中國儲能網(wǎng)訊：最近幾年，隨著電動車普及率大幅提高，動力電池迎來全面爆發(fā)時刻。電動車中最重要的零部件非動力電池莫屬，寧德時代、比亞迪、容百科技等多家上市公司大漲，一級市場也頻現(xiàn)巨額融資，甚至最上游的鋰、鈷、鎳等金屬原材料也因需求大而暴漲。
經(jīng)歷了多年技術(shù)革新，動力電池經(jīng)歷了多條技術(shù)路線混戰(zhàn)，最終磷酸鐵鋰和三元勝出，過度依賴政府補貼的電池公司都難再生存，也推動整個行業(yè)步入了新的階段。
但動力電池沒有摩爾定律，不會像半導體那樣飛速迭代。動力電池的技術(shù)基礎是電化學，元素周期表在100多年前就已經(jīng)基本定下，它需要通過排列組合不同的化學元素，以及解決一個又一個工程學問題，來漸進式升級迭代。
這種迭代主要分為材料升級和結(jié)構(gòu)革新，其中正極是決定動力電池能量密度的核心。目前的技術(shù)格局中，正極材料成熟且優(yōu)化空間較小，短期突破點聚焦在負極材料上，而對固態(tài)電池顛覆式創(chuàng)新的期望，正推動很多冒險者激流勇進。
在材料升級上，正極已形成磷酸鐵鋰和三元材料并行的局面，離理論極限還有空間，這個局面中短期不會改變；負極處于突破期，正在從石墨向硅基演進。
在結(jié)構(gòu)革新上，則是對電芯、模組、封裝方式等改進和精簡，以提升電池的系統(tǒng)性能，例如比亞迪的刀片電池、寧德時代的CTP和特斯拉的4680等等。
其他技術(shù)路線：例如鈉離子電池、氫燃料電池等等，各自有優(yōu)劣勢，可能會覆蓋適合的應用場景。
固態(tài)電池的可能性：固態(tài)電池相比于液態(tài)電池，在能量密度和安全性方面都更好，但這項技術(shù)并不容易突破，量產(chǎn)時間越推越久，還有待觀察。
我們在此刻，想結(jié)合歷史梳理與對未來的展望，來全面分析動力電池。如今動力電池產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)形成了專業(yè)化程度高、分工明確的產(chǎn)業(yè)鏈，鋰、鈷、鎳礦等等在上游，隔膜、電解液、正負極等等廠商在中間（比如做正極的容百科技），匯聚到下游的電池廠（比如寧德時代、比亞迪），以及配套服務商例如電池回收（比如西恩科技）等等。
動力電池是一個長坡厚雪的大賽道。今天，我們這篇文章主要分析動力電池的兩大技術(shù)迭代路徑——正負極的材料升級與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，我們會在另一篇中專門分析固態(tài)電池。歡迎從業(yè)或創(chuàng)業(yè)的小伙伴與我們交流，Enjoy：
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第一種升級——用更合適的材料
正極材料混戰(zhàn)，最終還是堅定技術(shù)路線的人勝出
在2019年諾貝爾化學獎的頒獎臺上，來自美國、英國和日本的三位科學家獲得了這一年的化學獎，以表彰他們對“開發(fā)鋰離子電池”的貢獻。
其中斯坦利·威廷漢在70年代首次采用金屬鋰作為負極材料，制作出了首個鋰電池。而約翰·B·古迪納夫更是被稱為鋰電池之父，他使鋰電池體積更小、容積更大、使用方式更穩(wěn)定，也是鈷酸鋰、磷酸鐵鋰正極材料的發(fā)明人，他們令電動汽車進入新能源時代。
如今，動力電池正極呈現(xiàn)了磷酸鐵鋰與三元材料并行的局面。如果看演進史，你會發(fā)現(xiàn)電池的技術(shù)升級周期比較長。這是因為電池屬于電化學行業(yè)相對穩(wěn)定，更多是漸進式創(chuàng)新。
這就意味著，這個行業(yè)的推動力并不是依靠有人突然間合成了原來沒有的東西，而是通過對不同元素間的排列組合，或是加入一些輔助手段，來發(fā)現(xiàn)更好的性能。
