三元鋰電池被政策與對手圍攻，出路何在？
文｜Juice
電動汽車上普遍搭載的三元鋰電池，要被淘汰了？
5月12日，工信部連發(fā)三道加急文書，頒布了一系列電動汽車強制標準，其中就包括一條“要求電池單體發(fā)生熱失控后，電池系統(tǒng)在5分鐘內不起火不爆炸，為乘員預留安全逃生時間”。
這一條規(guī)定對目前使用最廣泛的三元鋰電池來說，可謂是重大打擊。
從此前發(fā)生的一些自燃事件來看，車用三元鋰電池在發(fā)生熱失控后，很快就燃起大火，并不符合上述5分鐘不起火的規(guī)定。
三元鋰電池正極材料中鎳元素的含量進行提升能夠使大大提升電池的能量密度，這也可以為電動車帶來更長的續(xù)航里程，但鎳元素提升之后，電池更容易出現(xiàn)熱失控。
與磷酸鐵電池相比，在特殊發(fā)生熱失控后（比如針刺實驗），三元鋰電池內部的材料會發(fā)生分解，并隨著發(fā)生爆炸。而磷酸鐵電池則能保持穩(wěn)定。
政策之外，三元鋰電池還面臨競爭對手——磷酸鐵電池的新一輪打擊。
比亞迪推出的刀片電池，用新的封裝方式，大幅提升了能量密度補上了自己的短板，再加上自身擁有更好的安全性和成本優(yōu)勢，迅速崛起。
比亞迪的旗艦電動車——漢，就搭載了刀片電池上市。而特斯拉，也為國產Model 3換上了磷酸鐵電池。
新標準和新產品的出現(xiàn)，引起了業(yè)內的激烈爭論。三元鋰電池和磷酸鐵電池各自的代表，寧德時代和比亞迪就為這事兒隔空“吵了起來?！?
比亞迪在刀片電池發(fā)布會上放出針刺實驗的結果后，巨頭寧德時代表示，電池安全和電池濫用測試是兩回事，但有些人把通過濫用測試等同于電池安全。
但隨后，比亞迪則強硬回復稱“不服？那也來扎一下吧！”。
那么三元鋰電池到底能不夠通過這個標準？三元鋰和磷酸鐵到底有何技術差異？三元鋰電池是不是真的要被淘汰了呢？從業(yè)內專家的評論和各大企業(yè)的實際做法來看，其實已經有了答案。
三元鋰遇政策重拳 寧德時代比亞迪隔空斗法
近兩個月來已經發(fā)生多起電動汽車著火的事故，為此，5月12日，工信部連發(fā)三道加急文書，頒布了一系列電動汽車強制標準，其中就包括一條“要求電池單體發(fā)生熱失控后，電池系統(tǒng)在5分鐘內不起火不爆炸，為乘員預留安全逃生時間”。
▲工信部頒布了一系列電動汽車強制標準
這條強制標準也被認為是針對三元鋰電池的，從之前發(fā)生的自燃現(xiàn)象來看，多款搭載了三元鋰電池的電動車從自燃到著火也就在幾十秒內。
此標準一出，一向以安全性著稱的磷酸鐵鋰電池又再次受到了大眾的關注。
比亞迪作為資深的磷酸鐵鋰電池玩家，在磷酸鐵鋰電池方面有了比較深的研究，3月份曾發(fā)布了刀片電池。在發(fā)布會現(xiàn)場，比亞迪副董事長何龍表示：“幾乎所有你能想到的電動汽車品牌都在和我們探討合作?！?
這也從側面反映出了磷酸鐵鋰電池目前確實受到了很多車企的關注。
比亞迪總裁王傳福在刀片電池的發(fā)布上表示，在國內的新能源乘用車領域，多個企業(yè)間存在續(xù)航攀比的現(xiàn)象，而提升續(xù)航的主要方法就是提升動力電池的能量密度，這就導致了電池行業(yè)的發(fā)展跑偏了。
車企普遍選擇了能量密度更高的三元鋰電池，并且還在持續(xù)增加電池的能量密度，這就導致了電動汽車的自燃事頻頻發(fā)生。
隨后比亞迪還放了刀片電池和三元鋰電池在針刺實驗下的不同結果，結果顯示，三元鋰電池在針刺實驗下很快就爆炸了，表面溫度超過500攝氏度。
這也被外界視為比亞迪向寧德時代發(fā)起的挑戰(zhàn)，之后寧德時代的董事長曾毓群親自回應稱：“電池安全和電池濫用測試是兩回事，但有些人把通過濫用測試等同于電池安全?！?
