力神萬向磷酸鐵鋰謀轉(zhuǎn)型 三元鋰電池霸道成主流

2014年第二屆中國（成都）鋰電新能源產(chǎn)業(yè)國際高峰論壇（ABEC2014，鋰電“達(dá)沃斯”）召開在即，參會(huì)企業(yè)美國波士頓電池副總經(jīng)理/營(yíng)銷總經(jīng)理詹天佑在接受媒體專訪時(shí)說，在我國鋰電池特別是動(dòng)力鋰電池市場(chǎng)爆發(fā)式增長(zhǎng)的當(dāng)下，鋰電“達(dá)沃斯”的召開，為全行業(yè)帶來了一次頭腦風(fēng)暴思想上的啟迪，促進(jìn)了行業(yè)向良性發(fā)展。

詹天佑分析說，2012-2014年上半年，國內(nèi)動(dòng)力鋰電池相關(guān)產(chǎn)業(yè)投資規(guī)模已超過500億元人民幣，預(yù)計(jì)到2017年將超過800億元。根據(jù)目前的投資情況估計(jì)，2014年我國動(dòng)力鋰電池的設(shè)計(jì)產(chǎn)能將擴(kuò)大至2000MWh。全球市場(chǎng)上，特斯拉投資50億美元聯(lián)合松下建設(shè)超級(jí)電池工廠（Giga-factory）以及豐田汽車聯(lián)合松下電器合資新建電池工廠等事件顯示出整車廠商乃至整個(gè)汽車行業(yè)對(duì)于動(dòng)力鋰電的重視。國內(nèi)市場(chǎng)上，各方勢(shì)力紛紛投入大量資金以求在快速增長(zhǎng)的動(dòng)力鋰電市場(chǎng)中搶占更大的市場(chǎng)份額。三星SDI和LG化學(xué)等國際巨頭紛紛追加數(shù)億美元投資增設(shè)鋰電工廠爭(zhēng)奪市場(chǎng)；比亞迪、天津力神和深圳比克等市場(chǎng)先行者逐步突破國外技術(shù)壟斷，實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)動(dòng)力鋰電的生產(chǎn)；而萬向錢潮和瑞恒集團(tuán)等也利用其資本優(yōu)勢(shì)通過收購或聯(lián)合投資快速切入這一領(lǐng)域。動(dòng)力鋰電市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)吸引了越來越多的企業(yè)投入這一領(lǐng)域，行業(yè)內(nèi)企業(yè)數(shù)也從2008年的10家增長(zhǎng)2014年的110余家。

“現(xiàn)在產(chǎn)能不足，供不應(yīng)求，未來的半年至一年后，產(chǎn)能平衡?！边@是詹天佑得出的判斷。他認(rèn)為，國內(nèi)對(duì)電動(dòng)汽車的需求在中央及地方政府相關(guān)政策頻出的推動(dòng)下，也實(shí)現(xiàn)了快速的增長(zhǎng)。2014年上半年，我國共生產(chǎn)電動(dòng)汽車20692輛，銷售20477輛，比2013年同期分別增長(zhǎng)2.3倍及2.2倍。其中，純電動(dòng)汽車生產(chǎn)及銷售數(shù)據(jù)分別為12185輛及11777輛，插電式混合動(dòng)力汽車產(chǎn)銷數(shù)據(jù)分別為8507輛及8700輛。按照純電動(dòng)汽車平均電池容量30KWh、插電式混合動(dòng)力汽車平均電池容量10KWh計(jì)算，上半年我國動(dòng)力鋰電的需求量超過450MWh，全年將有望超過1200MWh。

“造成國內(nèi)動(dòng)力鋰電實(shí)際產(chǎn)能低于設(shè)計(jì)產(chǎn)能的原因，主要是如下幾點(diǎn)：第一，動(dòng)力電池生產(chǎn)周期比較長(zhǎng)，從原材料選擇到成品出廠測(cè)試，都需要一定的時(shí)間，國內(nèi)許多企業(yè)從2012年下半年方才開始投資動(dòng)力電池，技術(shù)及生產(chǎn)能力尚未成熟；第二，國內(nèi)電動(dòng)汽車企業(yè)在產(chǎn)能設(shè)計(jì)之初考慮到國內(nèi)市場(chǎng)需要較長(zhǎng)時(shí)間培育，因此多數(shù)企業(yè)僅有一條生產(chǎn)線處于生產(chǎn)狀態(tài)，其余生產(chǎn)線將會(huì)在未來幾年內(nèi)陸續(xù)投產(chǎn)?！闭蔡煊臃治稣f。

