電動汽車雖然誕生時間早于燃油車，但由于種種原因未實(shí)現(xiàn)真正的產(chǎn)業(yè)化，其中一個最重要的因素是動力電池技術(shù)的制約。經(jīng)過近十年的大力發(fā)展，電動汽車目前已經(jīng)到了產(chǎn)業(yè)化的前沿，動力電池的技術(shù)進(jìn)展也自然而然的引起更為廣泛的關(guān)注。
特別是最近一段時間，隨著國家新能源汽車補(bǔ)貼政策的大幅度退坡，各種不確定因素相互撞擊，動力電池技術(shù)路線花樣百出，更是引起了人們的關(guān)注和困惑。這里筆者根據(jù)自己多年從事新能源汽車鋰離子動力電池方面工作的經(jīng)驗(yàn)，談一些粗淺的看法。
文 / 徐興無 國軒高科工程研究總院常務(wù)副院長
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市場是評價技術(shù)路線的最高標(biāo)準(zhǔn)
談到技術(shù)路線，首先，我們必須明確判斷技術(shù)路線正確與否及優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。這個“標(biāo)準(zhǔn)”究竟是什么呢？毋庸置疑，是市場。也就是說，凡是能滿足市場需求而被市場選擇的技術(shù)路線就是正確的技術(shù)路線。反之就不是一個好的技術(shù)路線。尤其對那些吸引眼球的偽技術(shù)路線，不管表面多么光鮮，宣傳力度多大，輿論多么推崇，最終都會被市場無情唾棄。
簡單地說，市場對電動汽車的要求無外乎以下幾個方面：1、要有足夠的續(xù)行里程，以滿足出行的需要；2、電池要和整車等壽命，全壽命期間換一塊電池，消費(fèi)者是不買單的；3、安全始終是第一位的；4、真正產(chǎn)業(yè)化，即無補(bǔ)貼時消費(fèi)者也買得起、用得起；5、充電方便；6、其它如功率性能、高低溫性能等滿足客戶要求；7、要可持續(xù)發(fā)展。
關(guān)于市場對電動汽車的需求，其實(shí)我們普遍的了解都是片面的。比如說續(xù)行里程。一般認(rèn)為，電動汽車的續(xù)行里程只有達(dá)到充一次電可以行駛600公里以上時，才可以和燃油車進(jìn)行市場競爭。隨后一個簡單地邏輯，就是必須提高電池的能量密度。為此，世界各國都制訂了電池能量密度提升的技術(shù)路線圖。我國的能量密度提升目標(biāo)是：2020年達(dá)到300Wh/Kg， 2025年達(dá)到400Wh/Kg，2030年達(dá)到500Wh/Kg。同時，補(bǔ)貼政策也在向高能量密度的電池傾斜。在這樣一個導(dǎo)向下，整個產(chǎn)業(yè)都在盲目追求電池的能量密度，整車的續(xù)行里程。因此，三元電池似乎是最佳的選擇，但是真相確實(shí)如此嗎？
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三元電池是最佳選擇嗎？
三元材料是指含鎳、鈷、錳的鋰離子正極材料。根據(jù)鎳鈷錳（NCM）的比例又分為111, 523, 622, 811等材料。
一般來說，鎳含量越高的材料其克容量就越高。所以為了追求高能量密度，三元材料也在向鎳含量越來越高的材料如8系甚至9系的方向發(fā)展。但是，三元材料由于其熱失控溫度低、反應(yīng)釋放氧氣等原因，安全性較差。且鎳含量越高安全性就越差。這是理論和試驗(yàn)數(shù)據(jù)都充分證明了的。近年來裝載三元電池的電動汽車在實(shí)際應(yīng)用中頻頻發(fā)生安全事故也印證了這一點(diǎn)。這是我們在往高能量密度之路邁進(jìn)時遇到的第一個重大障礙。
第二個重大障礙就是成本。三元材料由于含資源較稀少的金屬元素，如鈷、鎳等，價格比較高。況且，根據(jù)美國地質(zhì)勘探局（USGS）的公布的數(shù)據(jù)，目前全球鈷礦資源儲量只有687.5萬噸，鎳資源儲量8100 萬噸：
