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    無鈷電池占c位?

    作者:
    文 AO記者 黎沖森 譚晶寶
    2020/03/31
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      最近兩個月,新冠肺炎肆虐,汽車企業也積極投身到了這場聲勢浩大的全面戰“疫”中。但整個車市受疫情因素的影響非常大。2020年3月12日,中國汽車工業協會發布的數據顯示,1-2月份,新能源汽車產銷量為53840輛和59705輛,同比下降63.8%和59.5%。

      而作為新能源車的核心標配電池,自然也難以幸免。根據工信部汽車生產合格證數據,2020年1-2月份,我國動力電池裝車量為2.9GWh,同比下降59.6%,其中三元電池和磷酸鐵鋰電池分別為2.1GWh和0.8GWh,同比分別下降60.4%和54.1%。

      但是,令人意外的是,已沉寂多年的磷酸鐵鋰電池重回業界視野,開始“爆紅”起來,聲浪甚至超過老大三元鋰電池,由此還掀起了一場無鈷和有鈷之爭。

      磷酸鐵鋰電池屬無鈷電池,而三元鋰電池屬有鈷電池,兩者綜合性能存在差異,但目前后者強于前者。因此,有人發出疑問:磷酸鐵鋰電池是不是“減配”或者技術的倒退?但業內有一個基本共識,低鈷和無鈷化電池是未來動力電池的發展方向,而三元鋰電池需要在能量密度、成本和安全性之間尋求平衡。

      未來,以磷酸鐵鋰(LFP)為代表的無鈷電池能否占據動力電池市場C位?以三元鋰電池為代表的有鈷電池又將何去何從?《汽車觀察》記者采訪和研究后認為,盡管動力電池的技術路線越來越清晰,但還不能簡單地論斷最終孰贏孰輸。

    磷酸鐵鋰:死灰復燃?

      2020年,業內幾家頭部企業將磷酸鐵鋰電池重回聚光燈下。1月份,比亞迪宣布將推出基于磷酸鐵鋰技術的“刀片電池”。2月3日,寧德時代公告稱,與特斯拉達成合作。外界普遍推測,寧德時代應該是向特斯拉提供磷酸鐵鋰電池。2月19日,外媒報道,特斯拉同意從寧德時代采購磷酸鐵鋰電池,主要用于其在中國生產的Model 3車型上。

      2月21日,特斯拉上海超級工廠回復用戶時又說:“請留意4月特斯拉的電池發布會。無鈷,不代表一定是磷酸鐵鋰?!边@讓外界有點摸不著頭腦。

      不過,寧德時代公告同時強調,特斯拉沒有責任和義務必須購買公司產品,對產品采購量不作保證,將根據后續具體訂單提出采購需求。而特斯拉CEO馬斯克透露的信息是合作是小規模的。這更激起了外界強烈的好奇心。

      其實,兩年前的2018年,寧德時代也曾發過類似公告。當時外界盛傳寧德時代和特斯拉要合作。寧德時代默認雙方接洽過合作事項。雙方最終在電池技術標準、規格等方面沒有達成共識,所以雙方沒有簽署合作協議。這次應該有戲,因為特斯拉已經拉開了國產化序幕。

      而關鍵的問題是,在特斯拉、比亞迪、寧德時代三家業內頭部企業的加持下,磷酸鐵鋰電池又被拉回到公眾視線中,并將無鈷電池卷入輿情之中,進而引發輿論對動力電池技術路線的新思考。

      從邊緣化到重回賽道

      回首動力電池的發展軌跡會發現,磷酸鐵鋰電池其實是最早開始產業化的技術路線之一,但其發展歷程卻大起大落。2003年,它在美國興起,2004年就迅速傳導到中國,2008年前后其研究和產業化在全球出現高潮,2010年后在美國開始降溫,在2012年A123系統公司破產后,在中國也開始退潮。

      磷酸鐵鋰電池在中國的退潮與國家出臺的相關政策有很大關系,因為當時的補貼與能量密度掛鉤。而磷酸鐵鋰電池受能量密度、續航里程等因素的限制,在乘用車領域被三元鋰電池趕超,后逐漸被邊緣化。

      據高工產業研究院(GGII)的數據,2014年-2019年中國新能源乘用車電池裝機量,磷酸鐵鋰電池于2016年裝機量達到峰值4GWh,而后三年連續下滑,2019年裝機量為1.74GWh,占比低于5%,與三元鋰電池相差21倍多。

      不過,磷酸鐵鋰電池在新能源客車領域卻獲得了新的發展機會,因為2016年開始此領域禁用三元鋰電池。而2020年磷酸鐵鋰電池似乎重獲新生,與幾大因素有關:一是補貼退坡,原有政策開始逐漸為市場解套,回歸市場本質,這樣電動汽車的成本壓力更趨明顯,而其相對三元鋰電池的成本優勢得到凸顯;二是磷酸鐵鋰電池的技術迭代進步,從能量密度、電芯設計、材料選擇、生產設備、輕量化等都有了新的發展;三是乘用車企業對其態度發生轉變,從拋棄到擴大應用。

      應該說,磷酸鐵鋰電池已站在一個新的起點上,至于這一波最終能發展到什么程度尚無法下定論。

      雙線齊進策略

      顯然,無鈷的磷酸鐵鋰電池似乎又被業界看好,但這并不意味著含鈷的三元鋰電池就會立刻被市場拋棄。事實上,特斯拉、比亞迪、寧德時代等業內頭部企業都采取了雙線齊進的發展策略。