如果用三個(gè)關(guān)鍵詞來總結(jié)2014年中國動(dòng)力鋰電池的發(fā)展，詹天佑給出了“持續(xù)提升、傳統(tǒng)轉(zhuǎn)型、理論及實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新”的答案。

他認(rèn)為，全行業(yè)都處在全面提升技術(shù)和品質(zhì)階段，以解決電池技術(shù)瓶頸帶來的電動(dòng)汽車‘里程焦慮’的問題；市場(chǎng)有個(gè)轉(zhuǎn)型的趨勢(shì)，磷酸鐵鋰電池轉(zhuǎn)型，如ATL、力神、萬向等都在有轉(zhuǎn)向三元材料的趨勢(shì)；電動(dòng)車最大的世界性難題是電池管理系統(tǒng)問題，在這方面，我們國家的企業(yè)都開始普遍在重視和提升自己的研發(fā)能力，不斷的創(chuàng)新。

“從產(chǎn)業(yè)的角度，未來5至10年，三元鋰電池是世界主流?！闭蔡煊邮挚隙ǖ卣f。

三元正極材料獲突破或打破磷酸鐵鋰優(yōu)勢(shì)？

國家專利局最新信息顯示，國內(nèi)廠商研發(fā)的《三元正極材料前驅(qū)體的制備方法》日前獲得國家發(fā)明專利。

該發(fā)明能使鎳鈷錳氫氧化物三元前驅(qū)體化學(xué)組成均勻，克服現(xiàn)有三元正極材料粒度分布寬、化學(xué)組成偏析的缺陷，該三元正極材料前驅(qū)體適用于汽車動(dòng)力電池、鋰離子二次電池。正極材料領(lǐng)域的新專利有望改變國內(nèi)動(dòng)力電池領(lǐng)域磷酸鐵鋰獨(dú)大的局面。

目前在動(dòng)力電池正極材料產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，中、日、韓、美動(dòng)力電池企業(yè)采用不同的材料體系。中國企業(yè)以磷酸鐵鋰為主，日韓企業(yè)以錳酸鋰和三元為主，新能源汽車龍頭特斯拉，采用的電池正是三元正極材料。

無論國內(nèi)還是海外新能源汽車的發(fā)展，均會(huì)對(duì)國內(nèi)部分鋰電池材料帶來巨大的需求彈性，出貨量增長(zhǎng)將抵消價(jià)格下降帶來的影響，價(jià)穩(wěn)量升有望帶來業(yè)績(jī)的增長(zhǎng)。

正極材料方面，目前已經(jīng)量產(chǎn)的鋰離子動(dòng)力電池正極材料包括錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料等產(chǎn)品。但三元材料、磷酸鐵鋰的核心技術(shù)專利仍然牢牢被海外企業(yè)把控。由于海外已形成的專利保護(hù)壁壘，導(dǎo)致國內(nèi)很多材料生產(chǎn)商很難進(jìn)入國際大廠，通過改變添加劑以及生產(chǎn)工藝等手段成為我國正極材料企業(yè)的常用手段。

三元材料綜合了鈷酸鋰、鎳酸鋰和錳酸鋰三類材料的優(yōu)點(diǎn)，存在三元協(xié)同效應(yīng)，并且在價(jià)格上有所優(yōu)勢(shì)。同時(shí)在循環(huán)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和安全性能上也有提高。在新能源汽車對(duì)動(dòng)力電池能量密度提升的背景下，三元材料作為高容量密度正極材料有望進(jìn)一步拓展其市場(chǎng)份額。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014年第一季度中，三元材料增速位于正極材料之首，業(yè)內(nèi)人士預(yù)測(cè)，2014年三元材料在正極材料中占比將提升至45%。

國內(nèi)企業(yè)中，杉杉股份的正極材料目前產(chǎn)能1.2萬噸，其中供應(yīng)小型電動(dòng)工具的三元材料已經(jīng)占比30%，子公司湖南杉杉年產(chǎn)1.5萬噸正極材料生產(chǎn)基地正在積極推進(jìn)。贛鋒鋰業(yè)的電池級(jí)金屬鋰供應(yīng)給全球最大的鋰亞電池生產(chǎn)商和鋰鐵電池生產(chǎn)商，公司已經(jīng)開始為韓國的NCA廠商提供原材料，并計(jì)劃投產(chǎn)三元前驅(qū)體生產(chǎn)線。公司的高純氟化鋰在國內(nèi)市占率達(dá)到50%以上。紅星發(fā)展主營(yíng)為電子磁性材料等產(chǎn)品，正逐步轉(zhuǎn)型向電池原材料供應(yīng)，此次在三元材料方面實(shí)現(xiàn)新技術(shù)的突破，公司有望借助大股東青島紅星化工集團(tuán)的實(shí)力，實(shí)現(xiàn)從基礎(chǔ)化工向動(dòng)力電池正極材料的產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

