中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：新能源汽車退補(bǔ)，磷酸鐵鋰卷土重來，市場(chǎng)份額越發(fā)擴(kuò)大，上游材料六氟磷酸鋰價(jià)格暴漲。如果沒有當(dāng)初的補(bǔ)貼政策，現(xiàn)在中國(guó)市場(chǎng)上的格局如何？比亞迪是否能維持第一？寧德時(shí)代是否還有現(xiàn)在的江湖？同時(shí)磷酸鐵鋰電池已不再是當(dāng)初的磷酸鐵鋰電池，順著技術(shù)進(jìn)步，從磨刀霍霍的刀片到喜氣洋洋的L600“6條”，從結(jié)構(gòu)到性能上不斷提升；而三元亦非當(dāng)年的523，已經(jīng)622、811甚至955了，形態(tài)也從苗條的18650到胖乎乎的4680或者從方頭方腦的VDA355到MEB590直至CTP、CTC了。仔細(xì)分析研究后發(fā)現(xiàn)這些技術(shù)創(chuàng)新大致可分兩類：1、結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)集成的創(chuàng)新；2、材料創(chuàng)新。上一篇我們談過結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)集成的創(chuàng)新，這里我們專門講材料的創(chuàng)新發(fā)展。
動(dòng)力電池通識(shí)
在描述材料技術(shù)發(fā)展路線之前，我們先說明一些通用知識(shí)，以方便非本專業(yè)的讀者了解以及對(duì)后文表述的理解。
電池主要材料為正極、負(fù)極、隔膜、電解液。正極決定了材料體系，日常提到的磷酸鐵鋰LFP等均是說正極材料的主要組成材料，比如國(guó)內(nèi)企業(yè)常見的NCM三元體系是指鎳（Ni）、鈷（Co）、錳（Mn）等金屬元素的聚合物電池，NCM523意味著三種元素的比例關(guān)系為50%：20%：30%；負(fù)極起著能量的儲(chǔ)存與釋放作用，目前主流為石墨材料；隔膜保證了鋰離子正常穿梭、不讓正負(fù)極接觸而短路，同時(shí)決定著電池的充放電、循環(huán)壽命、倍率等性能；電解液是電池中離子傳輸?shù)妮d體，鋰電池主要使用的電解質(zhì)有高氯酸鋰、六氟磷酸鋰等。對(duì)車用動(dòng)力電池來說，主要發(fā)展在于以保障鋰電池的安全性為前提，提升能量密度、低溫放電、快充、循環(huán)壽命等性能指標(biāo)。
目前一般A級(jí)純電動(dòng)車帶電50kWh左右，未來大部分電動(dòng)車一定會(huì)配備相當(dāng)程度的智能系統(tǒng)，推算純電動(dòng)乘用車Pack電量要求會(huì)提升，2025年每輛車搭載75kWh以上，2030年每輛車搭載75-115kWh。未來汽車的智能系統(tǒng)部分還會(huì)提升對(duì)電量要求，電池成本又要在整車中占比下降至40%以下，也就是說相同的續(xù)駛里程，未來價(jià)格應(yīng)為現(xiàn)有價(jià)格的一半左右。正是因?yàn)檫@些商業(yè)成功的因素左右，動(dòng)力電池技術(shù)一直不斷在創(chuàng)新，創(chuàng)新將會(huì)伴隨始終。市場(chǎng)中的各路玩家，想要走得更遠(yuǎn)，享受新能源汽車市場(chǎng)中誘人的份額，成本控制的功課時(shí)刻考驗(yàn)，目前頭部企業(yè)也必須跟上材料體系的創(chuàng)新。仔細(xì)研究后發(fā)現(xiàn)這些年動(dòng)力電池除了結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)集成的創(chuàng)新外，材料主線依然是磷酸鐵鋰VS三元鋰以及少鈷無鈷化趨勢(shì)，其他鈉電池、固態(tài)電池等都剛剛從中試走向批量階段，商業(yè)化成熟還需各自的生態(tài)體系建設(shè)和市場(chǎng)驗(yàn)證，可以做其他專題來分解。
磷酸鐵鋰電池VS三元鋰電