表1 | 全球鈷礦資源儲量687.5萬噸（USGS）
表2 | 全球鎳礦資源儲量8100萬噸（USGS）
按照全球規(guī)劃的新能源汽車市場銷售數(shù)量和趨勢，假設(shè)全球電動汽車的年產(chǎn)銷量為1500萬輛，每輛純電動車平均電量35Kwh，使用三元NCM622正極材料，則每Kwh含鎳0.7Kg，含鈷0.235Kg，每輛電動車約需24.5Kg鎳，8.23Kg鈷。按此計算，每年約消耗鈷12.3萬噸，687.5÷12.3=55.9年，每年約消耗鎳36.7萬噸，假設(shè)鎳資源的40%用于電動車：（8100×40%）÷36.7=88年。也就是說，約50年左右鈷和鎳的資源將會消耗得所剩無幾。資源緊張又必然會造成價格的進(jìn)一步上漲。這和市場化對成本的要求相距甚遠(yuǎn)。
現(xiàn)在我們要問，三元電池的技術(shù)路線能全面滿足市場的要求嗎？
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磷酸鐵鋰電池的優(yōu)勢
還有一個選擇就是磷酸鐵鋰電池。這里可以做一個全面對比分析。
首先說安全性能。磷酸鐵鋰材料由于其鐵氧八面體加磷氧四面體的框架結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性非常強(qiáng)，即使在過充的情況下也不會有氧氣的釋放，如圖1所示：
圖1 | 磷酸鐵鋰材料的結(jié)構(gòu)示意圖。紅色三維圖為Fe-O八面體，綠色為P-O四面體，藍(lán)色小球?yàn)殇囯x子。即使在過充電情況下，LiFePO4變成FePO4，其結(jié)構(gòu)也是非常穩(wěn)定的，無氧氣放出。
這就決定了磷酸鐵鋰電池的本征安全性。換句話說，選擇磷酸鐵鋰電池是天生安全的。這個結(jié)論可以得到多方面的證實(shí)。一是安全性測試，特別是苛刻的針刺測試，磷酸鐵鋰電池是可以輕易通過的，而三元電池是極難通過的。盡管為了發(fā)展高能量密度電池，國家取消了針刺測試，但安全的風(fēng)險仍然在那里。在最近的比亞迪刀片電池發(fā)布會上，針刺試驗(yàn)就成了一個非常典型的安全試金石。二是在市場上的表現(xiàn)，以2019年多起安全事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)為例，三元電池占60%，不明原因占35%，磷酸鐵鋰電池只占5%。
第二是循環(huán)壽命。粗略地說，造成二次電池循環(huán)衰減的主要因素有兩個：一是材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，二是界面SEI膜生長。從圖1可以清楚地看到，磷酸鐵鋰材料的結(jié)構(gòu)是非常穩(wěn)定的。同時，在循環(huán)過程中磷酸鐵鋰材料的表面不會生長SEI膜（只有少量SPI膜），而三元材料表面是有SEI生長的。大家都知道的鈦酸鋰電池，由于其表面沒有任何膜的生長，其循環(huán)壽命可以達(dá)到數(shù)萬次。所以從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和SEI膜兩方面來衡量，磷酸鐵鋰電池的循環(huán)性能是大大優(yōu)于三元電池的。
第三是成本。一方面，由于鐵和磷資源的豐富性，磷酸鐵鋰正極材料的價格大大低于三元材料的價格，且有可預(yù)見的穩(wěn)定降低的趨勢。這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)樗於怂x擇技術(shù)路線能夠長期可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。另一方面，基于安全性的考慮，三元電池在其它材料的選擇上，以及在電池包的設(shè)計和制造上成本也較高。圖2給出了磷酸鐵鋰電池和三元電池的綜合成本及性能比較：
