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宁德时代比亚迪隔空斗法背后:三元锂真要玩完了?

智东西 · 2020-05-26
三元锂电池被政策与对手围攻,出路何在?

编者按:本文来自微信公众号“车东西”(ID:chedongxi),作者 Juice,36氪经授权发布。

电动汽车上普遍搭载的三元锂电池,要被淘汰了?

5月12日,工信部连发三道加急文书,颁布了一系列电动汽车强制标准,其中就包括一条“要求电池单体发生热失控后,电池系统在5分钟内不起火不爆炸,为乘员预留安全逃生时间”。

这一条规定对目前使用最广泛的三元锂电池来说,可谓是重大打击。

从此前发生的一些自燃事件来看,车用三元锂电池在发生热失控后,很快就燃起大火,并不符合上述5分钟不起火的规定。

三元锂电池正极材料中镍元素的含量进行提升能够使大大提升电池的能量密度,这也可以为电动车带来更长的续航里程,但镍元素提升之后,电池更容易出现热失控。

与磷酸铁电池相比,在特殊发生热失控后(比如针刺实验),三元锂电池内部的材料会发生分解,并随着发生爆炸。而磷酸铁电池则能保持稳定。

政策之外,三元锂电池还面临竞争对手——磷酸铁电池的新一轮打击。

比亚迪推出的刀片电池,用新的封装方式,大幅提升了能量密度补上了自己的短板,再加上自身拥有更好的安全性和成本优势,迅速崛起。

比亚迪的旗舰电动车——汉,就搭载了刀片电池上市。而特斯拉,也为国产Model 3换上了磷酸铁电池。

新标准和新产品的出现,引起了业内的激烈争论。三元锂电池和磷酸铁电池各自的代表,宁德时代和比亚迪就为这事儿隔空“吵了起来。”

比亚迪在刀片电池发布会上放出针刺实验的结果后,巨头宁德时代表示,电池安全和电池滥用测试是两回事,但有些人把通过滥用测试等同于电池安全。

但随后,比亚迪则强硬回复称“不服?那也来扎一下吧!”。

那么三元锂电池到底能不够通过这个标准?三元锂和磷酸铁到底有何技术差异?三元锂电池是不是真的要被淘汰了呢?从业内专家的评论和各大企业的实际做法来看,其实已经有了答案。

三元锂遇政策重拳,宁德时代比亚迪隔空斗法

近两个月来已经发生多起电动汽车着火的事故,为此,5月12日,工信部连发三道加急文书,颁布了一系列电动汽车强制标准,其中就包括一条“要求电池单体发生热失控后,电池系统在5分钟内不起火不爆炸,为乘员预留安全逃生时间”。

▲工信部颁布了一系列电动汽车强制标准

这条强制标准也被认为是针对三元锂电池的,从之前发生的自燃现象来看,多款搭载了三元锂电池的电动车从自燃到着火也就在几十秒内。

此标准一出,一向以安全性著称的磷酸铁锂电池又再次受到了大众的关注。

比亚迪作为资深的磷酸铁锂电池玩家,在磷酸铁锂电池方面有了比较深的研究,3月份曾发布了刀片电池。在发布会现场,比亚迪副董事长何龙表示:“几乎所有你能想到的电动汽车品牌都在和我们探讨合作。”

这也从侧面反映出了磷酸铁锂电池目前确实受到了很多车企的关注。

比亚迪总裁王传福在刀片电池的发布上表示,在国内的新能源乘用车领域,多个企业间存在续航攀比的现象,而提升续航的主要方法就是提升动力电池的能量密度,这就导致了电池行业的发展跑偏了。

