2021年以來動力電池行業(yè)的一些新變化引人矚目，尤其是磷酸鐵鋰電池的回潮。2021年5月和7月開始，中國市場上磷酸鐵鋰電池產(chǎn)量和裝車量開始超過三元鋰電池。三季度以來，磷酸鐵鋰電池增速持續(xù)超過三元鋰電池。
包括特斯拉、蔚來、小鵬在內(nèi)的造車新勢力，以及廣汽埃安等傳統(tǒng)車企的標(biāo)準(zhǔn)續(xù)航或者低續(xù)航車型都開始采用磷酸鐵鋰電池。比亞迪今年4月更是宣布旗下電動汽車將全部采用磷酸鐵鋰刀片電池。一時間，似乎磷酸鐵鋰電池將取代三元鋰電池重新成為市場主流。
但磷酸鐵鋰電池“卷土重來”只是硬幣的一面。電動汽車市場是多樣化的，不同車企的技術(shù)路線和產(chǎn)品開發(fā)策略也不盡相同，用戶對于續(xù)航里程的需求和使用環(huán)境更是千差萬別。因此，磷酸鐵鋰和三元鋰電池仍有各自不同的市場。
從動力電池的發(fā)展歷程來看，磷酸鐵鋰和三元鋰都屬于第二代動力電池（一般認(rèn)為第一代是錳酸鋰電池，下一代也就是第三代動力電池將是全固態(tài)電池）。第二代電池的發(fā)展過程基本上是從磷酸鐵鋰到三元鋰，再到完全不含鈷的鎳酸鋰，能量密度逐漸提升，充放電倍率更高，安全性也不斷改善，成本則不斷下降。
EV世紀(jì)認(rèn)為，至少到2025年，磷酸鐵鋰和三元鋰仍將是動力電池兩條主要的技術(shù)路線，但使用場景和適用車型會有區(qū)別。在車企的產(chǎn)品組合中，續(xù)航里程更長的中高端車型將會更多搭載三元鋰電池。
成本因素讓磷酸鐵鋰電池“卷土重來”
據(jù)中國汽車動力電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟的數(shù)據(jù)，產(chǎn)量方面，2021年9月，磷酸鐵鋰電池產(chǎn)量為產(chǎn)13.5GWh，同比增長252.0%；三元鋰電池產(chǎn)量9.6GWh，同比增長102.6%。1-9月，磷酸鐵鋰電池累計產(chǎn)量71.6GWh，同比累計增長291.4%。三元鋰電池產(chǎn)量6.3GWh，同比增長131.1%。
從裝車量來看，9月，三元鋰電池裝車6.1GWh，同比上升45.6%；磷酸鐵鋰電池裝車9.5GWh，同比上升309.3%。1-9月，三元電池裝車量累計47.1GWh, 占比51.2%，同比累計上升99.5%；磷酸鐵鋰電池裝車量累計44.8GWh, 占比48.7%，同比累計上升332.0%。
磷酸鐵鋰電池的回潮有多種因素，但主要的誘因是主機(jī)廠降成本。由于補(bǔ)貼逐漸退坡并將最終退出，而“雙碳”目標(biāo)倒逼車企加大電動汽車銷售力度，因此，主機(jī)廠普遍面臨降低電動汽車成本的壓力，使之能與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車相競爭。
另一方面，磷酸鐵鋰電池技術(shù)過去幾年也有提升，再加上CTP等結(jié)構(gòu)創(chuàng)新技術(shù)優(yōu)化了電池包的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)能量密度出現(xiàn)較大幅度的提升，在一定程度上彌補(bǔ)它的短板。
10月12日，在中國電動汽車百人會主辦的2021 全球新能源與智能汽車供應(yīng)鏈創(chuàng)新大會上，中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所研究員肖成偉表示，從2020年純電動乘用車電池系統(tǒng)能量分布來看，140-160Wh/kg中很大一部分是磷酸鐵鋰電池，160Wh/kg以上以三元電池為主。目前低成本的純電動車以磷酸鐵鋰電池為主，高性能車以三元鋰電池為主。但現(xiàn)在有一部分高端車型采用磷酸鐵鋰技術(shù)路線，也有一些車企在探索將三元鋰和磷酸鐵鋰電池混用的方向。
