三元 VS 磷酸鐵鋰，誰(shuí)才是國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池界的“一哥”？

鋰電前沿 前天

2018年6月份，Elon Musk在推特發(fā)表宣言，稱想要從現(xiàn)有的NCA方向上繼續(xù)減少鈷的用量。

2月18日，一則關(guān)于特斯拉將使用寧德時(shí)代“無(wú)鈷電池”的新聞迅速傳開(kāi)。在三元鋰電池大行其道的當(dāng)下，磷酸鐵鋰電池重回?zé)狳c(diǎn)。

提到磷酸鐵鋰，相信大家并不陌生，但受限于當(dāng)時(shí)的電池技術(shù)和國(guó)家補(bǔ)貼政策，磷酸鐵鋰一直在新能源商用車和儲(chǔ)能領(lǐng)域發(fā)光發(fā)熱。

近年來(lái)，是什么讓磷酸鐵鋰又重新回到乘用車領(lǐng)域，與三元爭(zhēng)“一哥”呢？下面，就讓我們就來(lái)扒一扒這其中的原因。

01

什么是“磷酸鐵鋰”和“三元”？

兩款電池的的負(fù)極、電解液及隔膜等均類似，最大的區(qū)別在于正極材料，并以此取名。

三元電池有NCM和NCA兩類。NCA鎳鈷鋁電池，主要應(yīng)用于圓柱電池中，例如特斯拉。而國(guó)內(nèi)絕大部分車型都采用NCM鎳鈷錳電池。

三元常見(jiàn)的表達(dá)方式還會(huì)在NCM后加一串?dāng)?shù)字，例如NCM523、NCM811等，代表了鎳鈷錳在材料中的大概比例。

02

兩款電池在性能上有何差別？

受結(jié)構(gòu)影響，磷酸鐵鋰和三元在性能方面各有優(yōu)劣，我們從大家最關(guān)心的幾個(gè)點(diǎn)依次分析：能量密度、快充性能、循環(huán)壽命、安全性、成本。

能量密度：

對(duì)于用戶來(lái)講，續(xù)航里程是首要關(guān)注點(diǎn)。在其他因素相同時(shí)，能量密度越高，意味著續(xù)航里程越長(zhǎng)。

從電芯層面來(lái)講，三元電池能量密度更高。磷酸鐵鋰正極材料的額定電壓、理論比容量（mAh/g）均低于三元電池，且其能量密度已開(kāi)發(fā)到“天花板”。

而三元NCM電池還可以通過(guò)提高Ni元素比例，進(jìn)一步提高實(shí)際比容量（mAh/g），提高電芯能量密度。

注：電芯能量密度需結(jié)合電芯設(shè)計(jì)與工藝綜合評(píng)估，表中值僅作參考。

快充性能：

快充時(shí)間，尤其是低溫快充，作為制約電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素之一，也是改善用戶用車體驗(yàn)的關(guān)鍵點(diǎn)。

理論上，三元電池有優(yōu)勢(shì)。其二維的鋰離子脫嵌通道與均衡的電解液設(shè)計(jì)，使得在充放電過(guò)程中，鋰離子可以在一張面上快速移動(dòng)脫嵌，充電速率自然就快了起來(lái)。

而磷酸鐵鋰結(jié)構(gòu)因其一維的鋰離子脫嵌通道，和側(cè)重高溫性能的電解液設(shè)計(jì)，導(dǎo)致其鋰離子遷移速率慢，尤其是低溫充電速率慢。這一特性直接影響了其在乘用車領(lǐng)域的應(yīng)用。

循環(huán)壽命：

理論上，磷酸鐵鋰在壽命方面存在優(yōu)勢(shì)。其橄欖石晶體結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，膨脹更低、電化學(xué)反應(yīng)更穩(wěn)定。

安全性：

磷酸鐵鋰電池在安全方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。其正極電壓低，不存在類似于三元的釋氧熱鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，熱穩(wěn)定溫度可以達(dá)到300℃以上，而三元電池在150-200℃左右。