车企普遍选择了能量密度更高的三元锂电池,并且还在持续增加电池的能量密度,这就导致了电动汽车的自燃事频频发生。

随后比亚迪还放了刀片电池和三元锂电池在针刺实验下的不同结果,结果显示,三元锂电池在针刺实验下很快就爆炸了,表面温度超过500摄氏度。

这也被外界视为比亚迪向宁德时代发起的挑战,之后宁德时代的董事长曾毓群亲自回应称:“电池安全和电池滥用测试是两回事,但有些人把通过滥用测试等同于电池安全。”

之后,比亚迪销售副总经理李云飞在微博上发文称:“不服?那也来扎一下吧!”,这一回应算是将两者之间的暗战提升到了明战的状态。

▲比亚迪销售副总经理李云飞微博回应

5月22日,宁德时代发布了一则视频,视频显示,在进行针刺实验时,钢针并没有穿过电池包,而且还被电池外包装的钢板折断了。

但视频发出后,也引起了部分网友的不满,有网友认为,针刺实验的本质是为了模拟电池短路,而不是刺进或刺不进,还有人称宁德时代掌握了电池外壳的核心技术。

▲网友对宁德时代视频的调侃

既然目的没达到,5月23日晚上,宁德时代又放出了一则视频,视频中,宁德时代的5系和8系三元锂电池都成功通过了针刺测试,这两款电池在针刺和静止1小时后,电池未出现剧烈的升温和爆炸现象。

在视频的最后,宁德时代表示:“宁德时代早在2017年就已经掌握了三元电芯通过针刺测验的技术,但是为什么没有推广?通过针刺测验=电池安全吗?”

目前,李云飞又回应称针刺测试未短路就是失败了,而宁德时代方面还有消息传出说要放出第三则视频,国内动力电池行业的两个巨头之间的争论还将继续。

但搭载了三元锂电池的电动汽车屡屡发生自燃,磷酸铁锂电池和政策的一步步打压也都让三元锂电池处在风口浪尖,那么为什么会出现这样的情况呢?

三元锂pk磷酸铁,成本与安全处于劣势

要想搞明白三元锂电池现在处境的原因,还需要从三元锂电池的自身来说起。

安全性不强是目前三元锂电池最显著的问题,由于NCM电池的用户比较多,我们主要来看一下这种电池,根据镍与钴、锰元素比例的不同,NCM电池又可以分为两类,一类是镍锰等量型,另一类是镍锰不等量型。

如NCM424和NCM111就是典型的镍锰等量型电池,但随着车企对电动车续航能力要求的提升,三元锂电池的能量密度不断推高,高镍路线也不断明确。

所以以NCM523、NCM622和NCM811为代表的高镍型三元锂电池是目前电池厂的主流路线。由于提升镍元素可以让电池具备更高的容量,所以现在电池厂都已经在生产容量最高的NCM811电池了。

▲宁德时代动力电池

而在8系三元锂电池之后,镍元素含量超过90%的9系三元锂电池正在蓄势待发。据高工锂电报道,知名锂电材料供应商格林美目前已经完成了镍元素摩尔比例分别达到90%、92%、95%的Ni90、Ni92、Ni95等三元前驱体材料的研发与量产。

但凡事都有正反两面,随着能量密度的不断提升,电池的安全隐患也在与日俱增。

有研究表明,随着三元锂电池正极材料中镍元素的富集,电池的容量保持能力与热稳定性出现了下滑。

当NCM三元锂电池正极的镍含量超过60%,NCA三元锂电池正极的镍含量超过80%,在经过一定次数的循环后,电池正极材料中的微裂纹显著增加,电极阻抗增大,正极开始向电芯中析出大量的氧气。而且在电池温度达到250摄氏度~350摄氏度时,三元锂电池内部的化学成分就会发生分解。

这一现象会造成两个后果,一是由于微裂纹增加,电池的寿命会受到影响;二是由于氧气的出现容易导致电池热失控的产生,而热失控则会引发电池起火爆炸。

而磷酸铁锂电池则是采用了磷酸铁锂作为电池的正极材料,磷酸铁锂晶体中的P-O键难以分解,就算是在非常高的温度或者过充的时候也不会结构崩坏,当电池的温度处在500摄氏度~600摄氏度的高温时,其内部的化学成分才开始分解。