      特斯拉的做法似乎給外界傳遞出非常矛盾的信息。這次特斯拉與寧德時代合作,外界普遍的解讀是其未來將青睞無鈷電池,盡管其回應模棱兩可,但外界還是認為其最大選項可能是磷酸鐵鋰電池。

      這與特斯拉對無鈷電池的布局有關,且對鈷的使用量處于削減狀態。2009年特斯拉Roadster使用的是鈷酸鋰電池,2012年Model S上鈷的使用量為11千克/輛車,2018年Model 3上鈷的使用量銳減到4.5千克/輛車,2019年收購Maxwell和HibarSystems,推進無鈷電池的布局。特斯拉CEO馬斯克2018年就放話說:“特斯拉用的電池含鈷量為3%,下一代電池含鈷量要為零?!?/p>

      但特斯拉的另一只手卻伸向了有鈷電池。據外媒披露,2020年2月,特斯拉與全球最大鈷生產商嘉能可(Glencore)洽談合作,以為其上海工廠長期供應鈷。

      特斯拉這邊喊著不用鈷,且欲自主研發干電極技術+超級電容組合的無鈷新電池,那邊又與鈷商要進行長期合作,且目前其車型使用的主要是松下生產的三元鋰電池(NCA或NCM)。顯然,外界認為其僅有無鈷電池方案是誤讀。從其作為可以看出,特斯拉目前采取的是有鈷電池和無鈷電池雙線齊進的策略。

      而作為新能源車和動力電池生產商,比亞迪也采取了雙線策略,根據現實市場需求,既生產三元鋰電池,又開發磷酸鐵鋰電池技術。

      寧德時代作為全球最大的動力電池供應商,也是國內最大的三元鋰電池供應商,一直是三元方形電池領域的權威,而此次有可能給特斯拉供應磷酸鐵鋰電池。高工鋰電董事長張小飛認為,考慮到性價比和安全性,特斯拉極有可能將產品按磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池分為兩種車型或同一車型的兩種配置。事實上,寧德時代也一直在生產磷酸鐵鋰電池。顯然,寧德時代也是提供有鈷和無鈷方案供車企選擇。

      長期占據細分市場

      根據各自特性,未來磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池可能會偏重不同的細分市場。比如2020年1月,三元材料的搭載量為1.5GWh,其中乘用車占比99.1%,三元材料搭載量占總搭載量的65.1%。磷酸鐵鋰電池以搭載純電動客車為主,1月份總搭載量為645.7MWh,在月度裝機中占比27.9%。

      磷酸鐵鋰電池應用在中低端產品上,三元鋰電池應用到中高端產品上。張小飛認為,中高端電動車以使用三元鋰電池為主。高能量密度(300Wh/kg以上)的高鎳(包括無鈷三元材料)體系,依舊是主流趨勢。在乘用車領域,兩者將長期共存。

      同時,動力電池的市場集中度非常高。比如2020年2月裝機量市場占比中,寧德時代為43%,LG化學為34%,比亞迪為14%,億緯鋰能約2%,國軒高科約2%,排名前五的企業合計高達95%。

      與中國的電池企業不放棄磷酸鐵鋰電池技術不同,近幾年,日本、韓國的電池企業主要開發三元鋰電池,包括鎳鈷錳酸鋰三元材料。比如豐田和松下合資成立的PanasonicEV能源公司、三星和LG等。在日本、韓國,磷酸鐵鋰被認為是落后的技術,所以幾乎不生產。而美國的企業也開發磷酸鐵鋰電池。

      總之,無論中國還是日本、韓國或者歐美企業,都是各取所需,并由此逐漸形成不同的動力電池技術路線。

    兩條技術路線:磷酸鐵鋰VS三元鋰

      環視全球動力電池市場,尤其中國新能源汽車市場,無論是在乘用車還是在商用車領域的應用,總體而言,目前三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池已成為兩條主流的技術路線。

      因為磷酸鐵鋰電池不含鈷,而三元鋰電池含鈷,因此某種意義上說,它們也是無鈷和有鈷的兩條技術路線,各有千秋。

      兩者性能各有長短

      相對而言,磷酸鐵鋰電池具有成本較低、安全性高、循環壽命長、上游基礎材料供應穩定等優勢,當然也有其弱勢所在。三元鋰電池也是如此。

      在成本方面,目前動力電池成本占新能源汽車整車的30%-40%,在補貼退坡后,這給車企的壓力就更突出。因此,業內普遍認為,補貼取消后,新能源汽車必須大幅降低成本。

      磷酸鐵鋰電池更具價格優勢。據GGII的調研數據,截至2019年12月份,磷酸鐵鋰系統(電池包)不含稅價格為0.85-0.95元/Wh,三元電池系統不含稅價格為0.95-1.05元/Wh。據國君新能源數據,磷酸鐵鋰電池成本為0.65元/Wh,三元電池為0.85元/Wh。兩者價差0.2元左右/Wh,這意味著用在同為60KWh的乘用車上可節省1.2萬元。比亞迪董事長王傳福曾表示,刀片電池在體積能量密度上提升了50%,整車壽命可達百萬公里以上,隨著新一代磷酸鐵鋰電池量產,成本或降20%-30%。2020年1月份,歐陽明高院士透露,目前磷酸鐵鋰電池1度電成本可做到600元,而三元811系統1度電的成本在1000元到1200元。

