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争议不断的动力电池暗战,究竟改变了什么?

igoseo.net   2021年07月19日

  作为新能源汽车的核心动力组成部分,电池的性能在很大程度上决定了车辆的综合表现,其技术路线的争论一直存在.究竟哪种电池更适合当前的纯电动车,似乎一直没有一个定论。由于动力电池的性能优势不同,根本上来说,争议围绕的也是续航问题与安全系数。

  这样的电池性能分化也导致用户在选择何种电池车型摇摆不定.在新能源汽车市场,电池安全与续航不能同时兼得,电池安全了就得牺牲部分续航,续航满足了,就得牺牲部分安全,安全与续航不仅是消费者购买电动车考虑的重要因素,也是关乎产业发展路线的核心要素。

  目前主流的技术路线是三元锂电池和磷酸铁锂电池这两种方案,这两个派系都在各自的领域有着不可替代的优势,各具千秋,大家各有意见与分歧。三元锂电池技术路线背后代表着电动汽车的高续航里程,其在中高续航车型中普遍应用,磷酸铁锂电池技术路线代表着安全与成本性能更优,在中低续航车型中普遍应用。以宁德时代为首追求更高的续航里程的派系选择了三元锂的方向,而比亚迪则以电池安全为主成为了磷酸铁锂的代言人。那么这两种技术路线到底有什么区分和各自的优势呢?

三元锂vs磷酸铁锂:

性能大比拼

  三元锂电池和磷酸铁锂电池这两种电池的结构类似,都是由正极材料,负极材料,隔膜和电解液四部分组成,两者根本的区别从材料方面来看,主要是正极材料的不同,其中三元锂电池正极材料为镍,钴,锰或镍,钴,铝三种材料的聚合物,磷酸铁锂电池正极材料为磷酸铁锂。

  三元锂电池指的是正极材料以镍,钴,锰(NCM)三种元素,负极材料以石墨,电解质以六氟磷酸锂为主的锂盐锂电池。目前主要应用于电动车行业,是动力电池中的主流电池技术路线之一。磷酸铁锂电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池,负极是石墨,电解质为六氟磷酸锂。

  谈论一个电池好不好主要的衡量标准主要是从四个要素来看:能量密度,循环寿命,安全性以及成本。能量密度分为单体能量密度和系统能量密度,单体能量密度指单位体积或单位质量所释放的能量,该参数是电动车续航能力的直接影响因素,我们讨论整车的能量性能用的是系统能量密度。

  循环寿命指的是经历一次充放电称为一个周期或一次循环,电池在反复充放电后,容量会逐渐下降,在一定的放电条件下,电池容量降至80%时,电池所经受的循环次数就是循环寿命。安全性也就是谈论电池的热失控问题,当电池的热失控到达一定的温度之后,就会出现不可控的状态,导致电池内部的温度直线上升,可能会出现燃烧或者爆炸的危险。

  总的来说,三元锂电池的主要优势在于能量密度高,可以让汽车有更长的续航里程,解决了电动汽车的核心里程问题,但是广为诟病的是其安全性,其热失控温度相较于磷酸铁锂电池来说较低,磷酸铁锂电池的热失控温度在500℃左右,而三元锂电池在300℃左右,在热失控温度区间,电解液会迅速燃烧,产生自燃及爆炸的风险。三元锂电池汽车自燃事故和召回事件频发,最近的一次新能源汽车大型召回事件也是因为电池安全的缘故。因为现代Kona汽车的一系列起火事件,在今年 2月,现代汽车和LG化学斥资9亿美元全球召回8.2万辆车,更换其电池系统改善安全性能。

  而在电池安全方面,磷酸铁锂电池具有优势,在内部或外部受到伤害,电池也不燃烧,不爆炸,并且电池不含任何重金属与稀有金属,成本较低,无污染绿色环保。当然磷酸铁锂电池也不是那么完美,主要的缺点能量密度较三元锂电池来说偏低,而三元锂电池可以通过调整正极材料镍的比例继续升级其能量密度。

  除了能量密度以外,其抗低温能力也较差,在气温低于﹣10℃的低温条件下,磷酸铁锂电池衰减得非常快,经过不到100次充放电循环,电池容量将下降到初始容量的20%,极大地限制了北方低温天气的使用。而三元锂电池的低温性能优异,即使在﹣30℃条件下,仍可保持正常电池容量,更适应北方低温地区的使用条件。

  综上所述,三元锂电池因其能量密度高在中高续航车型中普遍应用,磷酸铁锂电池因其寿命更长,成本更低,在中低续航车型中得到了广泛应用。目前大多数企业发力点还是集中在三元锂电池上,国内如宁德时代,中航锂电,亿纬锂能等动力电池企业均发力三元锂电池产品,国外松下,韩国LG化学,三星SDI等动力电池企业也多采用三元锂电池的技术路线。

动力电池格局新变,

磷酸铁锂悄悄拔尖

  纵观动力电池的发展路线,很有意思的是,你会发现这两种动力电池技术路线呈现的是来回交替的变化路径。从动力电池的发展历程来看,在三元锂电池风靡以前,消费端对于电动汽车的续航里程需求并没有那么高,再加上其成本较三元锂电池来说较低,磷酸铁锂其实一直是动力电池主要采取的技术路线,不过后来因为三元锂电池能量密度性能以及消费端对续航能力的看重,市场风向转为三元锂电池。