正是这一特性才使得磷酸铁锂电池的使用寿命会更长,而就算发生了热失控的现象,磷酸铁锂电池也不会像三元锂电池那般容易着火。

▲比亚迪刀片电池和其他电池的针刺测试结果对比

即使发生了着火现象,磷酸铁锂电池也更容易处理,磷酸铁锂电池的燃烧需要外部提供氧气,一旦切断了氧气,火就可以熄灭,所以常规的灭火方法都可以灭火。

而三元锂电池着火后,电池内部还会持续发热,用普通的干粉灭火器能将明火灭掉,但并不能降低内部温度,可能会导致二次燃烧,因而只能用水持续降温灭火,这也会增加灭火的难度。

此外,三元锂电池的成本居高不下也是一个缺点。三元锂电池就是正极材料中采用了镍钴锰或镍钴铝等金属元素的电池,目前国内用的比较多的是镍钴锰(即NCM)电池,而特斯拉采用的则是镍钴铝(即NCA)电池。

▲Model 3

但无论是NCM电池还是NCA电池,都脱不开对钴元素的使用,钴是一种稀缺金属,产量少且分布不均,美国地质勘探局数据显示,全球陆地钴资源的储量约为700万吨,其中刚果(金)的储量占比为52%、澳大利亚储量占比为17%,古巴的储量占比为7%,其他国家的储量则非常低。

正是对钴金属的需求才导致三元锂电池的成本居高不下,据公开资料显示,目前三元锂电池的度电成成本在1000元左右,而磷酸铁锂电池的度电成本可以控制在600元内。

综合来看,三元锂电池的优缺点都很明显,较高的能量密度能够为电动汽车提供更长的续航里程,但安全性差也是悬在空中的一把利剑,对于汽车来说,安全性又是重中之重,因而三元锂电池受到打压就不奇怪了。

特斯拉与比亚迪转用磷酸铁,装机量持续上升

虽然三元锂电池存在安全问题,但是因为其能量密度高,很多车企仍然选择这种电池,但比亚迪的刀片电池基本上解决了能量密度的问题,又拥有更高的安全性,使得磷酸铁锂的市场占有情况也发生了一些变化。

目前,国内的磷酸铁锂电池的装机量开始上升,甚至特斯拉、比亚迪的王牌车型,也开始从三元锂电池换装为磷酸铁锂电池了。

今年3月29日,比亚迪正式发布了刀片电池,并且还表示这款电池将会首先搭载到比亚迪汉上,在采用了刀片电池后,比亚迪汉的NEDC续航里程将超过600公里。

而在2015年,比亚迪推出的宋DM车上也采用了三元锂电池,2017年推出的秦EV和e5车型也采用了三元锂电池,这说明比亚迪也曾在技术路线上进行过纠结。

而现在,比亚迪汉EV、比亚迪宋Plus等旗舰车型都将采用刀片电池,这也可以看出比亚迪坚定了继续走磷酸铁锂电池的道路。

▲比亚迪汉EV

在刀片电池的发布会现场,比亚迪副总裁何龙表示:“几乎你能想到的所有汽车品牌,都在和我们探讨基于刀片电池技术的合作方案,相信大家很快就能看到、听到刀片电池更多精彩的消息。”

除了比亚迪,全球第一大的电动汽车生产商也将要采用磷酸铁锂电池了。

5月22日,工信部发布了第333批《道路机动车辆生产企业及产品》,其中再次出现了特斯拉Model 3,从申报的信息来看,这款Model 3的电池换成了磷酸铁锂电池。