      而三元鋰電池成本更高,主要因為正極材料的鈷。目前鈷的價格為約27萬元/噸,曾高達80萬元/噸。比如特斯拉Modle3基礎版采用寧德時代的磷酸鐵鋰方案,續航可達400km,成本可降3萬元。有業內人士認為,隨著技術進步,磷酸鐵鋰電池的價格優勢會更明顯,甚至其成本只有三元鋰電池的一半,而且不受鈷價格的影響。

      在安全性方面,與三元鋰電池相比,磷酸鐵鋰電池抗高溫性更好,電熱峰值達350℃-500℃,安全性更高,而三元鋰電池中的鈷酸鋰等只有200℃左右。比如比亞迪刀片電池的失控溫度就遠高于三元鋰電池,同時電池組具有更高的整體剛性,抗變形、耐擠壓和穿刺的能力也更強,電池組內部短路的幾率接近于零。因此,磷酸鐵鋰電池可以高頻使用,全生命周期穩定性強,且相對安全。

      相反,三元鋰電池具有不穩定性,安全性廣遭質疑。比如2019年以來,全球發生了數起新能源汽車自燃事故,這些事故車輛主要配備三元鋰電池。

      在使用壽命方面,磷酸鐵鋰電池的循環壽命可達2000次以上,理論壽命為7-8年,甚至寧德時代超長壽命的磷酸鐵鋰電池可達8-15年。而三元鋰電池的循環壽命僅為800次左右。

      在體積方面,在等能量的情況下,磷酸鐵鋰電池的體積相對較大,三元鋰電池體積較小,而體積大就更占空間,損失車內空間。

      在能量密度方面,磷酸鐵鋰電池的能量密度比三元鋰電池要低,有公開資料稱低20%左右,而三元鋰電池能量密度更高,續航里程也更長。這也是業內對磷酸鐵鋰電池的顧慮所在。

      比如國家出臺的補貼政策就與能量密度掛鉤,使用三元鋰電池比使用磷酸鐵鋰電池更占“便宜”。據2019年補貼政策,純電動乘用車動力電池系統的質量能量密度不低于125Wh/kg,其中125(含)-140Wh/kg的車型按0.8倍補貼,140(含)-160Wh/kg的車型按0.9倍補貼,160Wh/kg及以上的車型按1倍補貼。據《新能源汽車推廣應用推薦車型目錄(2020年第2批)》,從能量密度來看,超過160Wh/kg的車型有吉利、合創、上汽榮威、長城歐拉、北汽、比亞迪、江淮和奇瑞新能源等品牌的16款,能獲得1倍補貼。另有5款車型系統能量密度低于125Wh/kg,不能獲得補貼。還可以看到,比亞迪、江淮、寶駿、長安、大運等企業使用磷酸鐵鋰電池的車型也登上了推薦車型目錄。

      其實,隨著技術不斷創新,磷酸鐵鋰電池的能量密度也獲得較大提升,2015年單體為120-130Wh/kg,2017年達到150-160Wh/kg,2019年底提升到180Wh/kg。比如比亞迪刀片電池采用長電芯方案,體積能量密度提升達50%。據國軒高科的數據,目前其磷酸鐵鋰電池單體能量密度已突破190Wh/kg,系統能量密度突破140Wh/kg,而單體能量密度實驗階段已突破200Wh/kg。而三元鋰電池單體能量密度超過250Wh/kg,系統能量密度達到170Wh/kg,甚至180Wh/kg。顯然,磷酸鐵鋰電池與之相比依然存在不小差距。

      在快充方面,因為磷酸鐵鋰電池的低溫性能問題,所以業界對其快充性能有不同的看法。業內認為,從材料角度而言磷酸鐵鋰電池不適合做快充,因為其導電性不好,快充時容易發熱。據公開資料,磷酸鐵鋰材料的本征電導率僅為三元材料的百分之一。因此,要滿足市場需求,磷酸鐵鋰電池在此方面還需要做相應的技術創新。

      從中可以看出,磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池各有優劣,現實中該如何選擇這兩條技術路線,需要綜合權衡,盡可能取得相關要素之間的平衡。

      無鈷電池≠磷酸鐵鋰電池

      盡管磷酸鐵鋰電池不含鈷,屬無鈷電池,但反過來說,無鈷電池并不等同于磷酸鐵鋰電池。目前,無鈷電池是整個鋰電行業的一大課題,要更具市場競爭力,還需要攻堅。只有找到更合適的材料替代鈷元素,才能更好地與三元鋰電池進行競爭。

      那無鈷電池又有哪些技術路線?

      目前,鋰離子電池正極材料主要有錳酸鋰(LMO)、磷酸鐵鋰(LFP)、鎳鈷錳酸鋰(NCM)、鎳鈷鋁酸鋰(NCA)四類,其中鎳鈷錳酸鋰三元體系和磷酸鐵鋰電池的市場裝機量最多。

      若從有無鈷角度看,錳酸鋰、磷酸鐵鋰沒有鈷,可以歸為無鈷電池。另一種無鈷電池是用鎳錳材料做電池正極,也即鎳鈷錳三元體系除掉鈷元素。目前無鈷化主要有兩個方向:一是采用尖晶石鎳錳材料,解決電解液問題;二是采用層狀結構鎳錳材料,解決循環和DCR(直流內阻)問題,業內已取得一定的進展,將開始批量試用。

