隨著市場對新能源汽車行業的驅動力不斷增強,整車需求開始出現分化,其對現在及未來動力電池行業的發展都在施加影響。也正因如此,動力電池企業持續對技術路線進行多元化探索。

18650鋰電池

18650鋰電池  攝影/電池百人會  于清教

近日,中國汽車工業協會發布統計數據,今年1-5月,國內新能源乘用車銷量達89.8萬輛,同比增長240.5%。其中,純電動汽車銷量為74.3萬輛,同比增長274.4%,插電式混合動力汽車銷量15.5萬輛,同比增長137.6%。從整體產銷數據來看,我國新能源汽車的發展依然高歌猛進。再具體到品牌,新能源乘用車市場逐漸呈現出多元化發力的態勢,今年5月,上汽通用五菱、比亞迪、特斯拉、廣汽埃安等企業相關車型的銷量均突破萬輛。

不過,與燃油車相比,新能源汽車市場目前還處于發展初期,出現分化跡象,即低端與高端產品占比較多,中端產品相對較少。比如,售價約3萬元的“人民的代步車”上汽通用五菱MINI EV 5月銷量超過2.4萬輛,其背后是龐大的通勤代步車需求。而以特斯拉為首的高端車型持續走俏,又代表了另一類消費群體的需求。事實上,隨著自主品牌向中高端化發展,一些進口品牌產品下探,新能源汽車市場將朝著紡錘形特征發展。

隨著市場對新能源汽車行業的驅動力不斷增強,整車需求開始出現分化,其對現在及未來動力電池行業的發展都在施加影響。也正因如此,動力電池企業持續對技術路線進行多元化探索。日前,孚能科技董事長王瑀在一個行業論壇上分享了該公司的三類動力電池解決方案,并給出了對未來技術路線發展的判斷。

一是滿足目標用戶對低成本購買和使用的需求。從2021年開始,由于用戶群對安全及成本的考量,磷酸鐵鋰電池越來越受到重視;2021~2023年,鎳錳酸鋰電池將出現在汽車市場上,與磷酸鐵鋰電池抗衡;2023~2025年,鎳錳酸鋰電池將成為主流,磷酸鐵鋰電池將成為一個補充的解決方案。由于鎳錳的導入,電池能量密度會迅速提升到250Wh/kg以上。

二是滿足目標用戶對產品綜合性價比的需求。2019年前,動力電池基本上都以三元中鎳/石墨為主,車輛續駛里程400~500公里,電量50~75kWh,能量密度220~260Wh/kg。從2021年開始,由于磷酸鐵鋰電池技術的進步及加工能力的提升,產品體積能量密度迅速增加。2023~2025年,三元中鎳高電壓電池會成為優質、高性能、快充的解決方案。

三是滿足目標用戶對高效出行與獨特生活形態的需求。據悉,為解決高鎳體系和三元體系在大電量情況下的安全問題,孚能科技的半固態電池進入了產業化階段。2021~2023年,動力電池能量密度可以達到285~300Wh/Kg,充電時間為30~40分鐘。2023~2025年,下一代動力電池的要求是更加輕量化、體積更小、續駛里程更長、用戶體驗更佳。中鎳和高鎳依然是主要的正極解決方案,負極導入硅碳-石墨,電池將采用半固態電池解決安全問題,續駛里程可以達到600~1000公里,能量密度310~350Wh/kg,快充時間為20~30分鐘。

從目前發展來看,無論動力電池供應商還是整車企業,都紛紛布局多元化技術路線。根據現階段產業的發展情況,記者梳理了磷酸鐵鋰、鎳錳酸鋰、三元中鎳、高鎳、固態、鈉離子電池的最新進展。

