作為新能源汽車的核心動(dòng)力組成部分，電池的性能在很大程度上決定了車輛的綜合表現(xiàn)，其技術(shù)路線的爭(zhēng)論一直存在。
究竟哪種電池更適合當(dāng)前的純電動(dòng)車，似乎一直沒有一個(gè)定論。由于動(dòng)力電池的性能優(yōu)勢(shì)不同，根本上來說，爭(zhēng)議圍繞的也是續(xù)航問題與安全系數(shù)。
這樣的電池性能分化也導(dǎo)致用戶在選擇何種電池車型搖擺不定。在新能源汽車市場(chǎng)，電池安全與續(xù)航不能同時(shí)兼得，電池安全了就得犧牲部分續(xù)航，續(xù)航滿足了，就得犧牲部分安全，安全與續(xù)航不僅是消費(fèi)者購買電動(dòng)車考慮的重要因素，也是關(guān)乎產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線的核心要素。
目前主流的技術(shù)路線是三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池這兩種方案，這兩個(gè)派系都在各自的領(lǐng)域有著不可替代的優(yōu)勢(shì)，各具千秋，大家各有意見與分歧。三元鋰電池技術(shù)路線背后代表著電動(dòng)汽車的高續(xù)航里程，其在中高續(xù)航車型中普遍應(yīng)用，磷酸鐵鋰電池技術(shù)路線代表著安全與成本性能更優(yōu)，在中低續(xù)航車型中普遍應(yīng)用。以寧德時(shí)代為首追求更高的續(xù)航里程的派系選擇了三元鋰的方向，而比亞迪則以電池安全為主成為了磷酸鐵鋰的代言人。那么這兩種技術(shù)路線到底有什么區(qū)分和各自的優(yōu)勢(shì)呢?
三元鋰 vs 磷酸鐵鋰：性能大比拼
三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池這兩種電池的結(jié)構(gòu)類似，都是由正極材料、負(fù)極材料、隔膜和電解液四部分組成，兩者根本的區(qū)別從材料方面來看，主要是正極材料的不同，其中三元鋰電池正極材料為鎳、鈷、錳或鎳、鈷、鋁三種材料的聚合物，磷酸鐵鋰電池正極材料為磷酸鐵鋰。
三元鋰電池指的是正極材料以鎳、鈷、錳(NCM)三種元素，負(fù)極材料以石墨，電解質(zhì)以六氟磷酸鋰為主的鋰鹽鋰電池。目前主要應(yīng)用于電動(dòng)車行業(yè)，是動(dòng)力電池中的主流電池技術(shù)路線之一。磷酸鐵鋰電池是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池，負(fù)極是石墨，電解質(zhì)為六氟磷酸鋰。
談?wù)撘粋€(gè)電池好不好主要的衡量標(biāo)準(zhǔn)主要是從四個(gè)要素來看：能量密度、循環(huán)壽命、安全性以及成本。能量密度分為單體能量密度和系統(tǒng)能量密度，單體能量密度指單位體積或單位質(zhì)量所釋放的能量，該參數(shù)是電動(dòng)車?yán)m(xù)航能力的直接影響因素，我們討論整車的能量性能用的是系統(tǒng)能量密度。
循環(huán)壽命指的是經(jīng)歷一次充放電稱為一個(gè)周期或一次循環(huán)，電池在反復(fù)充放電后，容量會(huì)逐漸下降，在一定的放電條件下，電池容量降至 80% 時(shí)，電池所經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)就是循環(huán)壽命。安全性也就是談?wù)撾姵氐臒崾Э貑栴}，當(dāng)電池的熱失控到達(dá)一定的溫度之后，就會(huì)出現(xiàn)不可控的狀態(tài)，導(dǎo)致電池內(nèi)部的溫度直線上升，可能會(huì)出現(xiàn)燃燒或者爆炸的危險(xiǎn)。