從2009年新能源汽車發(fā)展至今，12年期間，三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池一直是相愛相殺。說其相愛是因?yàn)閮煞N技術(shù)路線一直在共同成長(zhǎng)，說其相殺是因?yàn)閮煞N路線在成長(zhǎng)過程中是此起彼伏的關(guān)系。今年來磷酸鐵鋰電池一路攻城陷地，自7月首次交叉之后，磷酸鐵鋰與三元鋰電池的裝機(jī)量剪刀差就不斷擴(kuò)大，到2021年10月，我國(guó)動(dòng)力電池裝機(jī)量達(dá)到15.4GWh，其中三元鋰裝車7.0GWh，磷酸鐵鋰裝車8.4GWh，占比分別為45.5%和54.5%，而在2020年，磷酸鐵鋰的占比僅有16.3%。作為動(dòng)力電池最核心的兩條技術(shù)路線，三元鋰和磷酸鐵鋰在中國(guó)市場(chǎng)已絞殺多年，并且輪流坐莊。
下圖顯示2021年以來兩種動(dòng)力電池的裝機(jī)量變化
對(duì)此有很多人從政策、成本等角度進(jìn)行了分析并對(duì)未來做出預(yù)判。作為動(dòng)力電池行業(yè)的實(shí)踐與研究者，筆者曾經(jīng)在工作經(jīng)歷中使用磷酸鐵鋰電池大批量裝車并負(fù)責(zé)運(yùn)營(yíng)，也曾經(jīng)從公司實(shí)際經(jīng)營(yíng)角度果斷叫停磷酸鐵鋰全面切換三元鋰電池主攻乘用車并取得很好業(yè)績(jī)。本文嘗試著從政策、成本、電動(dòng)車發(fā)展趨勢(shì)、技術(shù)進(jìn)步、企業(yè)經(jīng)營(yíng)等多維度進(jìn)行解讀。
1、政策因素：磷酸鐵鋰電池自2008年起，就憑借其成本相對(duì)較低的優(yōu)勢(shì)在我國(guó)動(dòng)力電池市場(chǎng)中占據(jù)了主流地位，2016全年磷酸鐵鋰電池憑借19.98GWh的裝機(jī)量曾一度拿下73%的市場(chǎng)份額。2016年后國(guó)家頒布了新能源補(bǔ)貼政策，將能量密度納入考核，然后才有能量密度更高的三元鋰電池強(qiáng)勢(shì)崛起，在2018年的動(dòng)力電池裝機(jī)量上，三元鋰電池以58.17%的份額首次實(shí)現(xiàn)超越，而磷酸鐵鋰該年度占比則跌落至39%。
2、綜合成本層面：在價(jià)格方面，當(dāng)下NCM811三元鋰電池的未稅價(jià)要0.9-1.0元/Wh，而磷酸鐵鋰電池未稅價(jià)是0.6-0.7元/Wh。能量密度方面，三元鋰電池是170-200Wh/kg，而磷酸鐵鋰電池是130-150 Wh/kg，按照“續(xù)航里程-能量密度-成本”公式計(jì)算，在單車?yán)m(xù)航里程相同的情況下，磷酸鐵鋰電池比三元鋰電池有很大的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。在性能方面，兩者各有千秋。三元鋰電池的優(yōu)勢(shì)是低溫下性能穩(wěn)定，但循環(huán)壽命較短，安全性較差，尤其是高鎳三元鋰電池，不乏起火事件。磷酸鐵鋰電池在低溫下性能衰退快，但循環(huán)壽命長(zhǎng)，安全性好。
3、技術(shù)進(jìn)步與電動(dòng)車銷售：從去年開始隨著寧德時(shí)代CTP方案、比亞迪與蜂巢能源的LCTP方案的推出，使得磷酸鐵鋰電池包的整體能量密度得到了提高，在中高端乘用車的使用已經(jīng)沒有障礙，從公告來看，各品牌車型都推出了磷酸鐵鋰版，業(yè)內(nèi)笑稱集體放棄高寒地區(qū)市場(chǎng)主攻目標(biāo)市場(chǎng)。今年以五菱宏光MINI EV為代表的微車銷售大增，五菱單一型號(hào)的年產(chǎn)銷就將達(dá)到45萬臺(tái)，單此就消耗5GWh磷酸鐵鋰電池，造成特別有趣的現(xiàn)象：今年磷酸鐵鋰比三元最后增加的量可能就是五菱宏光MINI EV的消耗量。可預(yù)見的未來幾年中，微車銷量增速會(huì)遠(yuǎn)高于中高端電動(dòng)乘用車，我預(yù)判2025年微車年銷量將突破500萬輛，2030年前將突破1000萬輛。所以磷酸鐵鋰電池銷量上漲增速仍然不減。
4、企業(yè)經(jīng)營(yíng)層面：三元電池的投入產(chǎn)出比要遠(yuǎn)高于磷酸鐵鋰電池，按筆者實(shí)際經(jīng)營(yíng)過的1.5GWh鋰電產(chǎn)線對(duì)比計(jì)算：固定投入與人員投入都是相同的，在設(shè)備的生產(chǎn)節(jié)奏固定的前提下，每年磷酸鐵鋰電池的產(chǎn)值只有三元電池的60-65%。因此單體電池做大容量是磷酸鐵鋰路線的必然選擇，這樣可以提升經(jīng)營(yíng)效率。