磷酸鐵鋰電池

統計數據顯示,今年5月,我國三元鋰電池產量5.0GWh,占總產量的36.2%;而磷酸鐵鋰電池產量高達8.8GWh,占總產量的63.6%。這是磷酸鐵鋰電池在時隔三年之后,首次實現產量對三元鋰電池的反超。有業內人士預計,今年6月磷酸鐵鋰電池的裝車量也將超過三元鋰電池,從而實現逆襲。磷酸鐵鋰電池能夠卷土重來,離不開部分爆款熱銷車型的需求拉動。此外,當前原材料大幅漲價,也讓不少車企將目標瞄準成本更低的磷酸鐵鋰電池。

新能源汽車獨立研究員曹廣平對記者表示,當前磷酸鐵鋰電池在各類鋰離子電池中成本較低,且安全性較高,缺點是能量密度稍低、低溫性能稍差。但綜合來看,優點占上風,尤其是在新能源汽車補貼退坡的大背景下,其成本優勢明顯。同時,補貼退坡逼迫電池企業采用刀片電池等新的成組技術,更好地滿足了市場需求。從某種意義上說,磷酸鐵鋰電池的回歸是“市場追求鐵鋰”代替了原來的“政策拉動三元”。

華安證券的一份研報顯示,在極限測算下,考慮到補貼的差異,由三元鋰電池切換磷酸鐵鋰電池可以降低成本9%~11%,在補貼退坡后,這一降本效果會更顯著。

在降低成本的驅動下,未來一段時間內,各家車企基本都會陸續推出配裝磷酸鐵鋰電池的車型。今年4月,寧德時代董事長曾毓群表示,磷酸鐵鋰電池的市場占有率會逐漸增加,三元電池的占比將減少,但很多高端車型對續駛里程和高能量密度有要求,因此三元鋰電池仍有市場空間。

事實上,無論是從技術提升還是產能建設角度看,磷酸鐵鋰電池的強勢回歸都顯露無疑。今年年初,國軒高科發布磷酸鐵鋰電池新品。據國軒高科工程研究總院常務副院長徐興無介紹,新產品的單體能量密度超過200Wh/kg,已超過三元523鋰電池的水平,接近三元622鋰電池的能量密度。

今年上半年,億緯鋰能兩次擴產乘用車用磷酸鐵鋰電池,投資金額已達49億元。億緯鋰能還與深圳市德方納米科技股份有限公司簽署合資經營協議,雙方擬共同投資設立公司。合資公司將專注于生產低成本的優質磷酸鐵鋰材料,并優先向公司及其子公司供應,項目計劃投資總額為20億元,年產能10萬噸。

鎳錳酸鋰電池

正極材料是制約鋰電池發展的主要因素。無論能量密度的提升,還是成本的降低,正極材料都起著關鍵作用。高電壓正極作為提升電池能量密度的重要手段,已成為目前液態鋰離子電池的發展趨勢,也是行業的研究重點。

據了解,鎳錳酸鋰是一種高電壓正極材料,主要由鎳元素和錳元素組成,不含鈷元素,因此較為環保,成本也較低。不過,在高電壓下,電極材料與電解液之間劇烈的副反應,是限制鎳錳酸鋰材料商業化的最大障礙。解決該問題的關鍵在于構造穩定的正極材料與電解液界面以及耐高電壓的材料體系,具體涉及高電壓正極材料表面改性技術、高電壓鎳錳酸鋰材料電解液開發匹配技術、高電壓輔助配套材料的匹配改性技術,它們的發展將推動動力電池行業向高電壓、高能量密度和高安全性目標前進。

中科院物理研究所研究員黃學杰團隊的數據顯示,通過材料改性,鎳錳酸鋰電池在25℃下,100周循環容量保持率達99.24%,在35℃下,100周容量保持率達98.65%,優于三元材料,可以提高動力電池的壽命。

比克電池

比克電池 攝影/電池網 陳芳芳

去年,蜂巢能源率先發布鎳錳酸鋰電池,打造了兩款電芯產品。第一款產品是基于590模組的電芯設計,容量為115Ah,能量密度達245Wh/kg;第二款是L6薄片無鈷長電芯,容量226Ah。今年2月,無鈷正極材料在蜂巢能源常州材料工廠正式批量下線。