經(jīng)濟(jì)性：

價(jià)格上，目前磷酸鐵鋰LiFePO4有明顯優(yōu)勢(shì)，原材料相對(duì)價(jià)格便宜，國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈相對(duì)成熟。

而想要降低三元NCM（LiNixCoyMn1-x-yO2）電池價(jià)格，鈷元素是關(guān)鍵。鈷主要是伴生礦，產(chǎn)量少且分布不均，全球鈷礦主要集中在剛果（金），澳大利亞、古巴等地，約占全球儲(chǔ)量的80%，2018上半年剛果（金）政局變動(dòng)便造成鈷價(jià)大幅波動(dòng)，價(jià)格持續(xù)高漲。

粗略比較，磷酸鐵鋰要比三元價(jià)格便宜0.1~0.2元/Wh。對(duì)于一個(gè)50kWh電池包，僅電芯就可降本近0.5~1萬(wàn)元。這對(duì)整車生產(chǎn)廠商和用戶都是一個(gè)不小的吸引點(diǎn)。

簡(jiǎn)單說(shuō)，三元在能量密度、快充速度方面有優(yōu)勢(shì)，磷酸鐵鋰在循環(huán)壽命、安全、經(jīng)濟(jì)性上有優(yōu)勢(shì)。

但在電動(dòng)汽車發(fā)展前期，電池包能量密度＜140Wh/kg，整車NEDC續(xù)航里程大多低于300km。當(dāng)時(shí)影響電動(dòng)汽車發(fā)展的瓶頸在于續(xù)航里程，且有國(guó)家補(bǔ)貼政策支持，可彌補(bǔ)經(jīng)濟(jì)性的不足，所以三元鋰電池是首選。

03

為什么磷酸鐵鋰重返乘用車領(lǐng)域？

隨著國(guó)家新能源補(bǔ)貼政策的退坡，新能源汽車要開(kāi)始與傳統(tǒng)燃油車赤身拼搏，各整車生產(chǎn)廠商都面臨巨大降本壓力。與此同時(shí)，磷酸鐵鋰電池被人詬病的能量密度和充電缺點(diǎn)，也在隨著技術(shù)的發(fā)展得到改善。

能量密度方面：隨著CTP（Cell to PACK），即是電芯直接集成為電池包技術(shù)的成熟，更高效電池包集成、更低整車能耗，磷酸鐵鋰車型的續(xù)航，已有能力提升至400km甚至500km以上。

充電方面：隨著電芯快充、熱管理、充電樁技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用于乘用車的磷酸鐵鋰電池也基本可以做到與主流三元相同的快充速率。

成本方面：國(guó)家補(bǔ)貼政策退坡，NCM811電池雖降低了鈷含量降低成本，但工藝復(fù)雜，現(xiàn)階段生產(chǎn)成本較NCM523無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)。此時(shí)成本更低、壽命更長(zhǎng)的磷酸鐵鋰電池，自然被更多車企選擇，成為主流趨勢(shì)。

1）磷酸鐵鋰電池，充分發(fā)揮其在成本、壽命及安全方面優(yōu)勢(shì)主打中低端的車型和運(yùn)營(yíng)車，續(xù)航在400km左右。

2）三元依賴于其高的能量密度、更快的快充速度、更長(zhǎng)的續(xù)航里程，主打中、高端車型，續(xù)駛里程≥500km。

根據(jù)市場(chǎng)端需求定位規(guī)劃，為用戶購(gòu)車提供了更多的選擇，不存在誰(shuí)替代誰(shuí)。相信今年一定陸續(xù)會(huì)有很多經(jīng)濟(jì)型的磷酸鐵鋰和高續(xù)航的三元車型上市。

至于特斯拉，在國(guó)內(nèi)大概率會(huì)采用CATL的磷酸鐵鋰電芯，而“cobalt free”是否是要進(jìn)一步減低三元電池中鈷元素含量，研發(fā)新一代電池，還耐人尋味，讓我們拭目以待！

