°以上才會(huì)分解，能通過(guò)針刺、火燒等嚴(yán)酷試驗(yàn)。
以鎳鈷鋁為代表的三元電池，則在180°就會(huì)分解并釋放出氣體，并且反應(yīng)更加劇烈。
這一局迅速有了結(jié)果，鐵鋰電池勝。
2、能量密度
磷酸鐵鋰電池由于材料的緣故，放電平臺(tái)的電壓更低，只有3.2V；且壓實(shí)密度很低，只有2.2~2.5左右，這些都導(dǎo)致了磷酸鐵鋰電池的理論能量密度不高，只有178wh/kg。
而磷酸鐵鋰的領(lǐng)先廠商比亞迪目前已經(jīng)把電芯單體的能量密度做到了147wh/kg，比亞迪電池事業(yè)部老總王文峰宣稱要在2018年把磷酸鐵鋰做到160wh/kg。
這已經(jīng)是相當(dāng)了不起的成就，但已經(jīng)逼近這一電池路線能量密度的理論上限，未來(lái)很難再有大的提升。
而反觀鎳鈷鋁（NCA）三元電池（特斯拉采用），當(dāng)前18650電池能量密度是245wh/kg,未來(lái)在model 3上使用的20700電池要把能量密度做到300wh/kg以上。
國(guó)內(nèi)很多產(chǎn)商選擇鎳鈷錳（NCM）三元鋰電池技術(shù)路線，它的理論能量密度上線是280wh/kg，大疆無(wú)人機(jī)身上的鋰電池就是使用的這種鋰電池，當(dāng)前80%的無(wú)人機(jī)鋰電池由廣東的廠商供應(yīng)。
我看了一下參數(shù)，當(dāng)先規(guī)模化生產(chǎn)后的鎳鈷錳鋰電池的能量密度可以做到190wh/kg的水平，距離理論密度上限還有較大距離，還有較大提升空間。
在不久的未來(lái)，理想情況下能量密度可以做到230wh/kg以上，電池組整體的能量密度依然可以做到200wh/kg以上，比磷酸鐵鋰高40%左右。
另外磷酸鐵鋰壓實(shí)密度較低，這就導(dǎo)致了同等電池容量下，磷酸鐵鋰的體積更大。
經(jīng)對(duì)比測(cè)算比亞迪e6電池組和特斯拉model s的電池組后得出結(jié)論，同等電池容量下，磷酸鐵鋰的體積要比鎳鈷鋁三元電池大48%。
把能量密度和安全性這兩個(gè)參數(shù)放在一起評(píng)價(jià)我們就可以發(fā)現(xiàn)，能量密度和安全性這兩個(gè)指標(biāo)是一對(duì)天生的敵人，其實(shí)通過(guò)最簡(jiǎn)單的物理學(xué)和化學(xué)知識(shí)我們就可以知道，能量密度越高，它就越不穩(wěn)定，越不安全。
3、循環(huán)壽命
在評(píng)價(jià)這個(gè)方面的性能時(shí)，我接接觸的信息讓我頭疼。
就以磷酸鐵鋰為例，有文章說(shuō)壽命是2000次，王傳福說(shuō)他的鐵鋰電池壽命能達(dá)到4000次以上，甚至還有文章說(shuō)全周期壽命能達(dá)到2萬(wàn)次。
差距如此之大的數(shù)據(jù)令我頭暈，需要反復(fù)仔細(xì)甄別才能有一個(gè)正確認(rèn)知；后來(lái)發(fā)現(xiàn)以上說(shuō)法都“不錯(cuò)”，只不過(guò)是他們?cè)u(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不同罷了。
說(shuō)壽命只有2000次的，是按照1C充電倍率反復(fù)沖放，電池容量在標(biāo)定容量80%以下時(shí)即認(rèn)為壽命終止（這是一個(gè)極其嚴(yán)苛的充放電測(cè)試，1C的速率意味著1小時(shí)把電池充滿）。