比亞迪電動(dòng)車磷酸鐵鋰電池優(yōu)勢(shì)解讀

新能源汽車分析之磷酸鐵鋰

本期筆者主要討論電動(dòng)汽車的心臟—電池。

為什么說電池是電動(dòng)汽車的心臟？這要先從電動(dòng)汽車的歷史說起。一說起電動(dòng)新能源車，很容易將其歸納為一個(gè)全新的技術(shù)以及事物。其實(shí)，電動(dòng)車的歷史遠(yuǎn)比想象的早，甚至早于燃油汽車。美國人托馬斯·達(dá)文波特于1834年制造出第一輛直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車；1838年蘇格蘭人羅伯特·戴維森發(fā)明了電驅(qū)動(dòng)的火車；時(shí)至今日依然使用的有軌電車是1840年在英國出現(xiàn)的專利。世界上第一輛電動(dòng)汽車于1881年誕生，發(fā)明人為法國工程師古斯塔夫?特魯夫，這是一輛用鉛酸電池為動(dòng)力的三輪車。之后就出現(xiàn)了以鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池等燃料電池作為電力。

可以看到，雖然電動(dòng)汽車早于燃油車發(fā)展，并在早期取得了一定的規(guī)模，但在近代，由于燃油汽車的大力發(fā)展，使電動(dòng)汽車在競(jìng)爭(zhēng)中受挫。但真正的問題是，過去以鉛酸電池為主的電動(dòng)車，受制于鉛酸電池的密度、壽命、功率等多方面限制，一直沒有辦法在動(dòng)力源，也就是電池方面取得突破，以至于使電動(dòng)汽車發(fā)展陷入停滯。

鋰電池的分類及優(yōu)缺點(diǎn)

這一問題直到鋰電池的出現(xiàn)且經(jīng)20年大力發(fā)展才得以逐步改善解決。

鋰電池通常分兩大類：

鋰金屬電池：鋰金屬電池一般是使用二氧化錳為正極材料、金屬鋰或其合金金屬為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。

鋰離子電池：鋰離子電池一般是使用鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)的電池。

雖然鋰金屬電池的能量密度高，理論上能達(dá)到3860瓦/公斤。但是由于其性質(zhì)不夠穩(wěn)定而且不能充電，所以無法作為反復(fù)使用的動(dòng)力電池。而鋰離子電池由于具有反復(fù)充電的能力，被作為主要的動(dòng)力電池發(fā)展。但因?yàn)槠渑浜喜煌脑?，組成的正極材料在各方面性能差異很大，導(dǎo)致業(yè)內(nèi)對(duì)正極材料路線的紛爭(zhēng)加大。

通常我們說得最多的動(dòng)力電池主要有磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池、鈷酸鋰電池以及三元鋰電池（三元鎳鈷錳）。

以上各類電池都有優(yōu)缺點(diǎn)，大致歸納為：

磷酸鐵鋰：

優(yōu)點(diǎn)：壽命長(zhǎng)、充放電倍率大、安全性好、高溫性好、元素?zé)o害、成本低。

缺點(diǎn)：能量密度低、振實(shí)密度低（體積密度）。

三元鋰：

優(yōu)點(diǎn)：能量密度高、振實(shí)密度高。

缺點(diǎn)：安全性差、耐高溫性差、壽命差、大功率放電差、元素有毒（三元鋰電池大功率充放電后溫度急劇升高，高溫后釋放氧氣極容易燃燒）。

錳酸鋰：

優(yōu)點(diǎn)：振實(shí)密度高、成本低。

缺點(diǎn)：耐高溫性差，錳酸鋰長(zhǎng)時(shí)間使用后溫度急劇升高，電池壽命衰減嚴(yán)重（比如日產(chǎn)電動(dòng)車LEAF）。

鈷酸鋰：

通常用于3C產(chǎn)品，安全性極差，不適合做動(dòng)力電池。

理論上，我們需要的電池應(yīng)該是能量密度高、體積密度高、安全性好、耐高溫低溫、循環(huán)壽命長(zhǎng)、無毒無害、可大功率充放電，聚所有優(yōu)點(diǎn)為一體而且低成本。但目前并不存在這樣的電池，那么在不同種類電池的優(yōu)缺點(diǎn)中就需要取舍。而且，不同的電動(dòng)車對(duì)電池的需求點(diǎn)也是不同的，因此只有立足于長(zhǎng)遠(yuǎn)地對(duì)電動(dòng)汽車作出判斷，才能有利于我們正確地判斷電池路線的選擇。