固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化之路多艱

目前幾乎所有大型車企、領(lǐng)先的電池生產(chǎn)商都在持續(xù)推進(jìn)固態(tài)電池的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化探索。部分企業(yè)研發(fā)的固態(tài)電池也表現(xiàn)出比鋰離子電池更明顯的優(yōu)勢(shì)。但很多成果實(shí)際上仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還為時(shí)尚早。固態(tài)動(dòng)力電池在安全性、生產(chǎn)工藝以及與汽車配套后的一致性上都有更高的要求，這些都是企業(yè)必須攻克的難題。

作為被業(yè)界看好的下一代新型電池技術(shù)，固態(tài)電池近年來(lái)熱度不斷攀升，在業(yè)內(nèi)形成了一股新的投資熱潮。

日前，固態(tài)鋰電池技術(shù)公司輝能科技（下稱“輝能科技”）對(duì)外宣布已完成近億美元D輪融資，投資方包括中銀投資和一汽產(chǎn)業(yè)基金，本輪融資將用于固態(tài)鋰電池的商業(yè)化落地和工廠建設(shè)。“我們今年預(yù)計(jì)完成1GWh車載固態(tài)電池產(chǎn)線的試車，2021年開(kāi)始量產(chǎn)，將比同行早4—5年時(shí)間?！陛x能科技表示。

深受企業(yè)追捧

記者了解到，輝能科技成立于2006年，在2013年實(shí)現(xiàn)了固態(tài)鋰電池的商業(yè)化量產(chǎn)，早期應(yīng)用于消費(fèi)電子領(lǐng)域，近年來(lái)應(yīng)用于新能源汽車領(lǐng)域。今年3月，輝能科技對(duì)外發(fā)布了全新堆疊式固態(tài)鋰電池（SSB）。資料顯示，與平常使用的液體或凝膠聚合物不同，SSB電池采用的是氧化物陶瓷電解質(zhì)，可延長(zhǎng)電池壽命，縮短充電時(shí)間，而且更加安全，不會(huì)發(fā)生火災(zāi)或爆炸。

“與目前使用的電動(dòng)汽車鋰離子電池相比，SSB電池重量更輕、更節(jié)能、更安全，總能量密度提高了29%—56%?！陛x能科技公布的數(shù)據(jù)顯示，目前，該企業(yè)的車載固態(tài)電池包能量密度已達(dá)190Wh/kg，預(yù)計(jì)在2022年可達(dá)270Wh/kg。

“我們研究固態(tài)氧化物路線已經(jīng)超過(guò)13年，克服了材料瓶頸與量產(chǎn)工藝制備的挑戰(zhàn)，創(chuàng)造出固態(tài)鋰陶瓷電池芯、多軸雙極電池包等獨(dú)家專利技術(shù)，可同時(shí)解決電動(dòng)車的安全問(wèn)題和里程焦慮，而且使用壽命比傳統(tǒng)鋰電池長(zhǎng)、可5C快充、耐高低溫?！陛x能科技創(chuàng)始人楊思枏強(qiáng)調(diào)。

事實(shí)上，輝能科技并不是唯一一個(gè)推進(jìn)固態(tài)電池的企業(yè)，目前幾乎所有大型車企、領(lǐng)先的電池生產(chǎn)商都在持續(xù)推進(jìn)固態(tài)電池的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化探索，其中包括寶馬、奔馳、松下和三星等跨國(guó)企業(yè)，以及國(guó)內(nèi)的寧德時(shí)代、比亞迪、國(guó)軒高科、江蘇清陶等企業(yè)。

“沒(méi)有一個(gè)廠商是完全不關(guān)注固態(tài)電池的。對(duì)于下一代新技術(shù)方向，每個(gè)有實(shí)力的廠商都會(huì)關(guān)注、研究，以保持競(jìng)爭(zhēng)力?！敝袊?guó)化學(xué)與物理電池行業(yè)協(xié)會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)劉彥龍?zhí)寡浴?/p>