比如三元鋰電池的正極材料，主要是鎳鈷錳酸鋰，以鎳鹽、鈷鹽、錳鹽為原料，其中鎳鈷錳的比例根據(jù)需要調(diào)整。我們常聽到的“8系”NCM811，NCM就是鎳鈷錳的化學元素符號，811是指鎳、鈷、錳的配比按照8：1：1。
三元材料的技術(shù)演進，就是從3系到5系（5:2:3）再到6系（6:2:2）、8系（8:1:1），直至現(xiàn)在的9系高鎳。這個演進的本質(zhì)就是鎳的比例不斷提升、鈷的比例不斷下降、能量密度不斷提高的過程。
我們在投資容百科技時，行業(yè)主流正處于3系和5系，一些廠商在布局6系，那時容百押注技術(shù)變革，想直接跨越到8系，因為8系是相對終極的解決方案。容百的創(chuàng)始人白厚善是行業(yè)老兵，并且有足夠大的視野與格局。
容百還在很早就押注了動力電池的高鎳化，高鎳化是近幾年里出現(xiàn)的新趨勢。高鎳也就意味著去鈷，最早之所以要加鈷，是為了防止電池自燃、爆炸。在動力電池沒有普及之前，鈷是夠用的，主要用在手機等消費電子電池里。但一輛新能源車，動力電池的用鈷量，相當于上千臺手機，導致對鈷的需求激增。
但鈷的產(chǎn)量嚴重不足，鈷在地球上的總儲量不是很大，且主要集中在非洲剛果等地。如今鈷已經(jīng)成為限制動力電池成本下降的重要原因。馬斯克就曾表示，鈷的比例必須下降，不然電動車的成本永遠降不下來。
在車企和電池廠商的推動下，2020年成為了高鎳元年，寧德時代高鎳電池開始起量，而容百作為正極材料供應商，綁定了寧德成為該領域絕對龍頭。隨著高鎳技術(shù)越來越成熟，2021年高鎳在寧德時代的總裝機量中，占比提升至30%。
高鎳在工程上并不容易做到。像NCM811等高鎳三元正極材料，其工藝流程對于窯爐設備、匣缽、反應氣氛等均有特殊要求，且往往涉及二次甚至更多次的燒結(jié)，成本較高。比如所需的氫氧化鋰原料，要在氧氣氛圍燒結(jié)，還要去離子水洗滌。但常規(guī)三元正極材料則只需要碳酸鋰原料，空氣氛圍燒結(jié)，也無需去離子水洗滌。
另一方面，與三元材料的優(yōu)缺點互換，幾乎就是另一條技術(shù)路線——磷酸鐵鋰。如今磷酸鐵鋰和三元并駕齊驅(qū)，成為當下動力電池的另一大帝國。
磷酸鐵鋰電池的優(yōu)缺點十分明顯，優(yōu)點包括安全性高、高溫性能好、使用壽命長、原材料成本低等。
磷酸鐵鋰的橄欖石結(jié)構(gòu)，非常穩(wěn)定。本身磷酸根就能構(gòu)成一個三維結(jié)構(gòu)，鋰脫出去之后，它自身還能保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，不會坍塌。但很多三元材料，在鋰脫出去之后，自身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性會受到一定程度的破壞。所以磷酸鐵鋰的循環(huán)壽命很長，在2000次以上，而三元一般在1000次。
磷酸鐵鋰正極材料的分解溫度，高達700℃，非常安全；且其原材料不含金屬鈷，這就讓成本低于三元近20%。
與優(yōu)點相對，磷酸鐵鋰的兩大缺點也十分明顯，首先是能量密度天花板低，理論能量密度在190Wh/kg，遠低于三元的350Wh/kg。
并且在低溫下的性能衰減很大，那些一到冬天電量就瘋狂掉的電動車，多數(shù)用的都是磷酸鐵鋰電池。一塊容量為3500mAh的電池，如果在-10℃的環(huán)境中工作，經(jīng)過不到100次的充放電循環(huán)，電量將急劇衰減至500mAh，因此鐵鋰電池不適合北方的冬天。
不過當鐵鋰電池連在一起，成組效率高達85%以上，如今Pack后的能量密度在130-140wh/kg。而三元雖然單體能量密度在200-250為主，但成組效率低一些，只有75-80%左右，Pack后的能量密度普遍在140-160wh/kg，高鎳三元在180wh/kg左右。