      另有研究表明,富鋰錳基材料鈷含量只有9%左右,鋰硫電池、鋰空氣電池也不含鈷,其中鋰硫電池是以硫元素作為電池正極,鋰空氣電池是以空氣中的氧氣作為正極反應物。

      毫無疑問,無鈷或少鈷是動力電池的研發方向。比如蜂巢能源2019年7月就發布了無鈷材料電芯產品,預計2020年第三季度實現無鈷電芯的商品化量產,其中材料成本將降低5%-15%,相應的電芯BOM成本可降低約5%。

      另外,磷酸鐵鋰電池的市場集中化趨勢也非常明顯。目前國內磷酸鐵鋰電池已形成寧德時代、國軒高科、比亞迪、億緯鋰能為主導的市場格局。根據2019年出貨量,寧德時代、國軒高科、比亞迪和億緯鋰能的磷酸鐵鋰電池出貨量分別為11.5GWh、2.96GWh、2.6GWh、1.72 GWh,市場占比分別為57%、15%、13%、9%,四家公司市場占比合計達94%。

      三元鋰電池主流地位未變

      盡管磷酸鐵鋰電池經過技術創新手段獲得了相應的發展,但就整個動力電池市場格局而言,三元鋰電池依然占據主流市場地位。

      2019年,我國動力電池產銷量約為85.4GWh和75.6GWh。其中,三元鋰電池產量約為55.1GWh,占總產量的64.6%,同比增長40.8%;銷量約為53.0GWh,占總銷量的70.0%。而磷酸鐵鋰電池產量約為27.7GWh,占總產量的32.4%,同比下降1.2%;銷量約為20.6GWh,占總銷量的27.2%。

      2019年,我國動力電池裝車量約為62.2GWh,同比增長9.2%。其中,三元鋰電池裝車量約為40.5GWh,占總裝車量的65.2%,同比增長22.5%;磷酸鐵鋰電池裝車量約為20.2GWh,占總裝車量的32.5%,同比下降9.0%。

      總之,一些業內人士很看好磷酸鐵鋰電池的發展前景,甚至認為實際使用中磷酸鐵鋰電池比三元鋰電池更具合理性。不過,三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池作為目前動力電池市場的兩條主流技術路線,在不同的細分市場的確各有優勢,而且在創新中會有動態演進,但在可預見的未來不存在誰完全取代誰的問題。

    有沒有第三條技術路線

      盡管目前上述兩條技術路線已橫在眼前,但事物總是不斷演化的,為此不禁要問:未來是不是還有第三條主流技術路線?

      答案是,需要汽車產業鏈上的企業共同去實踐探索。從目前情況來看,以下幾個方面的技術探索值得探討。

      燃料電池

      2020年3月12日,中國汽車工業協會發布的數據顯示,1-2月份,燃料電池汽車產銷量為145輛和171輛,同比下降24.5%和8.6%,在新能源汽車產銷量中的占比均不到0.3%。2019年,燃料電池汽車產銷量為2833輛和2737輛,同比增長85.5%和79.2%,但在新能源汽車產銷量中的占比均為0.2%多。也就是說,從市場角度而言,燃料電池在可預見的未來尚難以成為主流技術路線。

      不過,在燃料電池中,外界更看好氫燃料電池,其中電-氫混合技術有望成為氫燃料電池汽車的主要技術路線。因為氫燃料電池能量密度較高,長續航優勢明顯,可運用于大載荷場景,比如大型遠洋船舶、重型長途車輛等,而動力電池難以勝任這些應用場景。但從總體來看,氫燃料電池在電池市場可能主要起補充作用。

      固態電池

      蜂巢能源首席技術官饒忠儒接受《汽車觀察》采訪時透露,其公司在研發固態電池,干法電極原型機將于2020年下半年完成。

      而2020年3月9日,三星公開展示了一款高性能、長壽命的全固態電池,并號稱其能讓電動汽車續航里程達到800公里,且循環壽命超1000次。這款固態電池由三星高級技術研究所和三星日本研發中心研發。

      據了解,與鋰離子電池相比,固態電池擁有更大的能量密度,且采用更安全的固態電解質。但全固態電池的鋰金屬陽很容易引發枝晶生長,而枝晶會縮短電池壽命,引發安全問題。至于其市場前景如何,暫無法推斷。

      特斯拉也曾發布過超級電容+干電池技術。其干電池電極技術與傳統鋰電池的制備工藝不同,可降低成本,提升電池容量。業內推測,特斯拉準備推出的無鈷電池有可能就是采用干電池電極技術的電池,或者利用干電池電極超級電容作為鋰電池的補充。

      四元電池

      2019年,蜂巢能源對外發布了其四元材料電池信息。據饒忠儒介紹,蜂巢能源開發出了NCMA四元正極材料,并發布了首款四元材料電芯。其四元材料是在NCM體系的基礎上摻雜Mx,使其循環性能優于NCM811材料,具備更好的耐熱性、產氣少、安全性更高等特點,以使動力電池達到容量更高、壽命更長、安全性更好?!癕x摻雜會使一次顆粒之間的邊界強度增強,因此會減少在有害相變過程中微隙的形成。這就是四元電池的關鍵性突破?!?/p>