技術(shù)和成本等難題待攻克

雖然從技術(shù)和性能方面來(lái)看，固態(tài)電池都極有可能成為三元電池之后電動(dòng)汽車的主流選擇，但從目前進(jìn)展來(lái)看，由于其產(chǎn)業(yè)化條件仍未成熟，發(fā)展仍然面臨著很多困難。

“在固態(tài)電池的開(kāi)發(fā)上，我們應(yīng)該考慮四個(gè)因素——電解質(zhì)與電極之間的穩(wěn)定化學(xué)界面、用于表征的有效工具、可持續(xù)的制造過(guò)程，以及可回收性設(shè)計(jì)?！弊鳛閺氖鹿虘B(tài)電池研究的機(jī)構(gòu)之一，加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校近日發(fā)布了一篇論文，重點(diǎn)探討了固態(tài)電池技術(shù)發(fā)展面臨的四大挑戰(zhàn)。

“需要注意的是，我們應(yīng)該考慮如何同時(shí)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈兌际窍嗷リP(guān)聯(lián)的。如果我們要確保全固態(tài)電池的技術(shù)是可靠的，那就必須找到同時(shí)解決這些挑戰(zhàn)的方案。”加州大學(xué)圣地亞哥分校雅各布斯工程學(xué)院的納米工程學(xué)教授ShirleyMeng指出。

除了技術(shù)難關(guān)需要攻克，業(yè)內(nèi)還普遍認(rèn)為，由于固態(tài)電池成本過(guò)高，如果想要實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，與鋰離子電池同臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)，恐怕尚需不少時(shí)日。

“比如固態(tài)電解質(zhì)能否實(shí)現(xiàn)快充這個(gè)問(wèn)題，我認(rèn)為如果用雙核心技術(shù)，輝能科技的固態(tài)電池在能量密度上基本是等同于采用了相同的活性材料，即能夠達(dá)到快充狀況。”楊思枏舉了個(gè)例子來(lái)描述固態(tài)電池的高成本問(wèn)題?！拔ㄒ坏膯?wèn)題就只有固態(tài)電解質(zhì)本身的價(jià)格了?！?/p>

多項(xiàng)進(jìn)展尚停留在實(shí)驗(yàn)室階段

記者注意到，為能夠在下一代電池技術(shù)更迭時(shí)搶占先機(jī)，目前已有很多動(dòng)力電池企業(yè)在積極研發(fā)與固態(tài)電池相關(guān)的技術(shù)，同時(shí)也獲得了一定的突破。然而在產(chǎn)業(yè)化的問(wèn)題上，業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為還是為時(shí)尚早。

“固態(tài)電池要想產(chǎn)業(yè)化還很難?！眲埍硎荆壳昂芏嗥髽I(yè)的固態(tài)電池試驗(yàn)樣本是做出來(lái)了，但大部分還處于實(shí)驗(yàn)階段，能否達(dá)到車規(guī)級(jí)應(yīng)用還有待考證。

比如三星日前發(fā)布了關(guān)于固態(tài)電池研究的最新進(jìn)展，在困擾全固態(tài)電池量產(chǎn)的鋰枝晶與充放電效率問(wèn)題上提出了解決方案。資料顯示，使用該技術(shù)的電池在體積上會(huì)比相同容量傳統(tǒng)鋰離子電池縮小50%，單次充電可達(dá)800公里續(xù)航，循環(huán)次數(shù)高達(dá)1000次。但記者注意到，這項(xiàng)技術(shù)目前僅在實(shí)驗(yàn)室中得到驗(yàn)證，短期內(nèi)還無(wú)法投放市場(chǎng)。

同樣表示無(wú)法量產(chǎn)的還有其他企業(yè)。輝能科技日前坦言，新研發(fā)出來(lái)的SSB電池，目前還難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)和應(yīng)用。而寧德時(shí)代的一位電池開(kāi)發(fā)負(fù)責(zé)人此前更是直言：“寧德時(shí)代的全固態(tài)電池還在開(kāi)發(fā)中，也制作了樣品，但要實(shí)現(xiàn)商品化，恐怕要到2030年以后。”