  三十年河东,三十年河西,有幸的是我们又站在了技术与政策的转折点上。新能源的补贴政策近年来逐渐退坡,国家对电池的补贴越来越少,动力电池的价格也越来越直接影响电动汽车的成本,在新能源汽车强调高质量,低成本发展的背景下,磷酸铁锂电池和三元锂电池的发展格局又面临新的变化。补贴不利的政策下,磷酸铁锂较三元锂电池的成本优势显现,技术革新后的磷酸铁锂电池打破其原有续航里程瓶颈,能够满足400km-600km续航能力要求,鉴于电池性能的大幅优化与其本来的成本优势,车企也在逐渐将磷酸铁锂电池作为新的选择,磷酸铁锂电池逐渐更受青睐。

  据中国汽车动力电池产业创新联盟最新公布的数据,2021年5月,我国磷酸铁锂电池月产量首次超过了三元锂电池。截至2020年年底,我国三元锂电池和磷酸铁锂电池的产量占比还分别为58.1%和41.4%。2021年1-5月,我国磷酸铁锂电池累计产量占比已达50.3%,超过三元锂电池的49.6%。

  我们可以看到磷酸铁锂的产量在上半年就已经超过了三元锂电池的产量,虽然该数据是电池产量而不是市场占比或者是装机量的数据,但是其增幅的趋势也可以预测,2021年磷酸铁锂的装机量在大概率上将超过三元锂电池。对于电动汽车来说,选择三元锂电池的技术路线也是顺其成本和技术优势的最优解。

  从产业布局层面看,宁德时代,比亚迪,国轩高科等头部电池企业都在积极加码磷酸铁锂电池产能建设,宁德时代和比亚迪推出的基于磷酸铁锂方案的CTP电池和刀片电池目前也获得了市场认可,各厂商正在积极扩充部署旗下磷酸铁锂电池产能,获取先发的竞争优势。

路线之争终结无止期,

创新蝶变在路上

  市场上动力电池的技术路线从时间跨度的层面来说,一直是你方唱罢我登场的左右摇摆局面,目前是因为政策环境与技术革新发生了新的改变,磷酸铁锂电池打开了新的动力电池格局,拔得头筹。但是我们也知道任何排名里没有永远的第一,除了三元锂电池和磷酸铁锂电池性能拔尖外,还有一些动力电池的新技术与发展也有新的变化创新,值得关注。谁也无法确定未来的主流趋势是什么,但是根据这些技术的创新点,也可以窥测个大概的发展样貌。

  固态电池是一种新兴技术,固态电池技术采用锂,钠制成的玻璃化合物为传导物质,使用固体取代以往锂电池的电解液,除了可以避免电解质泄露,更好地控制体积,实现更密集地存储能量,还可以兼作电池的隔膜,减少火灾,爆炸的危险。固态电池循环寿命长,目前研发的预期寿命是15000-20000次,远高于三元锂电池1200次和磷酸铁锂电池的2000次。所有的性能参数目前都是在实验室的结果,还没有真正进行量产商用,主要的原因就是其生产工艺复杂,成本较高。因为其性能的优势,目前的各大厂商也都积极规划固态电池研发的部署。

  除了正在研究中的固态电池以外,一种介于液态和固体之间的电池-果冻电池也渐入视野,这是一种基于无钴正极材料和电解液材料的材料打造的凝胶电池,由电池制造商蜂巢能源研发,这种凝胶型电解质可以与电极材料的表面更好的贴合,具有自愈,阻燃等特点,能在不降低电性能的同时阻止热扩散。果冻电池可以说是液态电池向固态电池发展的一个过渡。

  市面上动力电池的新产品还有四元锂电池,它是指正极采用镍,钴,锰,铝四种金属材料的电池,四元锂电池是升级版本的三元锂电池,镍的含量增高,多加入的铝元素,降低了其他高价值金属元素的含量,实现了高能量密度,高稳定性,低成本难以同时实现的特性,目前是由韩国LG化学电池厂商进行研发,据悉最快今年内即可量产并装车使用。对于动力电池产品而言,其量产将会掀起一股技术路线升级的浪潮。

  除了在材料方面进行创新,结构方面的创新也有新的看点,2020年3月底,比亚迪正式推出了“刀片电池”。通过结构创新,省去模组,增大电芯长度,提高体积利用率,不仅满足电池稳定性和安全性能的需求,也有效提升续航里程。在采用磷酸铁锂电芯的前提下,刀片电池结构将磷酸铁锂电池的容量(续航)水平拔高到了和三元锂电池的同一水平线。未来,比亚迪宣称旗下全系电动车型将全面搭载刀片电池,目前正在积极扩充产能。

  总体而言,新技术主要围绕材料和结构创新,材料方面,围绕去钴,高镍,添加硅等方式,电解质朝着固态路线发展,结构上朝着去模组化的CTP和CTC路线(即核心省去电池模组,打包过程,将电芯直接集成到汽车底盘上,实现更高程度集成化)发展。

  无论是哪种技术发展方向,其目的都是强化电池性能与安全,我们知道实验室的产品与正式落地后产品性能还有较大的差距,这中间需要不断平衡能量,寿命,成本,安全等相互矛盾的性能指标。虽然现在的技术路线之争是磷酸铁锂取得了优势,可见的未来里,磷酸铁锂电池在电动汽车上会有更多的装机量,但是我们也发现,动力电池的技术一直在革新变化,新的产品如固体电池,果冻电池,纳离子电池等也在乱花渐欲迷人眼,说不定哪天技术发展到突破了成本和里程现有的记录,新的电池技术路线让电动车行业重新洗牌,对于用户来说也带来更安全和便捷的体验。

  时间维度拉长去看,愈演愈烈的技术革新让电池路线之争终结似乎没有尽头,对于行业来说,动力电池持续的进化带来的是更安全更高效的体验,这也会引领新能源汽车技术与产品的变革,为用户提供更多选择。

  文章来源:燕良 脑极体

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