      NCMA 四元材料是在高鎳三元的基礎上增加鋁元素,并改變石墨負極的常規做法,增加硅碳層,使負極嵌入和脫出離子的能力以及在高倍率充放電時枝晶產生的概率大大降低。也即在電池材料中降低或祛除鈷元素,以第四種金屬元素替代或部分取代原本的鈷元素,以提升正極材料的安全性和循環壽命。饒忠儒說,通過摻雜技術改進無鈷化后材料在充放電的可逆性和結構穩定性上得到長足進步。同時,四元材料剔除了鈷元素,使得電池成本較現有價格再下降5%-15%。

      至于四元電池未來市場究竟會如何,還有待市場檢驗。

      無模組電池包

      因為寧德時代推出了CTP(Cell To Pack)電池包和比亞迪推出的刀片電池而讓無模組電池包走入公眾視野。

      無模組電池包就是將電芯直接集成為電池子模塊,而這些子模塊可進行串并聯,由此生產出各種尺寸的電池。其好處是,能提升電池體積利用率,降低電池包成本。

      根據寧德時代的數據,其CTP電池包體積利用率提高了15%-20%,電池包零部件數量減少40%,生產效率提升了50%,電池包能量密度提升了10%-15%,可達到200Wh/kg以上。不過,CTP技術側重于電池系統創新,是在模組結構基礎上做簡化,對電池包結構優化,在縱向或者橫向的排列方式上通過層次分割達到降低成本的目的。但采用CTP技術,電池包后續的維修會比較困難。

      而比亞迪的刀片電池,和傳統的磷酸鐵鋰電池相比,其體積比能量密度提升了50%,成本有望降低30%,且具有高安全、長壽命等特點,整車壽命可達百萬公里以上。業內人士認為,刀片電池也屬無模組電池包,偏向于改進電芯制造工藝。它是把電芯寬度無限拉長,厚度做薄,做成900mm甚至快1m的超長電芯。由于電池更薄,所以散熱效果也更好。

      無模組電池包作為一個新的發展方向,主要通過系統集成和工藝改進方式來提升能量密度和降低成本,目前它在乘用車上的應用還不多。

      此外,若按產品形狀劃分,還有方形、軟包等形式。比如寧德時代的產品以方形電池為主,同時供應部分軟包電池;比亞迪、三星SDI均以方形電池為主;松下以圓柱型電池為主,后來也做方形電池;韓國LG則以軟包電池為主。其中,方形和軟包是目前電池的主流封裝方式,圓柱電池較為小眾。

      凡此種種技術最后能不能成為動力電池新的主流技術路線,尚無法判斷,但至少眼下的一個階段內還難以實現這個目標。不過,中國市場已經成為動力電池競爭的主戰場,電池的技術創新將成為其重要標志。

    蜂巢能源:讓技術跑在產品前面

      作為動力電池行業的后起之秀,蜂巢能源的發展速度引發了行業的關注。雖然起步不算早,但起點卻很高,背靠長城汽車的行業資源,蜂巢能源從成立之初就放眼全球,在國內和海外同步開展業務。為了進一步了解這家動力電池新勢力的技術發展情況,《汽車觀察》對蜂巢能源首席技術官饒忠儒先生進行了專訪,并就近期遭到熱議的電池新技術進行了探討。

      聚焦方形疊片工藝

      蜂巢能源雖然是一家2018年成立的年輕公司,但其前身長城汽車動力電池事業部卻早在2012年便開始了電芯的研發工作。在技術路線選擇上,蜂巢能源聚焦方形疊片工藝,首款量產產品就采用目前領先的NCM811三元材料體系。

      在蜂巢能源看來,方形硬殼電池在空間效率和安全性上比圓柱和軟包電池更有優勢,將成為電動汽車規?;l展的主流需求產品。與傳統卷繞工藝電池相比,疊片電池的邊角處有更好的結構適應性,可提高5%的能量密度,此外還更不易變形和膨脹,循環壽命可提升10%-20%,在制作大尺寸、大容量動力電池方面,疊片工藝是最好的選擇。

      對于近期關注度極高的CTP(Cell To Pack)和“刀片電池”技術,蜂巢能源也早有布局?!皩τ诘镀姵氐难芯?,蜂巢能源在一年半以前就已經開始,我們目前的二期工廠就是刀片電池的產線?!别堉胰褰榻B,對于方形電池和軟包電池而言,把電芯做薄、做長是大趨勢,這么做不僅可以提升能量密度,還能增加散熱面積,蜂巢能源所規劃的刀片電池產線選擇的是目前技術最成熟的600mm長度的電芯。

      饒忠儒也坦言,盡管薄長型的電芯是大趨勢,但根據調研結果來看,由于受到設備精度的限制,目前要把電芯做到超過1000mm還存在一些難題需要突破。盡管可以通過將數個電芯內串聯或內并聯到一起來進一步提升電芯長度,但這將讓焊點暴露在電解液當中,對電池的可靠性和壽命將會產生較大影響。只將最成熟的技術應用到量產產品中,從中我們也看出了蜂巢能源保持的理性和克制。

      隨著“刀片電池”技術的應用,磷酸鐵鋰電池的市場份額將會得到提升。一方面隨著補貼政策退坡,磷酸鐵鋰電池的成本優勢將會凸顯;另一方面,將這項新技術應用到磷酸鐵鋰電池上,可以使A級車的續航提升到500km,達到和燃油車相當的水平,從用戶的使用需求上來說,三元鋰電池將不再是其唯一的選擇。