王傳?？谥械?000次，則更可能是通常使用條件下，根據(jù)大量已經(jīng)上路的e6運(yùn)營(yíng)實(shí)測(cè)的結(jié)果。
而最后所謂2萬(wàn)次則是全使用周期下的結(jié)果。
因?yàn)殡姵厝萘康陀跇?biāo)定的80%并不意味著這個(gè)電池徹底不能用了，畢竟還有80%的容量，此時(shí)的電池可以取下來(lái)梯次利用，用作儲(chǔ)能電站，在合理電流合理溫度合理使用環(huán)境下可以達(dá)到2萬(wàn)次的反復(fù)充放電。
但無(wú)論怎樣，磷酸鐵鋰的使用壽命都明顯長(zhǎng)于三元電池。
三元電池在1C充放倍率，反復(fù)充放800次左右，實(shí)際容量就已經(jīng)低于標(biāo)定容量的80%了，從這個(gè)角度看，鐵鋰電池甚至是三元電池壽命的三倍。
但實(shí)際使用中也并不是這樣，由于磷酸鐵鋰電池的一致性較難控制，使得鐵鋰電池電池組的整體壽命短一些，并沒(méi)有壽命可以達(dá)到三元電池3倍那么夸張。
但無(wú)論如何，循環(huán)壽命這一項(xiàng)，鐵鋰勝出。
4、成本
有些人認(rèn)為磷酸鐵鋰的正極材料當(dāng)中不使用稀有金屬，而三元電池則要使用到鈷、鎳等較為貴重的金屬，所以就理所當(dāng)然的認(rèn)為磷酸鐵鋰的成本更低一些，這其實(shí)是一個(gè)認(rèn)識(shí)上的誤區(qū)。
磷酸鐵鋰的放電電壓3.2V，三元電池的放電電壓平臺(tái)在3.8V，更高的放電電壓意味著更高啊的電池容量，這就意味著同等材料消耗情況下，三元電池的容量更大。
或者反過(guò)來(lái)說(shuō)也一樣：同等容量的電池，三元電池消耗原材料更少。
尤其是當(dāng)鋰電池必不可少的碳酸鋰價(jià)格從去年4萬(wàn)元飆漲到當(dāng)前的15萬(wàn)元后，碳酸鋰材料消耗量更大的鐵鋰電池的成本問(wèn)題就凸現(xiàn)出來(lái)，根據(jù)國(guó)軒高科董事長(zhǎng)李縝的數(shù)據(jù)，當(dāng)前國(guó)軒高科三元電池的成本反倒比鐵鋰電池低10~15%。
現(xiàn)在三元電池走向了高鋁高鎳、低鈷的技術(shù)路線，對(duì)昂貴的稀有金屬消耗量降低。
去年全球鈷產(chǎn)量9.8萬(wàn)噸，其中40%用于鋰電池，消耗量并不算非常大。而且鈷資源依然處于供過(guò)于求的狀態(tài)，當(dāng)前20萬(wàn)/噸的價(jià)格處于歷史上的低位。
去年鋰電池產(chǎn)業(yè)的火爆也沒(méi)有帶動(dòng)鈷資源的飆漲，多種因素導(dǎo)致當(dāng)前鐵鋰電池的成本要高于三元電池。
但我們要以動(dòng)態(tài)的眼光看待二者的成本對(duì)比，要認(rèn)識(shí)到，在碳酸鋰價(jià)格大漲之前，磷酸鐵鋰的成本是略低于三元電池的。
反過(guò)來(lái)思考，如果明年“鈷”資源供不應(yīng)求，也出現(xiàn)類似于碳酸鋰一樣的4倍甚至5倍的飆漲，那么三元電池的成本也就水漲船高。
總之，兩種技術(shù)路線的成本不分伯仲，具體到某一時(shí)間點(diǎn)，和上游原材料價(jià)格有很大關(guān)系。
長(zhǎng)期來(lái)看，我認(rèn)為碳酸鋰15萬(wàn)/噸的價(jià)格不具有可持續(xù)性，因?yàn)殇嚥⒉皇窍∪辟Y源，國(guó)內(nèi)天齊鋰業(yè)、贛鋒鋰業(yè)等眾多廠家碳酸鋰每噸生產(chǎn)成本約為2.9萬(wàn)~3.5萬(wàn)元之間，而鹽湖股份的子公司藍(lán)科鋰業(yè)更是宣稱成本只有1.9萬(wàn)元/噸。