總的來說，三元鋰電池的主要優(yōu)勢(shì)在于能量密度高，可以讓汽車有更長的續(xù)航里程，解決了電動(dòng)汽車的核心里程問題，但是廣為詬病的是其安全性，其熱失控溫度相較于磷酸鐵鋰電池來說較低，磷酸鐵鋰電池的熱失控溫度在 500℃左右，而三元鋰電池在 300℃左右，在熱失控溫度區(qū)間，電解液會(huì)迅速燃燒，產(chǎn)生自燃及爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。三元鋰電池汽車自燃事故和召回事件頻發(fā)，最近的一次新能源汽車大型召回事件也是因?yàn)殡姵匕踩木壒?。因?yàn)楝F(xiàn)代 Kona 汽車的一系列起火事件，在今年 2 月，現(xiàn)代汽車和 LG 化學(xué)斥資 9 億美元全球召回 8.2 萬輛車，更換其電池系統(tǒng)改善安全性能。
而在電池安全方面，磷酸鐵鋰電池具有優(yōu)勢(shì)，在內(nèi)部或外部受到傷害，電池也不燃燒、不爆炸，并且電池不含任何重金屬與稀有金屬，成本較低，無污染綠色環(huán)保。當(dāng)然磷酸鐵鋰電池也不是那么完美，主要的缺點(diǎn)能量密度較三元鋰電池來說偏低，而三元鋰電池可以通過調(diào)整正極材料鎳的比例繼續(xù)升級(jí)其能量密度。
除了能量密度以外，其抗低溫能力也較差，在氣溫低于﹣10℃的低溫條件下，磷酸鐵鋰電池衰減得非常快，經(jīng)過不到 100 次充放電循環(huán)，電池容量將下降到初始容量的 20%，極大地限制了北方低溫天氣的使用。而三元鋰電池的低溫性能優(yōu)異，即使在﹣30℃條件下，仍可保持正常電池容量，更適應(yīng)北方低溫地區(qū)的使用條件。
綜上所述，三元鋰電池因其能量密度高在中高續(xù)航車型中普遍應(yīng)用，磷酸鐵鋰電池因其壽命更長、成本更低，在中低續(xù)航車型中得到了廣泛應(yīng)用。目前大多數(shù)企業(yè)發(fā)力點(diǎn)還是集中在三元鋰電池上，國內(nèi)如寧德時(shí)代、中航鋰電、億緯鋰能等動(dòng)力電池企業(yè)均發(fā)力三元鋰電池產(chǎn)品，國外松下、韓國 LG 化學(xué)、三星 SDI 等動(dòng)力電池企業(yè)也多采用三元鋰電池的技術(shù)路線。
動(dòng)力電池格局新變，磷酸鐵鋰悄悄拔尖
縱觀動(dòng)力電池的發(fā)展路線，很有意思的是，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這兩種動(dòng)力電池技術(shù)路線呈現(xiàn)的是來回交替的變化路徑。從動(dòng)力電池的發(fā)展歷程來看，在三元鋰電池風(fēng)靡以前，消費(fèi)端對(duì)于電動(dòng)汽車的續(xù)航里程需求并沒有那么高，再加上其成本較三元鋰電池來說較低，磷酸鐵鋰其實(shí)一直是動(dòng)力電池主要采取的技術(shù)路線，不過后來因?yàn)槿囯姵啬芰棵芏刃阅芤约跋M(fèi)端對(duì)續(xù)航能力的看重，市場(chǎng)風(fēng)向轉(zhuǎn)為三元鋰電池。
三十年河?xùn)|，三十年河西，有幸的是我們又站在了技術(shù)與政策的轉(zhuǎn)折點(diǎn)上。新能源的補(bǔ)貼政策近年來逐漸退坡，國家對(duì)電池的補(bǔ)貼越來越少，動(dòng)力電池的價(jià)格也越來越直接影響電動(dòng)汽車的成本，在新能源汽車強(qiáng)調(diào)高質(zhì)量、低成本發(fā)展的背景下，磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池的發(fā)展格局又面臨新的變化。補(bǔ)貼不利的政策下，磷酸鐵鋰較三元鋰電池的成本優(yōu)勢(shì)顯現(xiàn)，技術(shù)革新后的磷酸鐵鋰電池打破其原有續(xù)航里程瓶頸，能夠滿足 400km-600km 續(xù)航能力要求，鑒于電池性能的大幅優(yōu)化與其本來的成本優(yōu)勢(shì)，車企也在逐漸將磷酸鐵鋰電池作為新的選擇，磷酸鐵鋰電池逐漸更受青睞。