之后，比亞迪銷售副總經理李云飛在微博上發(fā)文稱：“不服？那也來扎一下吧！”，這一回應算是將兩者之間的暗戰(zhàn)提升到了明戰(zhàn)的狀態(tài)。
5月22日，寧德時代發(fā)布了一則視頻，視頻顯示，在進行針刺實驗時，鋼針并沒有穿過電池包，而且還被電池外包裝的鋼板折斷了。
但視頻發(fā)出后，也引起了部分網友的不滿，有網友認為，針刺實驗的本質是為了模擬電池短路，而不是刺進或刺不進，還有人稱寧德時代掌握了電池外殼的核心技術。
既然目的沒達到，5月23日晚上，寧德時代又放出了一則視頻，視頻中，寧德時代的5系和8系三元鋰電池都成功通過了針刺測試，這兩款電池在針刺和靜止1小時后，電池未出現(xiàn)劇烈的升溫和爆炸現(xiàn)象。
在視頻的最后，寧德時代表示：“寧德時代早在2017年就已經掌握了三元電芯通過針刺測驗的技術，但是為什么沒有推廣？通過針刺測驗=電池安全嗎？”
目前，李云飛又回應稱針刺測試未短路就是失敗了，而寧德時代方面還有消息傳出說要放出第三則視頻，國內動力電池行業(yè)的兩個巨頭之間的爭論還將繼續(xù)。
但搭載了三元鋰電池的電動汽車屢屢發(fā)生自燃，磷酸鐵鋰電池和政策的一步步打壓也都讓三元鋰電池處在風口浪尖，那么為什么會出現(xiàn)這樣的情況呢？
三元鋰pk磷酸鐵 成本與安全處于劣勢
要想搞明白三元鋰電池現(xiàn)在處境的原因，還需要從三元鋰電池的自身來說起。
安全性不強是目前三元鋰電池最顯著的問題，由于NCM電池的用戶比較多，我們主要來看一下這種電池，根據鎳與鈷、錳元素比例的不同，NCM電池又可以分為兩類，一類是鎳錳等量型，另一類是鎳錳不等量型。
如NCM424和NCM111就是典型的鎳錳等量型電池，但隨著車企對電動車續(xù)航能力要求的提升，三元鋰電池的能量密度不斷推高，高鎳路線也不斷明確。
所以以NCM523、NCM622和NCM811為代表的高鎳型三元鋰電池是目前電池廠的主流路線。由于提升鎳元素可以讓電池具備更高的容量，所以現(xiàn)在電池廠都已經在生產容量最高的NCM811電池了。
▲寧德時代動力電池
而在8系三元鋰電池之后，鎳元素含量超過90%的9系三元鋰電池正在蓄勢待發(fā)。據高工鋰電報道，知名鋰電材料供應商格林美目前已經完成了鎳元素摩爾比例分別達到90%、92%、95%的Ni90、Ni92、Ni95等三元前驅體材料的研發(fā)與量產。
但凡事都有正反兩面，隨著能量密度的不斷提升，電池的安全隱患也在與日俱增。
有研究表明，隨著三元鋰電池正極材料中鎳元素的富集，電池的容量保持能力與熱穩(wěn)定性出現(xiàn)了下滑。
當NCM三元鋰電池正極的鎳含量超過60%，NCA三元鋰電池正極的鎳含量超過80%，在經過一定次數的循環(huán)后，電池正極材料中的微裂紋顯著增加，電極阻抗增大，正極開始向電芯中析出大量的氧氣。而且在電池溫度達到250攝氏度～350攝氏度時，三元鋰電池內部的化學成分就會發(fā)生分解。
這一現(xiàn)象會造成兩個后果，一是由于微裂紋增加，電池的壽命會受到影響；二是由于氧氣的出現(xiàn)容易導致電池熱失控的產生，而熱失控則會引發(fā)電池起火爆炸。