高鎳三元鋰電池仍是高端車型主流技術(shù)路線
雖然過去幾個月磷酸鐵鋰電池的風(fēng)頭蓋過了三元鋰電池，但磷酸鐵鋰電池一些固有缺陷仍無法從根本上解決，比如能量密度的天花板比較低，目前搭載磷酸鐵鋰電池的純電動車的NEDC續(xù)航里程基本上可以達(dá)到600km，再往上發(fā)展的空間已經(jīng)很小。因此，單次充電續(xù)航700km及以上的純電動車只能使用三元鋰電池。
此外，磷酸鐵鋰電池低溫性能差、SoC不精確、充電速度慢等難題依靠自身也無法解決，用在中低端的經(jīng)濟(jì)型車上，用戶體驗也不好。
一個非常典型的例子是極為重視用戶體驗的蔚來正在探索將磷酸鐵鋰和三元鋰混裝的技術(shù)方案。據(jù)公開信息，這款混裝電池包的主要性能較磷酸鐵鋰電池有提升，但仍然達(dá)不到三元鋰電池的水平，實際的用戶體驗尚待觀察。為了給用戶更多選擇，蔚來在提供75kWh磷酸鐵鋰和三元鋰混裝電池的同時，也提供100kWh三元鋰電池。
不僅是蔚來，近期上市的一些中高端車型，比如極氪001、嵐圖Free、極狐阿爾法S等都采用了三元鋰電池。因此，在電動汽車消費(fèi)升級的背景下，以三元鋰為代表的高端電池仍有很大發(fā)展空間。
此外，從電池技術(shù)本身發(fā)展趨勢來看，從磷酸鐵鋰到三元鋰、再到固態(tài)/半固態(tài)、鋰硫、鋰空氣電池等不斷演進(jìn)的技術(shù)路線仍是電池行業(yè)未來發(fā)展的方向。雖然在某個階段的技術(shù)發(fā)展可能會有反復(fù)，但總體的前進(jìn)方向不會改變。
升鎳降鈷，新一代NCMA材料更均衡
何謂高端動力電池？EV世紀(jì)認(rèn)為，同時滿足高能量密度（長續(xù)航）、高安全性、快充等技術(shù)要求，同時降低對鈷等稀有金屬元素的依賴，并且，成本上還要可負(fù)擔(dān)。
綜合一些高端車型的電池方案、主機(jī)廠和電池企業(yè)的技術(shù)路線以及專家觀點判斷，未來3-5年，高鎳正極+硅碳負(fù)極仍是高端電池的主流技術(shù)路線。比如，寶馬iX3、奧迪e-tron、保時捷Taycan、沃爾沃XC90 PHEV等搭載了高鎳低鈷的三元電池。
10月12日，在中國電動汽車百人會主辦的2021 全球新能源與智能汽車供應(yīng)鏈創(chuàng)新大會上，中國電池工業(yè)協(xié)會副理事長黃學(xué)杰指出，由于全球鈷資源越來越少，因此，動力電池降鈷是大趨勢。
雖然大方向都是高鎳低鈷，但主要動力電池企業(yè)的技術(shù)路線選擇并不相同。例如，韓國電池企業(yè)已在三元的基礎(chǔ)上進(jìn)一步升鎳降鈷，將鎳的比例提升至90%上下。
高鎳意味著鈷和錳的比例降低，低鈷甚至無鈷會對電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生新的影響，因此，需要對正極材料進(jìn)行調(diào)整，比如NCMA的四元方案，或者是完全去鈷之后再摻雜一些其他材料。
LG新能源主推的是NCMA四元電池，據(jù)了解其正極材料鎳含量達(dá)到88%，鈷的比例則降至5%，加入鋁可以抑制鈷元素的不穩(wěn)定雜質(zhì)生成。負(fù)極材料為包覆了硅碳層的石墨。這種材料體系在提高能量密度并降低成本的同時，確保充放電速度和效率。
這種四元電池的系統(tǒng)能量密度達(dá)到300Wh/kg以上，搭載這種電池的電動車一次充電可續(xù)航650公里（WLTP工況），充電效率也大幅提升，充電5分鐘可行駛280公里。