磷酸鐵鋰電池的優(yōu)越性

這里就需要回溯前兩篇的論述，我們分析了未來的電動(dòng)汽車應(yīng)該以小里程、快充電的電動(dòng)汽車為主。而目前家用車需要長(zhǎng)續(xù)航的雙模混合動(dòng)力，以及公交市場(chǎng)的大續(xù)航純電汽車。那么這樣的車需要什么樣的電池？

一、安全

首先安全是汽車必備的前提。汽車不同于手機(jī)和電腦，汽車在高速行駛中有可能遇到眾多不可預(yù)知因素，比如車禍造成的電池?cái)D壓和撞擊。而任何一個(gè)不利的因素，都有可能造車車毀人亡。我們可以看到一些老年代步車使用劣質(zhì)的鉛酸電池，完全沒有安全保障，電池自燃、受撞擊燃燒的案例比比皆是。再比如特斯拉近一年的連續(xù)著火事件，雖然得利于特斯拉的安全設(shè)計(jì)并沒有出現(xiàn)人員傷亡。但同時(shí)也要看到，這幾次事件都是非常輕微的碰撞事故，碰撞本身對(duì)車和人并無傷害，而電池卻著火了，那么如果是更嚴(yán)重的事故呢？

二、高倍率放電壽命

普通汽車使用壽命長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年，一輛電動(dòng)汽車的電池，10年至少需要3000次的循環(huán)壽命。電池作為比較貴的部件，壽命能否與車等同是非常重要的，既要保證車輛的性能又要保證車主的利益，這樣才能利于市場(chǎng)的推動(dòng)。目前世界各車企的電動(dòng)汽車，只有去年上市的比亞迪“秦”做到了電芯終生質(zhì)保。

電池的壽命也就是循環(huán)壽命，并非簡(jiǎn)單的電池參數(shù)給出的數(shù)字。電池的循環(huán)壽命和電池的循環(huán)狀態(tài)是息息相關(guān)的，比如放電倍率、充電倍率、溫度等。通常電池實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)得出的循環(huán)壽命，是以0.3C恒定的充放電倍率，在20度恒定最佳溫度下得到的。但是在實(shí)際用車過程中，倍率和溫度都是非恒定的。這也就是為什么通常無論是筆記本、手機(jī)，還是電瓶車的電池，實(shí)際使用中的壽命都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如廠商給出的數(shù)據(jù)的原因。而中小里程純電以及長(zhǎng)續(xù)航雙?；旌蟿?dòng)力車，因?yàn)樗鶐У碾姵乇容^少，對(duì)其放電的要求就會(huì)更高，對(duì)壽命的影響就會(huì)更大。

比如A123的磷酸鐵鋰電池，通常循環(huán)壽命可以到3000次以上。但是，A123的磷酸鐵鋰航模電池，以10C的充電倍率、5C的放電倍率使用，實(shí)驗(yàn)室中的壽命縮短到只有600次，而真正實(shí)際使用中只有400次左右，可見放電倍率對(duì)壽命的影響。

再以比亞迪“秦”為例，只有13KWH的電池驅(qū)動(dòng)峰值功率110KW的電機(jī)。可以計(jì)算出，當(dāng)“秦”滿電時(shí)其最大放電倍率高達(dá)8.4C。尤其是當(dāng)“秦”只有50%電量時(shí)，其最大放電倍率可以達(dá)到18C。如果電量再低放電倍率將超過25C，這會(huì)極大地縮短電池的壽命。

再看P85度電的特斯拉，最大功率310KW的電機(jī)，看起來很龐大，其實(shí)電池放電倍率不過4C。在只有30%的電量時(shí)，最大放電倍率也不過10C。而且特斯拉的大容量電池，在極大程度上避免電池處于大功率的放電之中。

通過簡(jiǎn)單的對(duì)比，就可以看出比亞迪電池的高倍率放電壽命的優(yōu)越性。

三、溫度適應(yīng)性

極寒對(duì)電池的影響，主要表現(xiàn)在充放電倍率低和電容量減少；極熱對(duì)電池的影響，主要表現(xiàn)為壽命減低、高溫安全性以及充放電能力下降。