而磷酸鐵鋰電池則是采用了磷酸鐵鋰作為電池的正極材料，磷酸鐵鋰晶體中的P-O鍵難以分解，就算是在非常高的溫度或者過充的時候也不會結構崩壞，當電池的溫度處在500攝氏度～600攝氏度的高溫時，其內部的化學成分才開始分解。
正是這一特性才使得磷酸鐵鋰電池的使用壽命會更長，而就算發(fā)生了熱失控的現(xiàn)象，磷酸鐵鋰電池也不會像三元鋰電池那般容易著火。
▲比亞迪刀片電池和其他電池的針刺測試結果對比
即使發(fā)生了著火現(xiàn)象，磷酸鐵鋰電池也更容易處理，磷酸鐵鋰電池的燃燒需要外部提供氧氣，一旦切斷了氧氣，火就可以熄滅，所以常規(guī)的滅火方法都可以滅火。
而三元鋰電池著火后，電池內部還會持續(xù)發(fā)熱，用普通的干粉滅火器能將明火滅掉，但并不能降低內部溫度，可能會導致二次燃燒，因而只能用水持續(xù)降溫滅火，這也會增加滅火的難度。
此外，三元鋰電池的成本居高不下也是一個缺點。三元鋰電池就是正極材料中采用了鎳鈷錳或鎳鈷鋁等金屬元素的電池，目前國內用的比較多的是鎳鈷錳（即NCM）電池，而特斯拉采用的則是鎳鈷鋁（即NCA）電池。
但無論是NCM電池還是NCA電池，都脫不開對鈷元素的使用，鈷是一種稀缺金屬，產量少且分布不均，美國地質勘探局數據顯示，全球陸地鈷資源的儲量約為700萬噸，其中剛果（金）的儲量占比為52%、澳大利亞儲量占比為17%，古巴的儲量占比為7%，其他國家的儲量則非常低。
正是對鈷金屬的需求才導致三元鋰電池的成本居高不下，據公開資料顯示，目前三元鋰電池的度電成成本在1000元左右，而磷酸鐵鋰電池的度電成本可以控制在600元內。
綜合來看，三元鋰電池的優(yōu)缺點都很明顯，較高的能量密度能夠為電動汽車提供更長的續(xù)航里程，但安全性差也是懸在空中的一把利劍，對于汽車來說，安全性又是重中之重，因而三元鋰電池受到打壓就不奇怪了。
特斯拉與比亞迪轉用磷酸鐵 裝機量持續(xù)上升
雖然三元鋰電池存在安全問題，但是因為其能量密度高，很多車企仍然選擇這種電池，但比亞迪的刀片電池基本上解決了能量密度的問題，又擁有更高的安全性，使得磷酸鐵鋰的市場占有情況也發(fā)生了一些變化。
目前，國內的磷酸鐵鋰電池的裝機量開始上升，甚至特斯拉、比亞迪的王牌車型，也開始從三元鋰電池換裝為磷酸鐵鋰電池了。
今年3月29日，比亞迪正式發(fā)布了刀片電池，并且還表示這款電池將會首先搭載到比亞迪漢上，在采用了刀片電池后，比亞迪漢的NEDC續(xù)航里程將超過600公里。
而在2015年，比亞迪推出的宋DM車上也采用了三元鋰電池，2017年推出的秦EV和e5車型也采用了三元鋰電池，這說明比亞迪也曾在技術路線上進行過糾結。
而現(xiàn)在，比亞迪漢EV、比亞迪宋Plus等旗艦車型都將采用刀片電池，這也可以看出比亞迪堅定了繼續(xù)走磷酸鐵鋰電池的道路。
在刀片電池的發(fā)布會現(xiàn)場，比亞迪副總裁何龍表示：“幾乎你能想到的所有汽車品牌，都在和我們探討基于刀片電池技術的合作方案，相信大家很快就能看到、聽到刀片電池更多精彩的消息?！?