圖2 | 磷酸鐵鋰電池和三元電池綜合成本及性能比較。藍(lán)色方柱為磷酸鐵鋰，橘紅色方柱為三元材料，依次為：電芯BOM成本、正極材料、負(fù)極材料、隔膜、電解液、電芯A品率、電池包成本、安全性能、循環(huán)性能。
由圖2可以看出，在綜合成本方面磷酸鐵鋰電池有著明顯的優(yōu)勢。
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磷酸鐵鋰電池究竟能否滿足能量密度的要求
現(xiàn)在問題的關(guān)鍵是，磷酸鐵鋰電池能否滿足市場對電池能量密度的要求。單從磷酸鐵鋰正極材料的參數(shù)來看，其能量密度似乎是有問題的。因?yàn)長iFePO4材料的理論克容量才172mAh/g，在全電池發(fā)揮約140～146 mAh/g，電壓平臺3.2V，壓實(shí)密度2.2～2.4g/cc。而三元NCM622的全電池克容量約160mAh/g，電壓平臺3.65V，壓實(shí)密度3.4g/cc。況且，三元材料還可以向高鎳方向發(fā)展，克容量接近200mAh/g。相比之下，前者無論在重量能量密度還是體積能量密度方面都顯得比較低。這就是關(guān)于磷酸鐵鋰電池能量密度有“天花板”觀念的主要依據(jù)。
但實(shí)際的情況并非如此。
首先，磷酸鐵鋰材料本身仍還有一定的克容量提升空間。這里仔細(xì)研究其理論克容量172mAh/g的損失部分是很重要的，這樣才能把磷酸鐵鋰材料的克容量進(jìn)一步地提升。關(guān)于壓實(shí)密度，在深入研究其影響因素的基礎(chǔ)上，也可以進(jìn)一步地提高。
第二，可以借助于負(fù)極材料性能的提升來提高磷酸鐵鋰電池的能量密度。比如使用針狀焦為原料的人造石墨，就具有較高的克容量和壓實(shí)密度。
第三，隔膜對提升能量密度也是非常重要的。一方面，由于磷酸鐵鋰電池具有先天性的安全優(yōu)勢，在隔膜的選擇上可以使用較薄而具有高強(qiáng)度的隔膜。另一方面，通過技術(shù)的提升可以降低隔膜的高溫收縮率以改善電池極片界面，也可以提升電池的容量。
第四，通過電芯結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化（減重）也可以提升電芯的能量密度。（筆者所在的國軒高科目前已經(jīng)把磷酸鐵鋰電芯的能量密度提升到190Wh/Kg）。
第五，還是由于磷酸鐵鋰電池的先天安全性，在電池包的設(shè)計及制造方面可以通過簡化設(shè)計及減重來大幅度地提升能量密度。目前該款190Wh/Kg的電芯已成功應(yīng)用于多款純電動車上，其電池包的能量密度可達(dá)到140Wh/Kg（帶液冷），續(xù)行里程可達(dá)到400公里以上。
表3是磷酸鐵鋰電池包和三元電池包能量密度的比較：
表3 磷酸鐵鋰電池盒三元電池能量密度比較表
從表3可以看出，在電池包的層面上，磷酸鐵鋰電池可以達(dá)到三元622的能量密度。所以，所謂的磷酸鐵鋰電池有“天花板”而不能用于乘用車的論據(jù)就站不住腳了。
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有無進(jìn)一步提升空間
那么，磷酸鐵鋰電池能量密度還有進(jìn)一步的提升空間嗎？回答是肯定的。
目前國軒高科磷酸鐵鋰B樣電芯的能量密度已經(jīng)做到了200Wh/Kg，電池包的能量密度可達(dá)160Wh/Kg，這可以和三元811電池相媲美了。但三元811電池由于其安全性沒有得到很好的解決，使其目前在大規(guī)模應(yīng)用方面處于舉棋不定的狀態(tài)，日韓等電池企業(yè)宣布暫緩使用NCM811材料就充分說明了這一點(diǎn)。這也說明磷酸鐵鋰電池在能量密度上并不輸于三元電池。