極寒對(duì)于電池的影響相對(duì)較輕，因?yàn)橐话沅囯姵囟伎梢栽诹阆?0度以下使用，而且在電池的放電過程中本身就會(huì)產(chǎn)生熱量，但能耗的增加以及電量的減少不可避免。

極寒對(duì)純電車的影響和對(duì)雙?；旌蟿?dòng)力車又不一樣。純電動(dòng)車因?yàn)闆]有其他動(dòng)力來源，在極寒情況下要達(dá)到合適的溫度，必須依靠電池放電加熱，那么對(duì)于能耗以及續(xù)航里程就會(huì)有很大影響。特斯拉在冬天無論是百公里能耗以及續(xù)航里程都和平時(shí)有顯著不同。

對(duì)于雙?；旌蟿?dòng)力影響就較弱。因?yàn)榛靹?dòng)有發(fā)動(dòng)機(jī)作為備用提供能量。比如去年11月份比亞迪在包頭舉行的“秦”推廣活動(dòng)，當(dāng)時(shí)夜間氣溫在零下15至20度，在早晨極寒的情況下啟動(dòng)車輛，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換到HEV模式，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)空調(diào)，迅速提高車內(nèi)溫度，當(dāng)溫度提高以后再切換回EV模式。

極熱對(duì)純電和混動(dòng)影響都很大，比如電池本身大功率放電溫度就會(huì)升高。以普通鋰離子電池為例，20C的放電，電池的溫度可以提升到接近50度。這么高的溫度，不僅對(duì)電池的壽命有影響，更重要的是安全隱患。比如特斯拉的三元電池在高溫環(huán)境下會(huì)釋放氧氣，而氧氣是易燃物體。特斯拉通過循環(huán)冷卻系統(tǒng)降低溫度、以硬外殼包裹隔離電池以防止氧氣溢出。但是當(dāng)遇到撞擊時(shí)還是難免起火。

四、能量密度

能量密度，顧名思義就是單位重量的電池所能容納的能量。能量密度通常是判斷電池優(yōu)略的重要指標(biāo)，但是在筆者的分析體系里，能量密度在電池性能指標(biāo)中不是很重要。

原因有兩個(gè)：

1.能量密度必須結(jié)合其他性能。比如磷酸鐵鋰電池的能量密度確實(shí)不高。但是因?yàn)槠浒踩€(wěn)定耐高溫等特點(diǎn)，以磷酸鐵鋰為電芯所組成的電池極為簡(jiǎn)單，不需要太多保護(hù)輔助設(shè)備。而特斯拉的三元電池雖然電池電芯密度很高，但由于其安全性差不耐高溫，所以必須結(jié)合一套復(fù)雜的電池保護(hù)設(shè)備，而這些設(shè)備都加大了汽車的重量。有報(bào)道稱在發(fā)生連續(xù)燃燒事故后，特斯拉又準(zhǔn)備加厚電池保護(hù)設(shè)備，這就將三元電池的能量密度優(yōu)勢(shì)消弱了。

2.重量對(duì)于汽車的影響不大，特別是對(duì)于未來電動(dòng)汽車的主流趨勢(shì)混合動(dòng)力以及小里程純電動(dòng)汽車。我們可以設(shè)想，以130千瓦時(shí)/公斤能量密度和200千瓦時(shí)/公斤能量密度的電池做一個(gè)對(duì)比。即使是最大的80度總電量，兩種電池的重量差不過200KG。

這對(duì)于一輛接近2噸的汽車影響很低。

因此筆者認(rèn)為，盡管電池的能量密度自然是越大越好，但并不必要刻意追求最大。特別是能量密度越大越不穩(wěn)定，這是基本常識(shí)。只要達(dá)到夠用的程度，能量密度不是太重要。

五、成本

成本非常好理解，要廣泛普及必須要有成本優(yōu)勢(shì)，這在本系列第一篇也已經(jīng)計(jì)算過。小里程純電或者混動(dòng)電動(dòng)車，一方面需要減少車載電池量節(jié)約電芯成本，另一方面需要降低電池包+保護(hù)設(shè)備的成本。因此我們發(fā)現(xiàn)，特斯拉的電芯成本雖然較低，但是整體成本依然居高不下。

通過以上論述我們知道，不同鋰離子電池都有天然優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。但重要的是，如何對(duì)未來電動(dòng)車發(fā)展的重點(diǎn)要素排序，這樣才能選出適合潮流的電池。綜上，從安全、壽命、放電能力、溫度適應(yīng)、能量密度、成本等因素綜合考慮，筆者認(rèn)為磷酸鐵鋰電池最適合未來電動(dòng)汽車電池的發(fā)展方向。