目前,磷酸鐵鋰電池的比能量已趨于極限,鈷資源有限且價格一路走高。資料顯示,與磷酸鐵鋰電池相比,鎳錳酸鋰單體電池及系統能量密度可提升40%,成本可降低30%。新能源汽車行業的迅猛發展將帶動動力電池市場規??焖僭鲩L,鎳錳酸鋰材料作為競爭者,有望成為下一代主流正極材料之一。

高鎳三元鋰電池

NCM811三元鋰電池,也是新能源汽車行業研發的重點,其正極材料中鎳、鈷與錳的比例為80%、10%與10%,鈷的比例減少使得成本下降,同時能夠極大地提升整車的續駛里程。

高鎳化電池最早由松下應用,寧德時代2019年起加快了其產業化進程。在新能源汽車補貼政策一度傾向于高能量密度動力電池的背景下,NCM811進入了快速發展階段。包括寧德時代、比亞迪、億緯鋰能、國軒高科、孚能科技、蜂巢能源、萬向一二三、遠景AESC、比克電池、力神電池在內的眾多國內動力電池企業,以及LG化學、三星SDI和SK創新等國外供應商均對NCM811電池有所布局。

據悉,即便在NCM811電池因車輛起火事故而受到質疑時,寧德時代依然表示“不會放棄”。特斯拉也在NCM811的應用中起到了領頭作用。2019年,特斯拉上海工廠將LG化學納入供應鏈體系,為Model 3和Model Y配套NCM811電池。值得關注的是,主打磷酸鐵鋰電池的比亞迪也在推廣NCM811產品。今年4月,新上市的國產福特Mustang Mach-E就配裝比亞迪的NCM811電池。

目前來看,行業已開啟NCM811電池產業化的序幕,寶馬iX3、大眾ID.4 CROZZ、ID.4 X、奔馳EQS、極狐αT等新車型都進行了搭載。此外,今年以來,蔚來汽車、廣汽埃安、智己汽車也都宣布,將推出配裝三元高鎳電池的新車型。

據了解,隨著技術不斷迭代,高鎳三元鋰電池的安全性也在逐步提高。曾毓群曾表示,寧德時代已開發出“永不起火”的NCM811三元鋰電池,可輕松達到熱擴散測試時間不低于5分鐘的要求。

鎳資源分布廣泛,價格穩定,符合未來大規模產業化的要求。來自華經產業研究院的資料顯示,隨著后續高鎳工藝成熟,且CTP(電池無模組)等技術開始商業化應用,高鎳三元鋰電池的成本下降將更明顯,最終理論成本比磷酸鐵鋰電池低10%~15%。據統計,2020年我國動力電池市場上,高鎳材料在三元鋰電池正極材料中的銷售占比達到24%,較2019年提升了一倍多。

此外,超高鎳四元鋰電池也從幕后走向臺前。LG化學方面表示,今年即將量產NCMA四元鋰電池,鎳的占比提高至90%。此外,SK創新、三星SDI也在研發能量密度更高的9系超高鎳下一代動力電池。

中鎳三元鋰電池

目前,提升正極材料能量密度的方法主要有兩種,一是走高鎳化路線,另一種是提升材料電壓,走單晶化路線。因此,在三元高鎳成為主流發展方向的同時,安全性表現更好的單晶中鎳三元材料也受到行業關注。

據了解,在鎳鈷錳比例相同的情況下,單晶三元材料整體能量密度接近目前高鎳三元材料。同時,中鎳三元材料因鎳含量相對較少,加上單晶材料產熱較少,穩定性高,其安全性表現優于高鎳材料,而且成本也更低。多因素疊加促使單晶中鎳三元材料市場占比開始增長。

寧德時代、欣旺達、瑞浦能源、領湃新能源等企業都推出了基于中鎳的單晶三元鋰電池。欣旺達去年底公布的“只冒煙、不起火”電池方案,選擇了鎳5X三元材料,電芯采用單晶、高電壓中鎳材料,產熱比多晶三元材料低至少20%、正極釋氧溫度高30%,能量密度與目前的高鎳體系接近,材料安全性更有優勢。此外,寧德時代單晶鎳5系電池產品也配套了上汽榮威ER 6、吉利幾何C等車型。