此外，高安全隔膜，應(yīng)用人工智能和深度學(xué)習(xí)技術(shù)的智能BMS，通過OTA實現(xiàn)的大數(shù)據(jù)和安全診斷算法結(jié)果的傳送，以及實時優(yōu)化的安全監(jiān)控和預(yù)警，應(yīng)用最新安全技術(shù)的模組與CTP高集成設(shè)計等手段也確保了它的安全性和可靠性。
SKI（已更名為SK On）也是全球最先量產(chǎn)高鎳三元電池的公司之一，目前已經(jīng)量產(chǎn)NCM811三元電池。SKI也計劃2022年開始在全球量產(chǎn)鎳含量更高的NCM 9/0.5/0.5電池，其能量密度將比該公司目前的NCM三元電池280-290Wh/kg的能量密度更高，預(yù)計將超過310Wh/kg。從充電速度來看，充10分鐘可實現(xiàn)400公里續(xù)航里程。
三星SDI的高鎳三元路線似乎將重點放在了NCA上。外媒此前報道稱，三星SDI正在與EcoPro BM共同研發(fā)鎳含量達(dá)92%的NCA正極材料，并以此開發(fā)能量密度更高的三元鋰動力電池。
同樣都是高鎳體系材料，三元的NCM/NCA和四元的NCMA有何不同？寧波容百新能源科技股份有限公司總裁助理佘圣賢告訴EV世紀(jì)，高鎳四元材料與三元材料相差不大，但在熱穩(wěn)定性方面要好一點，從而有助于進(jìn)一步提高安全性和循環(huán)壽命。寧波容百是專注于電池正極材料研發(fā)的一家公司。該公司目前正在開發(fā)Ni90體系的正極材料，已進(jìn)入小批量量產(chǎn)階段，同時，Ni96體系材料也在開發(fā)中，預(yù)計2022年實現(xiàn)量產(chǎn)。
肖成偉表示，在高鎳NCM材料基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化組分的NCMA多元材料具備高容量、長循環(huán)和高安全性的特點。他也進(jìn)一步解釋了高鎳NCM、NCA和NCMA三種材料的特點。
高鎳NCM材料雖然具有較高的放電容量，但循環(huán)過程中過渡金屬元素溶解并遷移到負(fù)極表面造成SEI膜的破壞與生長，會對其循環(huán)性能造成較大的負(fù)面影響。
高鎳NCA材料雖然比NCM材料具有更好的循環(huán)性能和更低的Li/Ni混排程度，并且因為Al元素在抑制過渡金屬元素溶解和不可逆相變方面的效果要好于高鎳NCM材料，但NCA材料在長期循環(huán)中二次顆粒的粉化和破碎問題比高鎳NCM材料更嚴(yán)重。
高鎳NCMA材料通過在高鎳NCM材料中引入一定Al元素，在兼具二者優(yōu)點的同時，能夠有效抑制各自的缺點，實現(xiàn)材料性能的最優(yōu)化。在NCMA材料中，Al和Mn的共摻雜不僅能夠抑制過渡金屬元素的溶出及其后續(xù)對負(fù)極表面SEI膜的破壞，有效減少層狀材料的體積膨脹，抑制二次顆粒內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生，減少循環(huán)過程中二次顆粒粉化程度，還顯著改善了一次顆粒之間的晶界強(qiáng)度，提高了顆粒的耐壓性能，能夠進(jìn)一步提升材料長期循環(huán)的顆粒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、此外，因為Al-0鍵的強(qiáng)度比Mn-0鍵的強(qiáng)度更高，Al的引入提高了材料的熱穩(wěn)定性，NCMA材料應(yīng)用到電池中能體現(xiàn)出更好的安全性能。