▲国产Model 3采用了磷酸铁锂电池

据了解,特斯拉的磷酸铁锂电池将会由宁德时代提供,有媒体报道称宁德时代的磷酸铁锂模组度电成本已经降到了500元以内,电池组的成本将会在600元以下。而此前特斯拉所用的高镍三元锂电池度电成本在1000元左右。这样一来,国产Model 3的价格有望进一步下降。

目前,特斯拉的全球销量已经超过了100万辆,而比亚迪电动汽车的全球销量也快接近100万辆了,这两家企业是世界上最大的两个电动汽车生产商,他们都采用了磷酸铁锂电池,这对于其他车企的影响将会是巨大的,在未来可能会有更多的车企选择磷酸铁锂电池。

正是由于这些原因的影响,目前磷酸铁锂电池的装机量也在稳步提升。中国汽车动力电池产业创新联盟公布的数据显示,2020年4月份,国内三元电池装机量约2.6GWh,占比为73.2%,环比增长17.8%。磷酸铁锂电池的装机量为0.9GWh,占比25.8%,环比增长74.1%

虽然目前磷酸铁锂电池的销量提升主要跟商用车产销的增长分不开,但随着国产Model 3、比亚迪汉逐步搭载磷酸铁锂电池,可能将会有更多的车企采用磷酸铁锂电池,磷酸铁锂电池的市场份额也会进一步提升。

三元锂有未来,三大方向实现技术突破

看到这里,你可能会问,按这么说三元锂电池是不是就没有希望了,未来终将是磷酸铁锂的天下了吗?

但事实并非如此,很多电池企业已经认识到了三元锂电池存在的问题了,并且已经在积极的寻求解决方法,宁德时代通过加固电池外壳也能应对针刺实验,并且还展示了其三元锂电池通过针刺实验的视频。

不过,目前三元锂电池的发展也确实到了瓶颈,还需要更多的技术突破才能持续发展,而LG化学、蜂巢能源和三星都已经在研究新的技术了。

在今年3月4日通用的“EV week”活动上,通用与它的合作伙伴LG化学一同推出一款新的电池产品Ultium。

▲通用新电池Pack

这款产品的核心并不是被外界吹得神乎其神的电池包技术,其关键在于,Ultium电池的电芯将会使用LG化学最新研发的NCMA四元锂电池。

这款电池的技术原理是通过向NCM三元锂正极材料,混入少量的铝元素,使原本性质活跃的高镍三元正极材料在保持高能量密度的同时,也能维持较稳定的状态。

在这一转变过程中,原本NCM三元体系的Li[Ni-Co-Mn]O2正极材料体系变成了Li[Ni-Co-Mn-Al]O2(正极材料的化学构成发生了改变)。

过渡金属铝元素的加入所形成的Al-O化学键强度远大于Ni(Co,Mn)-O化学键,从化学性质上增强了正极的稳定性,进而使得NCMA四元电池H2—H3不可逆相变的电压在经过多次循环后仍然保持稳定状态,且Li元素在正极的脱嵌过程中不易释放氧元素,减少了过渡金属的溶解,提升了晶体结构的稳定性。

而稳定的晶体结构则减少了充放电循环过程中,正极材料微裂纹的形成,正极阻抗的上升速度得到抑制。

与此同时,有研究表明,NCMA的正极材料放热峰值反应温度为205摄氏度,高于NCA正极材料的202摄氏度与NCM正极材料的200摄氏度,这意味着NCMA正极材料的热稳定性更加优秀。

▲通用与LG合作的电池

值得注意的是,NCMA四元正极材料中,成本最为昂贵的钴元素,含量从NCA/NCM 622中的20%下降至5%,成本进一步降低。按照LG与通用公布的数字,NCMA四元电池的量产成本为100美元(约合人民币694元),而此前,LG化学NCM 622的量产成本约为148美元(约合人民币1027元)。

高能量密度、高稳定性、低成本,原本在NCA/NCM三元锂电池上难以同时实现的特性,在NCMA四元锂电池上达成,对于动力电池产品而言,NCMA的量产将会掀起一股技术路线升级的浪潮。