據(jù)中國汽車動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟最新公布的數(shù)據(jù)，2021 年 5 月，我國磷酸鐵鋰電池月產(chǎn)量首次超過了三元鋰電池。截至 2020 年年底，我國三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池的產(chǎn)量占比還分別為 58.1% 和 41.4%。2021 年 1-5 月，我國磷酸鐵鋰電池累計(jì)產(chǎn)量占比已達(dá) 50.3%，超過三元鋰電池的 49.6%。
我們可以看到磷酸鐵鋰的產(chǎn)量在上半年就已經(jīng)超過了三元鋰電池的產(chǎn)量，雖然該數(shù)據(jù)是電池產(chǎn)量而不是市場(chǎng)占比或者是裝機(jī)量的數(shù)據(jù)，但是其增幅的趨勢(shì)也可以預(yù)測(cè)，2021 年磷酸鐵鋰的裝機(jī)量在大概率上將超過三元鋰電池。對(duì)于電動(dòng)汽車來說，選擇三元鋰電池的技術(shù)路線也是順其成本和技術(shù)優(yōu)勢(shì)的最優(yōu)解。
從產(chǎn)業(yè)布局層面看，寧德時(shí)代、比亞迪、國軒高科等頭部電池企業(yè)都在積極加碼磷酸鐵鋰電池產(chǎn)能建設(shè)，寧德時(shí)代和比亞迪推出的基于磷酸鐵鋰方案的 CTP 電池和刀片電池目前也獲得了市場(chǎng)認(rèn)可，各廠商正在積極擴(kuò)充部署旗下磷酸鐵鋰電池產(chǎn)能，獲取先發(fā)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
路線之爭(zhēng)終結(jié)無止期，創(chuàng)新蝶變?cè)诼飞?/p>
市場(chǎng)上動(dòng)力電池的技術(shù)路線從時(shí)間跨度的層面來說，一直是你方唱罷我登場(chǎng)的左右搖擺局面，目前是因?yàn)檎攮h(huán)境與技術(shù)革新發(fā)生了新的改變，磷酸鐵鋰電池打開了新的動(dòng)力電池格局，拔得頭籌。但是我們也知道任何排名里沒有永遠(yuǎn)的第一，除了三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池性能拔尖外，還有一些動(dòng)力電池的新技術(shù)與發(fā)展也有新的變化創(chuàng)新，值得關(guān)注。誰也無法確定未來的主流趨勢(shì)是什么，但是根據(jù)這些技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)，也可以窺測(cè)個(gè)大概的發(fā)展樣貌。
固態(tài)電池是一種新興技術(shù)，固態(tài)電池技術(shù)采用鋰、鈉制成的玻璃化合物為傳導(dǎo)物質(zhì)，使用固體取代以往鋰電池的電解液，除了可以避免電解質(zhì)泄露、更好地控制體積，實(shí)現(xiàn)更密集地存儲(chǔ)能量，還可以兼作電池的隔膜，減少火災(zāi)、爆炸的危險(xiǎn)。固態(tài)電池循環(huán)壽命長，目前研發(fā)的預(yù)期壽命是 15000-20000 次，遠(yuǎn)高于三元鋰電池 1200 次和磷酸鐵鋰電池的 2000 次。所有的性能參數(shù)目前都是在實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果，還沒有真正進(jìn)行量產(chǎn)商用，主要的原因就是其生產(chǎn)工藝復(fù)雜，成本較高。因?yàn)槠湫阅艿膬?yōu)勢(shì)，目前的各大廠商也都積極規(guī)劃固態(tài)電池研發(fā)的部署。