蔚來的三元鐵鋰綜合應(yīng)用方案可能成為主流
蔚來的“三元鐵鋰”方案是一種有創(chuàng)意的有效綜合方案，對(duì)此有借鑒作用：電池包以磷酸鐵鋰電芯為主，但在電池包的四角，則換裝了三元鋰電芯。既然磷酸鐵鋰「怕低溫」，那么就把容易處于低溫的位置換成「不怕低溫」的三元鋰。為了校準(zhǔn)全新電池包的整體SoC，蔚來用三元鋰作為標(biāo)尺，實(shí)時(shí)校準(zhǔn)磷酸鐵鋰在平臺(tái)段的SoC；在高低段利用磷酸鐵鋰的優(yōu)勢(shì)，校準(zhǔn)三元鋰的SoC，為此開發(fā)了雙體系SoC算法，充分利用三元鐵鋰雙體系的優(yōu)勢(shì)。
下圖為電池包中三元電芯和磷酸鐵鋰布局
無鈷電池技術(shù)進(jìn)展
無鈷電池的發(fā)展，要從“少鈷”入手。鈷元素在正極材料里起到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定劑的作用，但根據(jù)特斯拉Jeff Dahn團(tuán)隊(duì)的研究，高鎳含鈷電池中鈷的作用較小并可以被替代。（1）當(dāng)鎳含量超過90%時(shí)，鈷對(duì)容量保持率幾乎沒有貢獻(xiàn)；（2）用鋁或者猛替代鈷也是可以起到穩(wěn)定劑的作用；（3）摻入鋁或者錳也可以抑制相變，改善循環(huán)性能。用以代替鈷元素的其他化學(xué)元素引入主要是通過離子摻雜等方式實(shí)現(xiàn)的，在多種開發(fā)路徑中有如下幾個(gè)主要嘗試：
（1）以LG化學(xué)NCMA四元鋰電池為例，LG化學(xué)遵循去鈷提鎳研發(fā)思路，將NCM和NCA摻雜而成四元鋰電池，正極材料鎳含量約為85%，鈷、錳、鋁的含量皆為5%，減少鈷用量的同時(shí)添加鋁提高安全性、增加材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
（2）松下的目標(biāo)是提高動(dòng)力電池材料的可持續(xù)性（降低正極中的鈷含量）并降低成本。目前松下NCA電池的鈷含量低于5%，該公司正在開發(fā)無鈷版本，基于原有的NCA和NCM兩條路線都在往前走。
（3）在中國(guó)企業(yè)中以蜂巢能源NMx無鈷電池為例，基于已有的正極材料進(jìn)行改性實(shí)現(xiàn)無鈷化，通過多項(xiàng)改性技術(shù)提升LNMO性能。目前已經(jīng)在層狀LNMO材料的商業(yè)推廣上已經(jīng)取得關(guān)鍵進(jìn)展，2021年7月16日，蜂巢能源在江蘇舉行了首款無鈷電池量產(chǎn)下線儀式，這意味著全球首款無鈷電池走出實(shí)驗(yàn)室, 正式實(shí)現(xiàn)量產(chǎn), 蜂巢能源由此成為全球首家突破無鈷電池技術(shù)難關(guān), 成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品量產(chǎn)的動(dòng)力電池企業(yè)。
在前幾天剛結(jié)束的廣州國(guó)際車展上，蜂巢能源的無鈷電池裝在了長(zhǎng)城高端轎車品牌沙龍的機(jī)甲龍全球限量版上面，展示了蜂巢對(duì)于無鈷電池的堅(jiān)定信心，也表現(xiàn)了長(zhǎng)城汽車對(duì)于無鈷電池內(nèi)部長(zhǎng)期測(cè)試后的全面認(rèn)可。
蜂巢能源相關(guān)人士透露，相比NCM811電池，無鈷電池材料成本降低8%-10%，電芯循環(huán)超過3000次，理論能量密度可以與三元材料持平，無鈷電池還有抗過充和熱穩(wěn)定性的天然優(yōu)勢(shì)，安全性比三元鋰電池有明顯提高。此外，無鈷材料合成工藝與常規(guī)三元的合成可以共線生產(chǎn)，加上去掉“鈷”元素，降本空間也很可觀。
蜂巢能源后續(xù)還會(huì)從以下六個(gè)方面繼續(xù)改進(jìn)無鈷電池：
（1）嘗試采用其他金屬元素?fù)诫s、替代鈷金屬以及包覆改性無鈷正極材料，提升無鈷電池的容量和充放電倍率性能；
（2）優(yōu)化材料晶體結(jié)構(gòu)提升無鈷正極材料性能；
