2021年以來(lái)動(dòng)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(kāi)始，中國(guó)市場(chǎng)上磷酸鐵鋰電池產(chǎn)量和裝車量開(kāi)始超過(guò)三元鋰電池。三季度以來(lái)，磷酸鐵鋰電池增速持續(xù)超過(guò)三元鋰電池。
包括特斯拉、蔚來(lái)、小鵬在內(nèi)的造車新勢(shì)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(kāi)始采用磷酸鐵鋰電池。比亞迪今年4月更是宣布旗下電動(dòng)汽車將全部采用磷酸鐵鋰刀片電池。一時(shí)間，似乎磷酸鐵鋰電池將取代三元鋰電池重新成為市場(chǎng)主流。
但磷酸鐵鋰電池“卷土重來(lái)”只是硬幣的一面。電動(dòng)汽車市場(chǎng)是多樣化的，不同車企的技術(shù)路線和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)策略也不盡相同，用戶對(duì)于續(xù)航里程的需求和使用環(huán)境更是千差萬(wàn)別。因此，磷酸鐵鋰和三元鋰電池仍有各自不同的市場(chǎng)。
從動(dòng)力電池的發(fā)展歷程來(lái)看，磷酸鐵鋰和三元鋰都屬于第二代動(dòng)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(dòng)力電池將是全固態(tài)電池）。第二代電池的發(fā)展過(guò)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(dòng)力電池兩條主要的技術(shù)路線，但使用場(chǎng)景和適用車型會(huì)有區(qū)別。在車企的產(chǎn)品組合中，續(xù)航里程更長(zhǎng)的中高端車型將會(huì)更多搭載三元鋰電池。
成本因素讓磷酸鐵鋰電池“卷土重來(lái)”
據(jù)中國(guó)汽車動(dòng)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(zhǎng)252.0%；三元鋰電池產(chǎn)量9.6GWh，同比增長(zhǎng)102.6%。1-9月，磷酸鐵鋰電池累計(jì)產(chǎn)量71.6GWh，同比累計(jì)增長(zhǎng)291.4%。三元鋰電池產(chǎn)量6.3GWh，同比增長(zhǎng)131.1%。
從裝車量來(lái)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(jì)47.1GWh, 占比51.2%，同比累計(jì)上升99.5%；磷酸鐵鋰電池裝車量累計(jì)44.8GWh, 占比48.7%，同比累計(jì)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(dòng)汽車銷售力度，因此，主機(jī)廠普遍面臨降低電動(dòng)汽車成本的壓力，使之能與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車相競(jìng)爭(zhēng)。
另一方面，磷酸鐵鋰電池技術(shù)過(guò)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(guó)電動(dòng)汽車百人會(huì)主辦的2021 全球新能源與智能汽車供應(yīng)鏈創(chuàng)新大會(huì)上，中國(guó)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(dòng)乘用車電池系統(tǒng)能量分布來(lái)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(dòng)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(guò)去幾個(gè)月磷酸鐵鋰電池的風(fēng)頭蓋過(guò)了三元鋰電池，但磷酸鐵鋰電池一些固有缺陷仍無(wú)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(dòng)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(dòng)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(wú)法解決，用在中低端的經(jīng)濟(jì)型車上，用戶體驗(yàn)也不好。
一個(gè)非常典型的例子是極為重視用戶體驗(yàn)的蔚來(lái)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(kāi)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(shí)際的用戶體驗(yàn)尚待觀察。為了給用戶更多選擇，蔚來(lái)在提供75kWh磷酸鐵鋰和三元鋰混裝電池的同時(shí)，也提供100kWh三元鋰電池。
不僅是蔚來(lái)，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(dòng)汽車消費(fèi)升級(jí)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(shì)來(lái)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(lái)發(fā)展的方向。雖然在某個(gè)階段的技術(shù)發(fā)展可能會(huì)有反復(fù)，但總體的前進(jìn)方向不會(huì)改變。
升鎳降鈷，新一代NCMA材料更均衡
何謂高端動(dòng)力電池？EV世紀(jì)認(rèn)為，同時(shí)滿足高能量密度（長(zhǎng)續(xù)航）、高安全性、快充等技術(shù)要求，同時(shí)降低對(duì)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(diǎn)判斷，未來(lái)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(shí)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(guó)電動(dòng)汽車百人會(huì)主辦的2021 全球新能源與智能汽車供應(yīng)鏈創(chuàng)新大會(huì)上，中國(guó)電池工業(yè)協(xié)會(huì)副理事長(zhǎng)黃學(xué)杰指出，由于全球鈷資源越來(lái)越少，因此，動(dòng)力電池降鈷是大趨勢(shì)。
雖然大方向都是高鎳低鈷，但主要?jiǎng)恿﹄姵仄髽I(yè)的技術(shù)路線選擇并不相同。例如，韓國(guó)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(wú)鈷會(huì)對(duì)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(duì)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(shí)，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(dòng)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(guò)OTA實(shí)現(xiàn)的大數(shù)據(jù)和安全診斷算法結(jié)果的傳送，以及實(shí)時(shí)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(jì)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(jì)劃2022年開(kāi)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(jì)將超過(guò)310Wh/kg。從充電速度來(lái)看，充10分鐘可實(shí)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(diǎn)放在了NCA上。外媒此前報(bào)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(kāi)發(fā)能量密度更高的三元鋰動(dòng)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(diǎn)，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(kāi)發(fā)Ni90體系的正極材料，已進(jìn)入小批量量產(chǎn)階段，同時(shí)，Ni96體系材料也在開(kāi)發(fā)中，預(yù)計(jì)2022年實(shí)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(zhǎng)循環(huán)和高安全性的特點(diǎn)。他也進(jìn)一步解釋了高鎳NCM、NCA和NCMA三種材料的特點(diǎn)。
高鎳NCM材料雖然具有較高的放電容量，但循環(huán)過(guò)程中過(guò)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(zhǎng)，會(huì)對(duì)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?yàn)锳l元素在抑制過(guò)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(zhǎng)期循環(huán)中二次顆粒的粉化和破碎問(wèn)題比高鎳NCM材料更嚴(yán)重。
高鎳NCMA材料通過(guò)在高鎳NCM材料中引入一定Al元素，在兼具二者優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，能夠有效抑制各自的缺點(diǎn)，實(shí)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(guò)渡金屬元素的溶出及其后續(xù)對(duì)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(guò)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(zhǎng)期循環(huán)的顆粒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、此外，因?yàn)锳l-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。