      “根據我們的預測,新技術將對A級車有相當大的促進。由于對續航的要求,前幾年磷酸鐵鋰電池基本是用在A00級和A0級車型上,現在可以將其擴展到A級車的平價版上?!别堉胰逭f。從特斯拉在國內的布局也可以看出,其高端車型目前會選擇三元鋰電池,而平價版車型則會選擇磷酸鐵鋰電池。蜂巢能源也會推出相應的磷酸鐵鋰電池產品,“高能量密度的三元鋰電池一直是我們的主要方向,但是我們也不可能放棄平價車的市場?!别堉胰灞硎?。

      市場為基,技術先行

      對于“刀片電池”技術,不僅僅只是把電芯變得薄長這么簡單,相應的工藝、電池的組裝方式等都必須要改變,對電池殼體的平整度、一致性的挑戰也非常大,整個工藝設備都需要根據新的設計做大幅的調整。由此可見,在動力電池技術更新迭代如此迅速的時期,若沒有精準的布局和長遠的規劃,對企業來說可能是致命的打擊?!叭羰窃谝延械漠a線上改造升級難度將會特別大,原來生產VDA型號電池的產線基本就不能用了,對于蜂巢能源這樣的年輕公司而言,反而沒有這個包袱。而且我們從一年半以前就開始布局,產線的規劃和設備的研發上都做了充足的準備?!别堉胰逭f。

      既要跟上當前主流技術發展的步伐,又得瞄準未來前進的航向,對此,蜂巢能源也有屬于自己的一套方法論。饒忠儒介紹:“我們會根據市場的趨勢先行做預研布局,同時會緊跟國際的先進技術,不僅在電池的物理結構設計上保持領先,同時也會不斷探索高安全性、高能量密度的材料體系?!?/p>

      在技術路線的選擇上,蜂巢能源借助長城汽車的力量,可以與國內和國際整車企業建立良好的溝通渠道。尤其針對國外一線整車企業,提前車型量產時間三年就切入其體系,與整車企業一起做研發,融洽的合作關系也幫助蜂巢能源得以更容易獲得整車企業的真實需求。更早的介入整車開發和更精準的客戶需求成為了蜂巢能源的獨特優勢,也讓其技術研發工作更加有的放矢。

      蜂巢能源這套方法的成效也已經逐漸得到了體現。2019年7月,蜂巢能源無鈷材料、四元材料電池首發。在現有三元體系的鋰離子動力電池中,正極材料的成本占比達到30%~45%。正極中所含的鈷為戰略性資源,價格貴且波動劇烈,對電芯的成本影響極大,因此低鈷和無鈷化電池是下一代動力電池的研發方向。蜂巢能源基于對于材料體系的前瞻性研發率先在國內發布無鈷電芯產品可謂意義重大。

      此外,隨著鎳的含量不斷提升,三元體系鋰電池能量密度和安全性之間的平衡成為了無法回避的問題。對此,蜂巢能源率先開發出NCMA四元正極材料,并發布了四元材料電芯。四元材料在NCM體系的基礎上摻雜Mx,使其循環性能優于NCM811材料,同時能實現耐熱更好、產氣少、安全性更高的特點。

      蜂巢能源負責前沿技術研發的實驗室當前還在同步開展固態電池的相關研發工作,干法電極的原型機將于今年下半年完成。饒忠儒認為,當固態電池導電性差的問題突破以后,其突出的安全性能將讓其成為下一代電動車的最佳選擇,相關技術預計將在五年之后開始得到應用。

      蜂巢能源立足當下做產品應用,面向未來做技術開發,讓技術跑在產品前面,使其得以更加從容的面對動力電池瞬息萬變的技術格局。正如饒忠儒最后總結:“在動力電池產業集中度越來越高的現狀下,蜂巢能源作為一家年輕公司,必然會受到夾擊。但憑借我們深厚的技術積累,雖說不能保證彎道超車,但也至少可以做到異軍突起?!?/p>

    全球市場:中日韓走在歐美前面

      蜂巢能源作為中國動力電池市場的新秀,發展前景值得期待。而寧德時代和比亞迪既是中國又是全球動力電池領域的頭部企業。以它們為代表的中國動力電池企業和日本、韓國的同行目前已經占據全球市場的主導地位,而總體上歐美的同行尚處于追趕態勢。

      日本

      提起鋰電池就不得不首先想到日本,而日本鋰電池技術的當今地位卻與一位美國科學家息息相關。

      1970年代后期,一種使用金屬鋰作為電極的電池憑借其儲能優勢受到市場青睞,掌握該項技術的加拿大公司Moli Energy也開啟了霸占全球電池市場的騰飛之路。但這種電池問世不到半年,就因起火爆炸的問題,而被全球召回。Moli Energy最后也難逃被被日本NEC公司收購的命運。

      1980年,一位原本專攻固體物理、僅上過兩門化學課程美國人發現鈷酸鋰(LiCoO2)可以作為電池正極材料。但由于Moli Energy的教訓太過慘烈,美國沒有一家企業敢接這項發明。美國不敢接的燙手山芋,正處于經濟騰飛期的日本敢接,風頭正盛的索尼接過這項技術并將其與自己掌握的石墨負極技術結合,并在1991年發布了世界上首款商用鋰離子電池,并一躍成為行業老大。而這位美國人正是2019年剛剛獲得諾貝爾化學獎的“鋰離子電池之父”John B.Goodenough。

      鈷酸鋰-石墨體系架構奠定了日本鋰電池的技術的基礎,由于眾所周知的原因,鈷作為戰略資源成本一直高居不下,此后日本先后將技術轉向錳酸鋰、鎳酸鋰、鎳鈷酸鋰,直到最后在鎳鈷酸鋰的基礎上摻入鋁,形成了當前的主流技術之一—NCA(鎳鈷鋁)三元材料體系。