而5月19日,长城汽车的动力电池公司蜂巢能源发布的L6薄片无钴长电芯彻底去除了三元锂中成本最高的钴元素。

蜂巢阳离子掺杂技术采用两种化学键能更大的元素掺杂到材料中替代钴,通过强化学键稳定氧八面体结构,减少锂镍混排,改善了材料的稳定性,可以在4.3V~4.35V电压下稳定工作,使能量密度提高,成本降低。

▲蜂巢能源L6薄片无钴长电芯

同时,蜂巢能源还采用了单晶技术,与多晶材料相比,单晶材料在辊压过程中具有更强的颗粒强度和更加稳定的结构,耐压力强度可以提高10倍。正因如此,无钴材料的使用寿命会更长,电芯寿命也比多晶高镍三元高出70%。

此外,蜂巢能源还采用了纳米网络包覆技术,在单晶表面包覆一层纳米氧化物,可以减少正极材料与电解液的副反应,有效改善了高电压下的材料循环性能。

这三项技术的加持,使得蜂巢能源的无钴电池在三元锂电池的基础上降低了生产成本,提升了电池的安全性和使用寿命,也将会成为三元锂电池的下一步出路之一。

在四元锂电池和无钴电池之外,还有一部分电池企业在研究固态锂电池。顾名思义,固态电池的核心就在于把液态电解质转变成固体电解质。

固态电解质不会发生自燃、没有腐蚀性、不会泄漏和挥发,因为也不会导致车辆自燃,安全性非常高。但目前,固态电池的生产技术还是一大难点,现阶段的固态电解质电导率总体低于液态电解液,现在固态电池的性能偏低。

但三星在今年三月份发出报告称其在全固态电池的量产之路上取得了突破性的进展。

据介绍,三星的全固态电池将实现900Wh/L(区别于Wh/kg的计量单位,因不同材料密度不同,二者不可换算)的能量密度,1000次以上的充放电循环以及99.8%的库伦效率(也可称为充放电效率),我国目前较为先进的固态电池技术虽然同样也能够实现1000次以上的充放电循环,但在库伦效率方面目前还达不到接近100%的程度。

▲三星在《自然-能源》杂志上发表论文

此外,三星通过引入银碳复合负极、不锈钢(SUS)集电器、辉石型硫化物电解质以及特殊材料涂层,对固态电池的负极、电解质与正极进行了处理,有效解决了锂枝晶生长、低库伦效率与界面副反应,这三大固态电池量产所面临的核心问题,推动固态电池技术离产业化更进一步。

总的来看,电池企业们并不愿意舍弃三元锂的高能量密度,所以一直在三元锂电池的变种上下功夫。

随着他们的不断攻坚,四元锂电池、无钴电池、固态电池等新的电池都量产不远了,在下一阶段的竞争中,三元锂电池的变体们还有可能会引领电池产业的发展方向。

结语:给三元锂电池判死刑还为时尚早

关于磷酸铁锂电池和三元锂电池技术争论一直都在,国内的两个动力电池厂商宁德时代和比亚迪此前各自坚定的走差异化道路。

但近些年,虽然三元锂电池的安全事故开始增加,磷酸铁锂电池大有崛起之时,而特斯拉采用磷酸铁锂电池则更加引起了舆论风向。

一时间,三元锂电池将被判死刑,三元锂电池已死等言论层出不穷。但就现实情况来啊可能,三元锂电池仍然是出货量最高的电池类型,磷酸铁锂电池会因为安全性而获得一定的市场,但也无法完全颠覆三元锂电池。

更何况,目前三元锂电池的玩家都还在研究升级三元锂电池,随着更多安全性更高、成本更低、能量密度更高的三元锂电池变种的出现,三元锂电池还将会继续繁荣。所以说,现在给三元锂电池判死刑还为时尚早。

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