新能源车核心部件锂电池的技术图谱(2)
当前主要应用于电动车领域的,是三元材料以及磷酸铁锂两条技术路线。在2020年锂电池正极材料出货占比中,分列第一(46%)和第二(25%)。
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三元材料的核心优势在于能量密度高。同体积、同质量下,续航时间较其它技术路线大幅领先。但其缺陷也非常明显:安全性差,受到冲击和处于高温环境时,起火点比较低。近期热度较高的针刺和过充等安全测试中,大容量的动力三元电池很难过关。正是安全性能上的缺陷,一直限制着三元材料技术路线的大规模装配与集成应用。
磷酸铁锂则恰好与三元材料相反,能量密度与续航均表现一般,但安全性却十分优秀。其晶体结构为独特的橄榄石型,空间骨架结构不易发生形变,使其在高温环境下仍能保持稳定。三元材料在约150℃~250℃的条件下即会开始分解并放出氧气,导致电解质燃烧,相较之下磷酸铁锂的分解温度则在600℃左右,安全优势非常明显。
基于上述优点,很多三元电池无法通过的安全测试,磷酸铁锂都能通过;另一方面,磷酸铁锂电池的使用寿命也有巨大优势,其循环次数远超其它技术路线,这正应对电动汽车消费者的两个关键诉求:安全、耐用。
当前,三元电池的装机量出现下滑,磷酸铁锂电池市场份额正在快速提高。统计数据显示,2020年,国内动力电池累计销量达65.9GWh,其中,三元锂电池共装车38.9GWh,占比61.1%,累计下降4.1%;磷酸铁锂电池装车24.4GWh,占比38.3%,累计增长20.6%,成为销量同比唯一增长的动力电池类型。
除了安全性优势,磷酸铁锂销量快速上升的另一个主要因素,是便宜。长期以来,造成三元电池原材料成本(占比近90%)居高不下的主因,就是因其对钴的需求较大。钴是一种稀有的矿物,非常昂贵且开采极不稳定,价格波动剧烈,供应链也十分脆弱,极易影响下游产业。
在早年,由于政府补贴的存在,三元电池的高成本问题并不突出,但伴随着近年补贴力度的持续下降,其成本压力也愈发沉重,迫使电池制造少寻找替代材料。
磷酸铁锂的成本优势就集中在其不含钴,从下图可以看到即使吨价处于高位时,也远低于三元材料。
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同时,随着充电桩数量的快速增加,也能弥补磷酸铁锂电池的续航问题。典型磷酸铁锂电动车续航约为300~400km,足以满足市内交通需求,三元电池在这种应用场景下无法体现核心优势。
在成本与基建的双重驱动下,越来越多的车企选择磷酸铁锂技术路线也就不令人意外了。甚至是依靠三元电池起家的动力电池巨头宁德时代,也正在快速增加磷酸铁锂电池的产能,并为国产特斯拉Model 3标准续航版本供应磷酸铁锂电池。
不过三元电池的发展没有停滞。这一技术路线长期趋势,是通过高镍低钴的配比,即所谓的高镍三元材料进行降本。
根据镍钴锰三种元素的占比,三元材料可以分为111、523、622和811四种主要类型。从市占率看,目前的5系(即523)三元材料仍是主流。2020年在三元材料市场的市占率超过50%;8系(即811)电池则凭借高镍化趋势实现爆发,市占率从2018年的6%,提升至2020年的24%,潜力巨大。
高镍三元电池一方面减少了昂贵的钴金属使用量,成本更可控,另一方面则是电池容量大幅提升,更契合消费者需求。近年国产电动汽车的续航里程快速增加,高镍电池功不可没。
但相应的,镍含量的上升意味着加工难度的快速上升,本就存在隐患的安全性更是进一步下降。在811电池大规模装配的2020年,自燃事故频出,导致这一技术路线饱受质疑。
仅广汽Aion S,首款大规模使用811电池的车型,也是目前811新能源车龄最长的车型,在2020年5月到8月,就连续发生了三起自燃事故,而这只是811电池起火的冰山一角。高镍三元材料的安全性缺陷,是电池生产商必须解决的问题,否则很难说服乘用车消费者购买,更不可能用于对安全性要求更高的商用车辆。
除了镍钴锰(NCM)三元材料,目前还有一种采用镍钴铝(NCA)合金作为正极的三元材料。与NCM相比,NCA的能量密度进一步提高,但安全性能仍没有太多改善。目前,特斯拉是最主要的镍钴铝电池使用者,在2020年4月份还申请了可提高电池寿命的新型生产技术专利。
不过虽受龙头青睐,NCA技术路线在国内却十分罕见,2020年在国内三元材料市场的出货量占比仅有4%,全球目前主要生产商仅有松下。
文章来源:《小型内燃机与车辆技术》 网址: http://www.xxnrjycljs.cn/zonghexinwen/2021/0623/1051.html