      2008年,松下收購三洋,持續在電池領域發力,并一舉成為全球新的霸主。隨著特斯拉的蒸蒸日上,松下憑借與特斯拉的緊密合作也成為動力電池的巨頭,市場份額僅次于寧德時代。而昔日霸主索尼則在2016年底出售了旗下的電池業務。松下憑借消費鋰電業務所積攢的扎實基礎,將圓柱型封裝工藝的高成熟度、高一致性的先天優勢發揮到了極致?;仡櫵上屡c特斯拉的合作歷程,從特斯拉的首款電動車Roadster到最新的Model3,采用的均是圓柱形封裝形式。松下電芯技術的提升集中體現于正極材料和圓柱尺寸的改良,正極材料從最初的的鈷酸鋰轉向現在NCA三元材料,尺寸上從18650型號開始轉向21700型號,所有的改變不為別的,就是現在行業共同追求的目標:能量密度和成本。松下應用于Model3上的21700型號電池能量密度能達到340Wh/kg,成為當前市面上能量密度最高的電池。

      AESC是日本另外一家很早就布局動力電池的企業。2007年,日產和NEC合資建成AESC,從日產的背景就能看出其瞄準的是新能源汽車市場。同年上市的日產Leaf便采用AESC研發的動力電池,日產Leaf的熱銷也讓AESC迅速擴大了市場份額。AESC動力電池采用軟包設計,正極采用錳酸鋰材料,雖然價格便宜,但能量密度過低,當市場主流向高鎳三元材料傾斜之后,AESC也因為其技術路線的錯誤選擇,最終于2019年被中國遠景集團收購。

      日本的汽車巨頭豐田也一直是動力電池的重要玩家,1996年與松下共同組建合資公司PEVE(Primearth EV Energy),生產鎳氫電池及鋰電池等環保車用電池。憑借鎳氫電池技術,1997年豐田推出全球第一款大規模生產的混合動力汽車普銳斯。豐田隨后增加了對PEVE的掌控權,持股比例增至80.5%。2019年,據《日經新聞》報道,PEVE將在中國建立第四家混合動力汽車電池工廠,以滿足日益增長的混動車需求。豐田還在為純電動車型研究固態電池技術,并計劃將其應用到下一代汽車產品中。

      韓國

      與日本一樣,韓國是消費電子大國,得益于此,其電池產業也具有很高的國際地位,LG化學、三星SDI、SKI等眾多知名企業都來自韓國。在技術路線上,與中國類似,韓國最初引進美系技術,其主流技術也以MCM三元材料體系為主,但NCA材料也有很好的應用。

      根據韓國專業調研機構SNE Research的數據,2019年,LG化學、三星SDI、SKI的出貨量分別為12.3GWh、4.2GWh、1.9GWh,全球排名分別為第三、第五和第十,三家公司的市場份額均在2018年的基礎上有所提升。

      韓國電池企業中排名第一的LG化學是公認的全球軟包龍頭企業,正極以NCM三元材料為主。LG化學擁有非常好的客戶基礎,與全球眾多汽車品牌均有合作,除了韓國本土的現代汽車,雷諾、通用、奧迪、捷豹等均是其客戶。三星SDI與LG化學的選擇不同,封裝形式以方形為主,同時也在積極跟進21700圓柱形電池的生產。三星SDI正極材料的技術路線上采取雙線布局,同時采用NCM和NCA三元材料,也是除松下之外最主要的NCA動力電池生產廠家,寶馬i3、大眾Golf等明星車型采用的均為三星SDI的方形三元電池。SKI起步較晚,是三家企業中體量最小的一家,主打軟包電池,正極以NCM三元材料為主,其客戶涵蓋了起亞、戴姆勒、北汽等多家國內外知名車企。2019年,SKI宣布的下一代動力電池“NCM9/0.5/0.5”,最早將從2021年開始實現商用化。

      韓國政府對新能源汽車的支持力度不斷增加,韓國國內的電池企業也正在大范圍擴張,LG化學、三星SDI和SKI三家企業的總產能目前已經擴充至100GWh以上,超過了日本,僅次于中國。2016年,LG化學全球產能僅為8.6GWh,2019年就達到了70GWh,進入2020年之后絲毫沒有停下腳步,LG化學宣布將產能提升至90GWh。動力電池的“韓流”正向全球蔓延。

      美國

      鈷酸鋰讓日本鋰離子電池迅速崛起,也讓John B.Goodenough一躍成為炙手可熱的化學家。1986年,他回到了祖國,進入得克薩斯州大學奧斯丁分校,繼續著他的研究。直到1997年,75歲的Goodenough再次震驚世界,這一次他的發現正是一直沿用至今的磷酸鐵鋰(LiFePO4)。磷酸鐵鋰憑借其穩定性和成本優勢迅速吸引了行業的注意,美國的A123 System公司靠著生產磷酸鐵鋰電池,一度成為全球鋰離子電池產業的霸主。

      由于受到美國處于石油產業鏈的頂端,政府并沒有急迫的想要推進電動車的發展,盡管對新能源汽車給予補貼,但遠沒有中國這般熱情。除了上述提到的A123 System,再沒有其他讓人記憶深刻的企業。而A123 System也由于經營問題申請破產保護,最終被中國公司萬向集團收購。