但相比于成本優(yōu)勢，磷酸鐵鋰漲價了才60-70元/公斤，三元幾乎貴了三倍，要在180-190元/公斤，是它的3倍了，這些能量密度的損失在某些場景下也可以接受。
2017-2018年，當國家補貼高能量密度材料時，三元是很有優(yōu)勢的。但自補貼退坡以后，磷酸鐵鋰的價格優(yōu)勢就完全體現(xiàn)了出來。從2021年開始，磷酸鐵鋰的裝機量一直在增加，從幾年前的只剩20%左右，增長到今天的一半一半，與三元分庭抗禮。
如果從整個動力電池產(chǎn)業(yè)鏈來看，當下還有很多不夠成熟的地方。從理論上講，一個成熟行業(yè)會是下游最賺錢，就可能是整車的利潤率大于電池，大于材料，大于礦。但現(xiàn)在的實際情況是，由于整車發(fā)展速度很快，但上游礦的投資周期很長，一時間供給跟不上需求，現(xiàn)在鋰礦、鎳礦價格飆升，反而擠壓了下游，在一定程度上影響了正極材料的技術(shù)路線選擇。
負極突破有限已成拖累，從石墨到硅基？
隨著正極材料的磷酸鐵鋰與三元已經(jīng)逐漸優(yōu)化到極致，人們把目光投向負極。
目前，我們廣泛使用的負極材料是石墨，但石墨的理論能量密度是372mAh/g，現(xiàn)在已經(jīng)優(yōu)化到了350-360mAh/g，急需用新的材料來突破。
負極材料的工作原理是在電池中起到儲鋰的作用，鋰離子在充放電過程中嵌入與脫出負極，充電時正極鋰被氧化為鋰離子，通過隔膜到達負極，鋰離子嵌入負極中；放電時鋰離子脫出負極，在正極被還原為鋰。
下一步，我們想用的材料是硅。硅的理論容量高達4200mAh/g，是石墨的十倍多。但硅有一個問題，就是在電池的充放電循環(huán)過程中，隨著鋰離子的嵌入和脫出，硅的體積膨脹率非常大，純硅高達300%，這會引起電解液的消耗，進而導致電池使用壽命的急劇下滑。
石墨之所以好用，就是因為它的體積膨脹率比較低，只有10%-13%左右。目前，產(chǎn)業(yè)界想到的折中方案是，用5%-20%的硅來形成石墨+硅的復合負極材料，在可以接受的體積膨脹率之下，盡可能去提升容量。
不過，目前硅碳負極出貨量還不高，一方面一些技術(shù)難題還沒有被攻克，比如說石墨本來可以循環(huán)3000次，但加了硅就減半到1500次，同時硅碳的成本也居高不下。
人們對正負極材料曾經(jīng)做過很多探索，其中最典型的非鈦酸鋰莫屬。2021年格力電器成為格力鈦新能源（原珠海銀隆）的控股股東，而這家2008年成立的公司，就致力于探索鈦酸鋰技術(shù)路線。
鈦酸鋰是優(yōu)劣勢都非常明顯的材料。優(yōu)勢是倍率性能、循環(huán)性能特別好，電池的循環(huán)壽命幾乎是無限的，非常適合公交車等營運時間長，需要考慮循環(huán)壽命和成本的應用場景。
但鈦酸鋰的電壓平臺太高了，導致能量密度太低。這些問題決定了鈦酸鋰很難大規(guī)模商用，只能在一些特殊的場合，比如-40度的超低溫，需要特別高的功率。在政府補貼時代，鈦酸鋰紅極一時，但當補貼退坡后，還是很難自負盈虧。
一項技術(shù)從實驗室走向大規(guī)模商用并不容易，經(jīng)常會出現(xiàn)技術(shù)路線斗爭，無論是磷酸鐵鋰和三元，還是石墨、硅、鈦酸鋰等等，但從結(jié)果來看，最終格局不一定是一邊倒的局面，而是各自找到了最適合的細分賽道。
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第二種升級——不一樣的電池結(jié)構(gòu)
當人們不斷嘗試新材料的同時，電池結(jié)構(gòu)也是升級的另一大重點。
如何改進底盤電池包的設計？如何提升空間利用率？如何降低零件數(shù)量、降低電池包成本？都是提高動力電池綜合表現(xiàn)的重要手段。