除了正在研究中的固態(tài)電池以外，一種介于液態(tài)和固體之間的電池-果凍電池也漸入視野，這是一種基于無鈷正極材料和電解液材料的材料打造的凝膠電池，由電池制造商蜂巢能源研發(fā)，這種凝膠型電解質(zhì)可以與電極材料的表面更好的貼合，具有自愈、阻燃等特點(diǎn)，能在不降低電性能的同時(shí)阻止熱擴(kuò)散。果凍電池可以說是液態(tài)電池向固態(tài)電池發(fā)展的一個(gè)過渡。
市面上動(dòng)力電池的新產(chǎn)品還有四元鋰電池，它是指正極采用鎳、鈷、錳、鋁四種金屬材料的電池，四元鋰電池是升級(jí)版本的三元鋰電池，鎳的含量增高，多加入的鋁元素，降低了其他高價(jià)值金屬元素的含量，實(shí)現(xiàn)了高能量密度、高穩(wěn)定性、低成本難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)的特性，目前是由韓國 LG 化學(xué)電池廠商進(jìn)行研發(fā)，據(jù)悉最快今年內(nèi)即可量產(chǎn)并裝車使用。對(duì)于動(dòng)力電池產(chǎn)品而言，其量產(chǎn)將會(huì)掀起一股技術(shù)路線升級(jí)的浪潮。
除了在材料方面進(jìn)行創(chuàng)新，結(jié)構(gòu)方面的創(chuàng)新也有新的看點(diǎn)，2020 年 3 月底，比亞迪正式推出了“刀片電池”。通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，省去模組，增大電芯長度，提高體積利用率，不僅滿足電池穩(wěn)定性和安全性能的需求，也有效提升續(xù)航里程。在采用磷酸鐵鋰電芯的前提下，刀片電池結(jié)構(gòu)將磷酸鐵鋰電池的容量(續(xù)航)水平拔高到了和三元鋰電池的同一水平線。未來，比亞迪宣稱旗下全系電動(dòng)車型將全面搭載刀片電池，目前正在積極擴(kuò)充產(chǎn)能。
總體而言，新技術(shù)主要圍繞材料和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，材料方面，圍繞去鈷、高鎳，添加硅等方式，電解質(zhì)朝著固態(tài)路線發(fā)展，結(jié)構(gòu)上朝著去模組化的 CTP 和 CTC 路線(即核心省去電池模組、打包過程，將電芯直接集成到汽車底盤上，實(shí)現(xiàn)更高程度集成化)發(fā)展。
無論是哪種技術(shù)發(fā)展方向，其目的都是強(qiáng)化電池性能與安全，我們知道實(shí)驗(yàn)室的產(chǎn)品與正式落地后產(chǎn)品性能還有較大的差距，這中間需要不斷平衡能量、壽命、成本、安全等相互矛盾的性能指標(biāo)。雖然現(xiàn)在的技術(shù)路線之爭(zhēng)是磷酸鐵鋰取得了優(yōu)勢(shì)，可見的未來里，磷酸鐵鋰電池在電動(dòng)汽車上會(huì)有更多的裝機(jī)量，但是我們也發(fā)現(xiàn)，動(dòng)力電池的技術(shù)一直在革新變化，新的產(chǎn)品如固體電池、果凍電池、納離子電池等也在亂花漸欲迷人眼，說不定哪天技術(shù)發(fā)展到突破了成本和里程現(xiàn)有的記錄，新的電池技術(shù)路線讓電動(dòng)車行業(yè)重新洗牌，對(duì)于用戶來說也帶來更安全和便捷的體驗(yàn)。
時(shí)間維度拉長去看，愈演愈烈的技術(shù)革新讓電池路線之爭(zhēng)終結(jié)似乎沒有盡頭，對(duì)于行業(yè)來說，動(dòng)力電池持續(xù)的進(jìn)化帶來的是更安全更高效的體驗(yàn)，這也會(huì)引領(lǐng)新能源汽車技術(shù)與產(chǎn)品的變革，為用戶提供更多選擇。(作者：燕良)
關(guān)鍵詞： 動(dòng)力電池 進(jìn)化 新能源 汽車 技術(shù)
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