除了比亞迪，全球第一大的電動汽車生產商也將要采用磷酸鐵鋰電池了。
5月22日，工信部發(fā)布了第333批《道路機動車輛生產企業(yè)及產品》，其中再次出現(xiàn)了特斯拉Model 3，從申報的信息來看，這款Model 3的電池換成了磷酸鐵鋰電池。
▲國產Model 3采用了磷酸鐵鋰電池
據了解，特斯拉的磷酸鐵鋰電池將會由寧德時代提供，有媒體報道稱寧德時代的磷酸鐵鋰模組度電成本已經降到了500元以內，電池組的成本將會在600元以下。而此前特斯拉所用的高鎳三元鋰電池度電成本在1000元左右。這樣一來，國產Model 3的價格有望進一步下降。
目前，特斯拉的全球銷量已經超過了100萬輛，而比亞迪電動汽車的全球銷量也快接近100萬輛了，這兩家企業(yè)是世界上最大的兩個電動汽車生產商，他們都采用了磷酸鐵鋰電池，這對于其他車企的影響將會是巨大的，在未來可能會有更多的車企選擇磷酸鐵鋰電池。
正是由于這些原因的影響，目前磷酸鐵鋰電池的裝機量也在穩(wěn)步提升。中國汽車動力電池產業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟公布的數據顯示，2020年4月份，國內三元電池裝機量約2.6GWh，占比為73.2%，環(huán)比增長17.8%。磷酸鐵鋰電池的裝機量為0.9GWh，占比25.8%，環(huán)比增長74.1%
雖然目前磷酸鐵鋰電池的銷量提升主要跟商用車產銷的增長分不開，但隨著國產Model 3、比亞迪漢逐步搭載磷酸鐵鋰電池，可能將會有更多的車企采用磷酸鐵鋰電池，磷酸鐵鋰電池的市場份額也會進一步提升。
三元鋰有未來 三大方向實現(xiàn)技術突破
看到這里，你可能會問，按這么說三元鋰電池是不是就沒有希望了，未來終將是磷酸鐵鋰的天下了嗎？
但事實并非如此，很多電池企業(yè)已經認識到了三元鋰電池存在的問題了，并且已經在積極的尋求解決方法，寧德時代通過加固電池外殼也能應對針刺實驗，并且還展示了其三元鋰電池通過針刺實驗的視頻。
不過，目前三元鋰電池的發(fā)展也確實到了瓶頸，還需要更多的技術突破才能持續(xù)發(fā)展，而LG化學、蜂巢能源和三星都已經在研究新的技術了。
在今年3月4日通用的“EV week”活動上，通用與它的合作伙伴LG化學一同推出一款新的電池產品Ultium。
▲通用新電池Pack
這款產品的核心并不是被外界吹得神乎其神的電池包技術，其關鍵在于，Ultium電池的電芯將會使用LG化學最新研發(fā)的NCMA四元鋰電池。
這款電池的技術原理是通過向NCM三元鋰正極材料，混入少量的鋁元素，使原本性質活躍的高鎳三元正極材料在保持高能量密度的同時，也能維持較穩(wěn)定的狀態(tài)。
在這一轉變過程中，原本NCM三元體系的Li[Ni-Co-Mn]O2正極材料體系變成了Li[Ni-Co-Mn-Al]O2（正極材料的化學構成發(fā)生了改變）。
過渡金屬鋁元素的加入所形成的Al-O化學鍵強度遠大于Ni(Co，Mn)-O化學鍵，從化學性質上增強了正極的穩(wěn)定性，進而使得NCMA四元電池H2—H3不可逆相變的電壓在經過多次循環(huán)后仍然保持穩(wěn)定狀態(tài)，且Li元素在正極的脫嵌過程中不易釋放氧元素，減少了過渡金屬的溶解，提升了晶體結構的穩(wěn)定性。
而穩(wěn)定的晶體結構則減少了充放電循環(huán)過程中，正極材料微裂紋的形成，正極阻抗的上升速度得到抑制。
與此同時，有研究表明，NCMA的正極材料放熱峰值反應溫度為205攝氏度，高于NCA正極材料的202攝氏度與NCM正極材料的200攝氏度，這意味著NCMA正極材料的熱穩(wěn)定性更加優(yōu)秀。
▲通用與LG合作的電池
值得注意的是，NCMA四元正極材料中，成本最為昂貴的鈷元素，含量從NCA/NCM 622中的20%下降至5%，成本進一步降低。按照LG與通用公布的數字，NCMA四元電池的量產成本為100美元（約合人民幣694元），而此前，LG化學NCM 622的量產成本約為148美元（約合人民幣1027元）。