在材料上，比如從3系減少了鈷，加了更多鎳，材料的變化導致理論容量產(chǎn)生了變化，從300mAh/g變到了500mAh/g，但這只是理論容量，在生產(chǎn)成最終安裝在車上的電池包時，需要各種結(jié)構(gòu)設計，其中又會造成一些損耗，實際做完可能會從500降到400，這就變成了一個工程問題。
各家紛紛亮出了自己的“武器”，比亞迪研究出了“刀片電池”、寧德時代拿出了CTP/CTC技術(shù)、特斯拉祭出了4680……當然本質(zhì)上，封裝路線其實只有三種：圓柱、方形與軟包。
比亞迪和寧德時代都走的方形封裝路線，特斯拉的4680則屬于圓柱型。圓柱型是最為成熟的技術(shù)路徑，從消費電子開始，采用鋼鋁把圓柱的電池包裝起來，一直是生活中最常見的電池。這種工藝成熟，良品率很高，但BMS復雜，使用門檻較高。而方形電池采用鋼鋁外殼，成組效率最高；軟包則是能量密度最高，但經(jīng)歷了一系列安全事故和價格高昂，曾經(jīng)遭遇挫折，但在2020年后隨著歐洲市場的放量滲透率大幅回升。
特斯拉的4680電池要面對什么難題？
2020年9月，馬斯克在特斯拉電池日上發(fā)布了第三代4680電芯。之所以叫“4680”，是因為它的直徑為46mm，高度為80mm。
4680的亮點是，相比于上一代2170，能量提升了5倍、續(xù)航里程提升16%、功率提升6倍、在電池組層面每千瓦時成本降低14%。
這意味著更少電芯數(shù)量，更高成組率。比如同樣用于75kWh的電動車里，需要4400個2170的電芯，若換為4680電芯僅需要950個；同時，更少的電芯數(shù)量降低了組裝時間，提升成組效率，帶來了成本優(yōu)勢。
特斯拉4680電池
不過大家明知道電池尺寸大的好處，卻不敢往大了做，是因為需要解決很多非常難的挑戰(zhàn)。
第一，顯而易見的是當電池尺寸越大，發(fā)熱就越多，散熱也越難，從而影響充電速度和循環(huán)使用壽命。
這一次，特斯拉試圖通過全極耳技術(shù)，來搞定這個問題。極耳，是指從電芯中將正負極引出來的金屬導電體，是電池充放電時的接觸點。極耳間距越短，電池輸出功率越高。
傳統(tǒng)電池只有兩個極耳，分別連接正極與負極，而4680電池實現(xiàn)了全極耳，直接從正極/負極上剪出極耳，大大縮短了極耳間距，進而大幅提升了電池功率（6倍于2170電池）。而且電子更容易在電池內(nèi)部移動，電流倍率提高，因此充放電速度更快。
第二，電池容量提升還會帶來電芯一致性的問題。電池組由一個一個電芯單體組成，它遵循的是“木桶原理”，即電池組的容量、壽命取決于容量最低、壽命最短的那根電芯。如果每個電芯的容量區(qū)別很大，會導致電池組整體的容量損失。
而內(nèi)阻的不一致性，也會導致單個電芯的發(fā)熱量不同，相同的電流，大內(nèi)阻電芯的發(fā)熱量更大，因此劣化速度更快，折損整個電池組的壽命。
第三，是生產(chǎn)工藝問題。全極耳電池生產(chǎn)起來并不容易，通俗理解就是如何把極耳折在一起的工藝。目前有揉壓極耳、切跌極耳、多極耳三種。揉壓極耳時，極耳形態(tài)不受控，容易短路，制造時兩段封閉，電解液滲入阻礙大。而如果切跌極耳，斜切成片卷起，比無規(guī)則擠壓好一些，占空間較小，但表面起伏度較大。多極耳很難折疊整齊，極耳位置誤差在外圈易被放大。特斯拉目前用的是切跌極耳路線。
全極耳也對焊接技術(shù)提出了更高要求。在傳統(tǒng)雙極耳中，與集流盤或殼體連接時，只需要點焊即可，但4680的全極耳要求面焊，激光強度和焦距都不容易控制，容易焊穿燒到電芯內(nèi)部或者沒有焊到。所以以往2170電池只需要脈沖激光器點焊，但4680要求激光點陣焊接，需要連續(xù)激光器，在生產(chǎn)上也需要全面提升。