關(guān)于磷酸鐵鋰電池進(jìn)一步的提升空間，主要途徑仍然為：（1）磷酸鐵鋰正極材料克容量和壓實(shí)密度的提升；2）負(fù)極可以使用硅負(fù)極以及預(yù)鋰化技術(shù)；3）隔膜優(yōu)化及界面改善技術(shù)；4）厚極片半固態(tài)技術(shù)；5）電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化；6）電池包設(shè)計優(yōu)化：包括CTP（寧德時代），刀片電池（比亞迪），高能量密度柔性“標(biāo)準(zhǔn)模組”技術(shù)（國軒高科）等等。通過這些技術(shù)進(jìn)步磷酸鐵鋰電池的能量密度還可以繼續(xù)提升。預(yù)計今后10年內(nèi)，磷酸鐵鋰單體電池的能量密度可以提升到260Wh/Kg以上，電池系統(tǒng)也可以達(dá)到200Wh/Kg以上。這樣一來，克服了能量密度短板的磷酸鐵鋰電池就有著非常明顯的優(yōu)勢。
電動汽車遲早會進(jìn)入無補(bǔ)貼時代，真正的產(chǎn)業(yè)化需要與之相適應(yīng)的電池產(chǎn)品：安全、長壽命、低成本是基本要求，而市場一定會按照自己的規(guī)律選擇合適的技術(shù)路線，……這樣看來，三元和鐵鋰電池的路線之爭，答案就已經(jīng)很清楚了。
編輯：楚晴
《特約來稿》欄目介紹：
2019年末至今，動力電池的話題一直很熱：
1、年初，一則“特斯拉正在與寧德時代磋商采用無鈷電池”的消息橫空出世。此消息隨即造成鈷材料市場大跌，同時引發(fā)了又一輪電池“無鈷”技術(shù)的討論。
2、3月4日，通用在“EV week”活動推出一款新的電池產(chǎn)品Ultium，其電芯將會采用LG化學(xué)最新研發(fā)的NCMA四元鋰電池。該電池的四元正極材料具備高能量密度、高穩(wěn)定性、低成本優(yōu)勢。鈷元素含量下降至5%，電池量產(chǎn)成本為100美元。
3、3月5日，江淮汽車提出“蜂窩電池”技術(shù)，并聲稱該技術(shù)與之前那些降成本的CTP電池包技術(shù)不同，首要解決安全問題。預(yù)計可將因電池失效導(dǎo)致的車輛起火概率降低一個數(shù)量級。
4、三星高等研究院與三星日本研究中心在《自然-能源》雜志上，發(fā)表《通過銀碳負(fù)極實(shí)現(xiàn)高能量密度長續(xù)航固態(tài)鋰電池》論文，介紹了三星對于困擾全固態(tài)電池量產(chǎn)的鋰枝晶與充放電效率問題的解決方案。該方案將幫助電池實(shí)現(xiàn)900Wh/L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（即充放電效率）。
5、3月29日下午，比亞迪正式推出全新的磷酸鐵鋰電池“刀片電池”。據(jù)介紹，該電池實(shí)現(xiàn)體積比能量密度提升50%，成本下降30%，整車壽命可達(dá)百萬公里以上。
2020年是我國新能源汽車市場化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期，動力電池作為新能源汽車成本最高的核心零部件，其每一次技術(shù)革新都將引起整車性能、性價比的巨大突破，引起資本市場、用戶市場的快速響應(yīng)?；诙喾N電池技術(shù)路線的創(chuàng)新研發(fā)，對于解決電動汽車市場化面臨的里程焦慮、充電焦慮、成本焦慮等問題，有至關(guān)重要的作用。
為促進(jìn)行業(yè)技術(shù)交流、推動電池技術(shù)創(chuàng)新提速，百人會特別策劃本期“特約來稿”，面向高校及行業(yè)專家定向約稿，并將各方意見整理陸續(xù)發(fā)表。