高能量密度、高穩(wěn)定性、低成本，原本在NCA/NCM三元鋰電池上難以同時實現(xiàn)的特性，在NCMA四元鋰電池上達成，對于動力電池產品而言，NCMA的量產將會掀起一股技術路線升級的浪潮。
而5月19日，長城汽車的動力電池公司蜂巢能源發(fā)布的L6薄片無鈷長電芯徹底去除了三元鋰中成本最高的鈷元素。
蜂巢陽離子摻雜技術采用兩種化學鍵能更大的元素摻雜到材料中替代鈷，通過強化學鍵穩(wěn)定氧八面體結構，減少鋰鎳混排，改善了材料的穩(wěn)定性，可以在4.3V~4.35V電壓下穩(wěn)定工作，使能量密度提高，成本降低。
▲蜂巢能源L6薄片無鈷長電芯
同時，蜂巢能源還采用了單晶技術，與多晶材料相比，單晶材料在輥壓過程中具有更強的顆粒強度和更加穩(wěn)定的結構，耐壓力強度可以提高10倍。正因如此，無鈷材料的使用壽命會更長，電芯壽命也比多晶高鎳三元高出70%。
此外，蜂巢能源還采用了納米網絡包覆技術，在單晶表面包覆一層納米氧化物，可以減少正極材料與電解液的副反應，有效改善了高電壓下的材料循環(huán)性能。
這三項技術的加持，使得蜂巢能源的無鈷電池在三元鋰電池的基礎上降低了生產成本，提升了電池的安全性和使用壽命，也將會成為三元鋰電池的下一步出路之一。
在四元鋰電池和無鈷電池之外，還有一部分電池企業(yè)在研究固態(tài)鋰電池。顧名思義，固態(tài)電池的核心就在于把液態(tài)電解質轉變成固體電解質。
固態(tài)電解質不會發(fā)生自燃、沒有腐蝕性、不會泄漏和揮發(fā)，因為也不會導致車輛自燃，安全性非常高。但目前，固態(tài)電池的生產技術還是一大難點，現(xiàn)階段的固態(tài)電解質電導率總體低于液態(tài)電解液，現(xiàn)在固態(tài)電池的性能偏低。
但三星在今年三月份發(fā)出報告稱其在全固態(tài)電池的量產之路上取得了突破性的進展。
據介紹，三星的全固態(tài)電池將實現(xiàn)900Wh/L（區(qū)別于Wh/kg的計量單位，因不同材料密度不同，二者不可換算）的能量密度，1000次以上的充放電循環(huán)以及99.8%的庫倫效率（也可稱為充放電效率），我國目前較為先進的固態(tài)電池技術雖然同樣也能夠實現(xiàn)1000次以上的充放電循環(huán)，但在庫倫效率方面目前還達不到接近100%的程度。
▲三星在《自然-能源》雜志上發(fā)表論文
此外，三星通過引入銀碳復合負極、不銹鋼（SUS）集電器、輝石型硫化物電解質以及特殊材料涂層，對固態(tài)電池的負極、電解質與正極進行了處理，有效解決了鋰枝晶生長、低庫倫效率與界面副反應，這三大固態(tài)電池量產所面臨的核心問題，推動固態(tài)電池技術離產業(yè)化更進一步。
總的來看，電池企業(yè)們并不愿意舍棄三元鋰的高能量密度，所以一直在三元鋰電池的變種上下功夫。
隨著他們的不斷攻堅，四元鋰電池、無鈷電池、固態(tài)電池等新的電池都量產不遠了，在下一階段的競爭中，三元鋰電池的變體們還有可能會引領電池產業(yè)的發(fā)展方向。
結語：給三元鋰電池判死刑還為時尚早
關于磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池技術爭論一直都在，國內的兩個動力電池廠商寧德時代和比亞迪此前各自堅定的走差異化道路。
但近些年，雖然三元鋰電池的安全事故開始增加，磷酸鐵鋰電池大有崛起之時，而特斯拉采用磷酸鐵鋰電池則更加引起了輿論風向。
一時間，三元鋰電池將被判死刑，三元鋰電池已死等言論層出不窮。但就現(xiàn)實情況來啊可能，三元鋰電池仍然是出貨量最高的電池類型，磷酸鐵鋰電池會因為安全性而獲得一定的市場，但也無法完全顛覆三元鋰電池。
更何況，目前三元鋰電池的玩家都還在研究升級三元鋰電池，隨著更多安全性更高、成本更低、能量密度更高的三元鋰電池變種的出現(xiàn)，三元鋰電池還將會繼續(xù)繁榮。所以說，現(xiàn)在給三元鋰電池判死刑還為時尚早。