所以4680的量產(chǎn)還面臨難度。一般來說，90%的良品率是實現(xiàn)量產(chǎn)的要求，但在初期，4680的良品率只有20%，在經(jīng)過不斷的技術(shù)改良后，才提高至70%-80%。
另一方面，特斯拉還為4680準備了CTC技術(shù)——電池既是能源設備，也是結(jié)構(gòu)本身。
CTC（Cell to Chassis）直接將電池集成在電動車底盤上，取消了原來的電池蓋板，電池上表面的零件，通過一種兼顧結(jié)構(gòu)膠+耐火阻燃膠的新型多功能膠，直接與車身結(jié)構(gòu)連接，集成了座椅固定及車身橫梁的功能，同時承擔電池密封，增加了空間利用率。
綜合來說，4680是一款有潛力成為行業(yè)標準品的電池，它的材料體系應用激進，采取了超高鎳低鈷正極+硅碳負極的方案，疊加CTC提升布置效率，節(jié)省了370個零部件，為車身減重10%，將每千瓦時的電池成本降低7%，增加14%的續(xù)航，彰顯了特斯拉的野心。
比亞迪“刀片電池”與寧德時代CTP技術(shù)如何？
比亞迪刀片電池與寧德時代CTP電池，都是一種基于方形鋁殼的疊片電池。
CTP（Cell to Pack）技術(shù)，可稱為無模組設計，其靈感是直接將多個電芯布置于箱體，而無需先把多個電芯組裝成模組。這使得零部件數(shù)量大幅減少，底盤空間利用率也提高了很多，進一步降低了制造成本。
比亞迪的“刀片電池”在無模組設計上更加徹底，一刀片一電池，單塊刀片電池是由多個并聯(lián)的電芯組組成，兩個相鄰的極芯組之間設置有隔板，將電芯的空間分隔成若干個容納腔，形成類似的蜂巢結(jié)構(gòu)，空間利用率極高。
比亞迪刀片電池陣列
當然，刀片電池也有其局限性。這種設計適用鐵鋰體系，三元比較難。原因是三元高鎳正極存在氣體膨脹，硅碳負極存在固體膨脹問題，而刀片電池導電路徑長，阻抗大不利于散熱，磷酸鐵鋰的失控溫度高，產(chǎn)氣量少，整體更加安全，但用不了三元導致能量密度天花板較低。
所以比亞迪主要走性價比路線，在便宜的同時令其最終產(chǎn)品的能量密度，不比三元電池包差太多。2021年比亞迪旗下電動車切換刀片電池，出貨量在快速提升。
寧德時代的CTP電池，與比亞迪刀片電池類似，不同點在于其仍保留了部分模組，但是通過減少模組的使用，增加電芯數(shù)量或體積，提升集成效率。
這種不那么激進的策略，令寧德時代CTP電池可以應用鐵鋰或三元，例如特斯拉的鐵鋰電池就是采用寧德時代CTP技術(shù)，成組能量密度達150-160wh/kg，成本方面低于三元電池15%左右。此外三元電池中CTP也逐步切換，北汽、大眾等很多車企，采取了高鎳三元811大模組方案。
CTP的技術(shù)難點，在于怎么把它們整合在一起，怎么保持電池的一致性。在生產(chǎn)過程中，每家電池廠的CTP技術(shù)也不完全一樣，各自有各自的專利布局，模仿難度很高。
在繼2019年提出CTP后，2020年寧德時代公布了電池結(jié)構(gòu)的開發(fā)路線圖，除了第二代、第三代CTP電池系統(tǒng)以外，與特斯拉類似，還提出了從電芯直接跨越到底盤的集成化CTC電池系統(tǒng)，計劃在2025年左右推出。
從以上的技術(shù)細節(jié)中，我們不難看出動力電池的提升，是一種工程化的步步為營。無論是4680從多功能膠的使用、激光點陣焊接、全極耳的切跌、新型硅碳負極的應用，再到刀片電池富有創(chuàng)意的排布、CTP向CTC電池越來越集成化，每個環(huán)節(jié)都缺一不可，是現(xiàn)代工程學的結(jié)晶。
動力電池更強調(diào)步步為營，把每一步技術(shù)做扎實；這個行業(yè)也不喜歡投機者，過度依賴政策補貼是行不通的。
所以這個行業(yè)最終還是需要企業(yè)家，要有對技術(shù)路徑的嗅覺、要有解決一個又一個工程細節(jié)的執(zhí)著，以及穿越產(chǎn)業(yè)周期的格局，才能在隘口突圍。