當(dāng)前碳酸鋰行業(yè)，可謂是暴利行業(yè)，3萬(wàn)元的成本，15萬(wàn)元的價(jià)格，整整翻了5倍。
巨大的利潤(rùn)誘惑自然便是瘋狂的擴(kuò)產(chǎn)，全產(chǎn)業(yè)鏈上的公司都在成倍的擴(kuò)充產(chǎn)能，藍(lán)科鋰業(yè)更是成數(shù)十倍的擴(kuò)充產(chǎn)能，雖然需求也會(huì)繼續(xù)跟著增長(zhǎng)，但產(chǎn)能的擴(kuò)張更瘋狂。
當(dāng)不久的將來(lái)，上游原材料的價(jià)格發(fā)生變動(dòng)，碳酸鋰和三元的成本孰高孰低還未可知。
這一項(xiàng)，二者平手。
5、充電倍率
先說(shuō)結(jié)論吧，在充電倍率方面磷酸鐵鋰大幅度的領(lǐng)先。
其實(shí)前年在闡述電池壽命的時(shí)候就已經(jīng)能得出結(jié)論：磷酸鐵鋰電池在高充電倍率下，壽命明顯好于三元電池。
美國(guó)a123公司（現(xiàn)在為萬(wàn)向子公司）甚至在實(shí)驗(yàn)室里做出了25C倍率充電的磷酸鐵鋰電池（25C倍率充電意味著60÷25=2.4分鐘把電池充滿）。
充放電倍率方面，鐵鋰大幅度勝出。
6、電池單體一致性
使用鎳鈷鋁三元的特斯拉model s的電池組中有7000節(jié)小電池串聯(lián)、并聯(lián)在一起，如果電池的一致性存在問(wèn)題，那么后果就是災(zāi)難性的，因?yàn)榇?lián)電池有一個(gè)木桶原理，性能最差的那一個(gè)電池影響電池組整體性能。
但使用磷酸鐵鋰的2014款秦混動(dòng)車卻出現(xiàn)了讓人焦頭爛額的問(wèn)題，標(biāo)定13kwh的電池，使用一年多以后很多車主就在反映只能充進(jìn)去8kwh的電量，衰減厲害。
前面我不是說(shuō)磷酸鐵鋰壽命更長(zhǎng)嗎？怎么會(huì)出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，這其實(shí)就是電池單體一致性的問(wèn)題。
其實(shí)比亞迪2014款"秦"電動(dòng)車所使用的電池，單個(gè)拿出來(lái)絕大部分可能沒(méi)有什么問(wèn)題，電池返廠均衡后也能恢復(fù)原先的性能，但唯獨(dú)電池成組后就出問(wèn)題了。
其實(shí)電池一致性問(wèn)題并不是沒(méi)有辦法，辦法主要有兩個(gè)，一個(gè)是升級(jí)工藝，提升工廠自動(dòng)化水平以及控制精度。
另外一個(gè)就是做大單體電池容量，2014秦使用的是27AH的電池單體，而比亞迪K9則使用270ah單體容量的電池單體，相比于秦，K9的問(wèn)題就少很多甚至不存在電池一致性問(wèn)題。
最后就是改進(jìn)電池管理系統(tǒng)（BMS），這一方面我們也確實(shí)落后于歐美日。
相比于2014款秦，2015年推出的秦由于使用了全新的電池管理系統(tǒng)，在每一個(gè)小節(jié)的電池上都加裝了控制器方便更好的操控并且額外多出8節(jié)電池（就是說(shuō)實(shí)際容量大于標(biāo)稱）。
電池一致性的問(wèn)題已經(jīng)解決很多，但無(wú)論如何，在一致性方面，磷酸鐵鋰落后于三元電池。這一局：三元?jiǎng)佟?/div>