領湃新能源方面表示,其首款基礎核心產品高電壓中鎳VDA355電芯模組預計今年量產,電芯能量密度高達240Wh/kg以上,模組能量密度超過222Wh/kg,成組效率超過93%,產品可滿足目前主流車型500~600公里長續駛里程的需求。

固態電池

固態電池

固態電池因其安全性好、能量密度高在幾年前就被業界公認為動力電池下一代主流技術路線。目前,固態電池的發展已進入“軍備競賽”階段,無論動力電池企業、上游材料企業還是整車企業,都在固態電池領域布局。

寧德時代、贛鋒鋰業、輝能科技等動力電池企業走在固態電池研發前列。部分供應商已進入固態鋰離子電池(半固態電池)中試階段,2025年前或可實現量產。據悉,輝能科技計劃今年年內完成2GWh的示范線的建設,接下來進行產業園區的建設,2022年起通過示范線供應部分整車企業,進行第一批固態電池量產車的投放,并力爭在2026年產能達到50GWh。贛鋒鋰業方面表示,第一代2GWh固態電池中試線已順利投產,第二代固態鋰電池基于高鎳三元正極、含金屬鋰負極材料,目前產品能量密度超過350Wh/kg,循環壽命接近400次;而能量密度超過420Wh/kg的金屬鋰負極的固態電芯已在特殊領域開始應用。

整車企業方面,大眾、寶馬、豐田、本田、日產、蔚來、北汽新能源等車企也在固態動力電池領域進行探索。今年初,蔚來汽車在NioDay上發布首款150kWh固態電池,搭載該電池的蔚來eT7續駛里程可超過1000公里。大眾正加緊推進全固態電池的研發,計劃2024~2025年量產。豐田的目標是本世紀20年代前半期將全固態電池推向市場,目前正在討論2021年內公開試制車。寶馬計劃于2025年前開始對配裝全固態電池的車輛進行路測,2030年前推向市場。

行業專家指出,在現有的各種探索中,最有可能成為下一代動力電池的就是固態電池。固態電池不一定是全固態,最終也可能是半固態或半液態。

安馳科技總經理、創始人徐小明表示,2030年之前,很難看到純固態電池量產,即便真正的固態電池推向市場,至少前三到五年,其主要應用在消費類電子端,而且要做到安全性可控,且用得起。

鈉離子電池

相比鋰離子電池,鈉離子電池最大的優勢體現在成本及充電時間方面?!拔矣X得鈉離子電池是非常好的突破,而且很重要的一點在于鈉的資源比較豐富、成本較低,鈉離子電池價格便宜,缺點是能量密度較低?!蓖醅r談道。

然而,鈉離子電池的商業化也面臨挑戰,其中包括電解質的穩定性、電極和電解質界面的穩定性、安全問題、相關產業配套以及廢舊電池的可回收性等方面。能量密度低也是其商業化應用的障礙之一,目前鈉離子電池的平均能量密度為90~150Wh/kg,相比鋰電池的250Wh/kg有很大差距,能量密度低也就意味著整車續駛里程有限。

現階段,商業化鈉離子電池使用的負極材料都是硬碳,目前國內外有近二十家企業對鈉離子電池進行相關產業化布局,主要包括英國FARADION公司、美國Natron Energy公司、美國Aquion Energy公司、日本岸田化學、松下、三菱以及我國的中科海鈉、鈉創新能源、星空鈉電等企業。5月21日,曾毓群透露,寧德時代將于今年7月發布鈉離子電池。此舉被認為是寧德時代實現降成本與技術多元化發展的舉措之一。

行業分析認為,鈉離子電池未來應用場景或將主要集中在儲能、低速新能源汽車等領域,并不能完全替代鋰電池在新能源汽車上的應用。

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