      不過這并不代表美國的動力電池技術就很弱,美國在動力電池技術上有著很深的技術儲備,只是沒有將其大規模產業化。蜂巢能源CTO饒忠儒先生的介紹:“在日本電池技術走向NCA的同時,美國選擇了另外一種體系,也是現在另一種主流技術路線MCM(鎳鈷錳)材料體系。由于日本對鋰電池技術的保護,中韓最終選擇了引進美國技術,這也是中國電池技術路線以NCM為主的重要原因?!彼灾袊袌瞿壳爸髁鞯牧姿徼F鋰和NCM三元材料體系,最初的技術來源實際都是美國。

      隨著特斯拉的崛起,特斯拉與松下的合作讓美國動力電池產業又有了新的活力。2019年5月,特斯拉正式宣布收購超級電容與電池公司Maxwell。據Maxwell 介紹,其干電極技術能將電芯的能量密度提升至 300 Wh/kg 以上,未來有可能進一步增加至500 Wh/kg。而近期特斯拉的下一代無鈷電池在網上遭到瘋傳,并牽動無數人的神經,更有流言稱其下一代電池就是“干電極+超級電容”的組合。對此,饒忠儒表示:“干法電極和超級電容其實不是什么新概念,技術早就存在。特斯拉真正瞄準的其實是2025年以后的固態電池,因為干法電極正是研究固態電池必須掌握的關鍵技術?!贝饲榜R斯克一直對外界表示:“固態電池并不是動力電池的未來,而氫燃料更是蠢得令人難以置信?!爆F在看來,這更像是其對外放的一發煙霧彈。

      Goodenough同樣認為固態電池將會是更好的選擇。磷酸鐵鋰材料推出之后,雖然安全性能相比早期的金屬鋰電池上升了一個臺階,但并不代表安全隱患就消失了,安全問題一直盤旋在動力電池領域的心頭。對于這位“足夠好”先生而言,這樣的電池技術顯然還“不夠好”。于是,年過90的Goodenough再次投身到了新的研究領域—全固態電池。目前,Goodenough的研究已經初見端倪,相關的成果已經被多個權威刊物報道。雖然美國電池技術沒有產業化,但在相關的基礎研究方面,美國依然掌握了強有力的話語權。

      歐洲

      歐洲是汽車產業重地,或許因為無法割舍其在傳統汽車領域的地位,其新能源汽車的發展節奏遠不如亞洲這般迅速。近日,歐盟“電池2030+”(BATTERY 2030+)計劃工作組發布了電池研發路線圖第二版草案,提出未來10年歐盟電池技術的研發重點,旨在開發智能、安全、可持續且具有成本競爭力的超高性能電池,使歐洲電池技術在交通動力儲能、固定式儲能領域以及機器人、航空航天、醫療設備、物聯網等未來新興領域保持長期領先地位。隨著歐盟下定決心,歐洲電池產業將迎來高速發展。

      戴姆勒、寶馬、大眾、PSA等歐洲車企在動力電池領域的合作伙伴基本都來自亞洲。歐洲雖然憑借其在汽車工業的地位,吸引了包括寧德時代、蜂巢能源、孚能科技、LG化學、三星SDI等眾多亞洲電池企業的投資,但其本土企業還處于初級發展階段。為盡快彌補短板,歐盟批準了由德國、法國、意大利、芬蘭等7國共同申報的電池領域“歐洲共同利益重要計劃(IPCEI)”,在未來數年內投資32億歐元(約250億元)在原材料、電池單元和模塊、電池系統以及循環利用四個關鍵的研發領域。

      Northvolt、大眾、戴姆勒、巴斯夫等公司均對政府的號召做出了積極響應。Northvolt作為歐洲電池領域的“國家隊”,可以說肩負著重大使命。目前Northvolt聚焦于開發高能量方形電池用于汽車和儲能系統,正極采用NCM三元材料,其圓柱形電池則主要用于工業設備和消費電子產品。Northvolt正在瑞典建設一個歐洲版的Gigafactory,預計到2023年將擁有32GWh的容量。Northvolt在合作伙伴上也尤其得天獨厚的優勢,大眾、雪鐵龍、標致、寶馬等一眾歐洲巨頭都將為他的整車企業客戶。此外,Northvolt還在2019年獲得了大眾的9億歐元投資,雙方將成立合資公司,建設16GWh電池工廠。

      法國車企PSA也不甘寂寞,據外媒報道,PSA集團將與法國電池制造商Saft公司聯合建立兩個總產能達64GWh/年的電池工廠。Saft是是一家高科技工業電池的設計開發及制造商,主營鎳電池和鋰電池的設計和制造業務,其鋰離子電池被應用于衛星等軍事領域。PSA與Salt將投資共50億歐元建立一家名為Automotive Cell Company(ACC)的合資企業。據業內人士分析,PSA與Saft的聯手是歐洲推動動力電池市場反擊的重要落子。

      歐洲動力電池產業盡管目前處于落后,但歐洲的發展決心早已表露無遺。憑借深厚的工業基礎和政府的大力支持,歐洲也定不會讓自己在動力電池這片肥沃的市場缺席。

      世界主要國家對新能源汽車的發展繪制了宏偉藍圖,并制定了行動路線圖。我們相信,動力電池產業也將隨之而獲得持續發展,無論是無鈷或少鈷電池還是有鈷電池將出現更多、更好的創新技術,進而反哺于新能源汽車的發展。

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