（3）對(duì)傳統(tǒng)的尖晶石錳酸鋰材料、磷酸鐵鋰進(jìn)行摻雜和改性，或者將多種不同微觀結(jié)構(gòu)的正極材料混合使用進(jìn)一步提升正極材料綜合充放電性能；
（4）從結(jié)構(gòu)創(chuàng)新（參考《動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)創(chuàng)新研究》了解詳情）
（5）從系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面，不同材料類型電芯混用，綜合提升電池包的能量密度和倍率性能；
（6）進(jìn)一步開發(fā)低鎳高錳的層狀無鈷材料，進(jìn)一步降低鎳的含量，降低材料成本，打造成本接近磷酸鐵鋰的無鈷層狀材料，來進(jìn)一步擴(kuò)大層狀無鈷家族成員。
鈷的影響與無鈷族系
“鈷”在全球存儲(chǔ)量越有限，意味著被替代的可能性越大，這正是無鈷電池加速發(fā)展的契機(jī)。根據(jù)美國(guó)地質(zhì)勘探局統(tǒng)計(jì)，2018年全球鈷礦儲(chǔ)量為690萬公噸。超過70%的鈷資源分布在剛果金、澳大利亞兩個(gè)國(guó)家，中國(guó)鈷資源儲(chǔ)量?jī)H為全球的1.12%，大約7.1萬噸，屬于鈷資源匱乏的國(guó)家。從國(guó)家層面來看，如果要徹底完成交通電動(dòng)化轉(zhuǎn)型，發(fā)展可替代產(chǎn)品，“去鈷”已經(jīng)迫在眉睫。
落地到電池企業(yè)的生產(chǎn)上，對(duì)“鈷”有強(qiáng)感知的是上游材料價(jià)格。 近幾年中國(guó)鈷的產(chǎn)量隨著開采而逐漸枯竭，進(jìn)口的比例逐年增加，使得電池企業(yè)得到“鈷”的成本越來越高。 “鈷”價(jià)居高不下，與動(dòng)力電池企業(yè)降本的大方向背道而馳。以50kWh的A級(jí)車來計(jì)算，如果按NCM523體系，一輛車大約需要11公斤鈷，如果按年銷2000萬輛計(jì)算的話，需要22萬噸鈷；換成高鎳811體系的話就只需要一半，必須先“少鈷”，然后“無鈷”。無鈷電池家族或者叫做廣義的無鈷正極材料大致包括：層狀無鈷、尖晶石鎳錳酸鋰、富鋰錳基、磷酸鐵鋰、磷酸錳酸鋰、錳酸鋰等，今后我們統(tǒng)稱“泛無鈷家族”，如下表：
作為主機(jī)廠，雖然在電池技術(shù)路線上有所偏好，但是不排斥任何的技術(shù)路線，前提是滿足主機(jī)廠對(duì)于安全的核心訴求下，平衡成本、續(xù)航、長(zhǎng)壽命等等商業(yè)化因素。 隨著搭載無鈷電池的整車面世，無鈷材料各項(xiàng)性能得到用戶認(rèn)可，更多的玩家和上下游企業(yè)加入該技術(shù)路線，行業(yè)協(xié)同效應(yīng)顯現(xiàn)，無鈷電池大規(guī)模應(yīng)用一定是趨勢(shì)與方向！
圖示為中國(guó)電動(dòng)車電池的發(fā)展路線圖（資料來自清華大學(xué)鋰離子電池實(shí)驗(yàn)室）
總結(jié)
三元鋰選擇高鎳無鈷，磷酸鐵鋰選擇CTP、LCTP，都在向著低資源依賴低成本的方向發(fā)展。結(jié)合新能源汽車發(fā)展的兩條主線：電動(dòng)化與智能網(wǎng)聯(lián)，筆者判斷，追求高續(xù)航與自動(dòng)駕駛體驗(yàn)的高端時(shí)尚乘用車，裝電量會(huì)不斷提升，從50kWh提升到115kWh以上，更多會(huì)考慮選擇三元高鎳無鈷電池；另外一方面實(shí)用主義者用車，每年行駛里程不超一萬公里，只需要簡(jiǎn)單的輔助駕駛，肯定將選擇磷酸鐵鋰路線的電池；介于兩者之間的體驗(yàn)派則會(huì)忽三元忽鐵鋰在網(wǎng)上發(fā)聲；商用車幾乎都導(dǎo)向磷酸鐵鋰體系。就算大家對(duì)未來推出的半固態(tài)與固態(tài)電池充滿期待，泛無鈷材料體系的動(dòng)力電池賽道都具有明確的確定性。
（本文作者系吉林大學(xué)青島汽車研究院副院長(zhǎng)、中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)電器技術(shù)分會(huì)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)專家組特聘專家顧國(guó)洪）
