2019年7月新能源汽車動(dòng)力電池實(shí)現(xiàn)鋰電裝機(jī)4.9GWh，環(huán)比下滑25%，同比增加34%，具體來看，本月鐵鋰電池裝機(jī)反超三元，環(huán)比增加59%，占比一躍至52%，再次占據(jù)半壁江山。在新能源汽車行情低迷情況下，LFP電池為何會(huì)逆勢(shì)回升？其實(shí)鐵鋰電池的市場一直存在，需求仍在增長，而且鐵鋰電池廠家的技術(shù)升級(jí)從未停止，更重要的是，磷酸鐵鋰電池的高安全、低成本和長壽命特征仍是其他類型電池努力追趕的目標(biāo)。如果我們回歸人類對(duì)于能源和交通的需求的本質(zhì)來看待電池的路線之爭，可能觀點(diǎn)會(huì)有所不同。

人類文明時(shí)代電池路線之爭該何去何從

當(dāng)下的文明多半是建立在能源消耗基礎(chǔ)之上的，石油資源面臨枯竭，即使勘探技術(shù)的進(jìn)步能夠幫助人類發(fā)現(xiàn)一些新的化石能源，但這畢竟有限，對(duì)于迅速增長的能源需求來說，這只是滄海一粟。而人類的未來很可能取決于我們能否盡快擺脫化石燃料帶來的污染以及日益減少的供應(yīng)能力?；诃h(huán)境和能源兩大因素，可以認(rèn)為全球新能源改革的浪潮已經(jīng)到來。

能源和交通是現(xiàn)代人類文明發(fā)展的兩大基石，而能將二者完美結(jié)合起來的紐帶就是新能源汽車及其車載動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)。新能源汽車作為很有前途的朝陽產(chǎn)業(yè)，若想與傳統(tǒng)燃油車分庭抗禮乃至取而代之，僅靠政策的出臺(tái)以及民眾意識(shí)的轉(zhuǎn)變恐怕是沒有支撐力的，此刻電池技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步顯的尤為重要。在現(xiàn)有的二次電池技術(shù)中，能量密度相對(duì)較高、綜合性能表現(xiàn)最佳的鋰離子電池是不二之選。

如同電動(dòng)汽車發(fā)展路線之爭一樣，在2006年前后磷酸鐵鋰產(chǎn)業(yè)興起的那一刻開始，車載動(dòng)力電池是走錳鋰路線還是鐵鋰路線，乃至今日是走三元路線還是鐵鋰路線，這樣的爭論就一直未曾停歇。從理論角度看，各有各的優(yōu)勢(shì)，也各有各的劣勢(shì)，難分伯仲。而當(dāng)下動(dòng)力電池呈現(xiàn)出多技術(shù)路線共同發(fā)展的趨勢(shì)，主要圍繞著鐵鋰、三元、錳鋰三種材料，各自在各自的應(yīng)用領(lǐng)域風(fēng)生水起，占據(jù)一定的市場份額，但相較而言，新能源汽車領(lǐng)域三元電池更占據(jù)主導(dǎo)地位。


而隨著儲(chǔ)能市場的興起，發(fā)展前景無限的儲(chǔ)能市場逐漸成為鐵鋰電池未來的“風(fēng)口”。鐵鋰電池由于超長壽命、安全可靠、成本低、自燃概率低、相較三元更加耐熱等特點(diǎn)，在儲(chǔ)能市場已經(jīng)獲得通行證。未來儲(chǔ)能市場可以用萬億元的產(chǎn)值來衡量，向儲(chǔ)能領(lǐng)域轉(zhuǎn)移，將會(huì)延長鐵鋰電池的價(jià)值鏈條，推動(dòng)全新商業(yè)模式的建立。

那么，最終該選擇哪種電池技術(shù)路線？就當(dāng)下新能源汽車產(chǎn)業(yè)增速放緩、儲(chǔ)能市場仍處于產(chǎn)業(yè)孕育期來看，路線之爭花落誰家還尚未可知，但毫無疑問，人類需要的是更安全、更環(huán)保、更節(jié)約能源的電池產(chǎn)品，這就意味著電池企業(yè)需要與上下游配套企業(yè)相結(jié)合，從成本、安全、可靠、性能等多個(gè)維度去分析，從而選擇出一個(gè)最佳的電池技術(shù)路線。

真鋰研究認(rèn)為，未來幾年，對(duì)循環(huán)壽命、安全性要求更高的儲(chǔ)能市場、公交車市場以及對(duì)價(jià)格較為敏感的低端乘用車市場將是鐵鋰電池發(fā)展的重要舞臺(tái)，而對(duì)能量密度、功率特性要求更高的中、高端乘用車市場將由三元電池主導(dǎo)。相信，隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展以及儲(chǔ)能市場的爆發(fā)，鐵鋰電池和三元電池或?qū)⑹腔檠a(bǔ)充、相輔相成的關(guān)系。

其實(shí)現(xiàn)在對(duì)電池路線下結(jié)論還為時(shí)尚早，當(dāng)下首要思考的關(guān)鍵問題是電池到底能不能滿足產(chǎn)品需求。2019年1-7月鐵鋰電池回潮信號(hào)不斷釋放，表現(xiàn)亮眼，江淮、奇瑞、北汽新能源等車企紛紛向鐵鋰電池拋出“橄欖枝”，前景無限的儲(chǔ)能市場鐵鋰電池開始發(fā)力，這都指向鐵鋰電池將再次迎來春天，究竟鐵鋰電池能不能滿足產(chǎn)品的需求？下文我們將多維度對(duì)鐵鋰電池優(yōu)劣勢(shì)進(jìn)行分析。

鐵鋰技術(shù)升級(jí)從未停止

鐵鋰電池唯一的短板是能量密度低，業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為單體180Wh/kg的能量密度是磷酸鐵鋰電池的“天花板”。根據(jù)真鋰研究鋰電裝機(jī)數(shù)據(jù)庫分析，2019年量產(chǎn)的鐵鋰電池單體能量密度年均水平在165Wh/kg左右，而一些優(yōu)秀的電池廠家已經(jīng)可以做到180-190Wh/kg的水平。相比于前年的142Wh/kg以及去年的158Wh/kg，三年時(shí)間內(nèi)，電池企業(yè)在鐵鋰電芯能量密度提升上可謂苦心造詣，年年都有“量”的突破，今年索性實(shí)現(xiàn)“質(zhì)”的飛躍。


作為鐵鋰電池的代表企業(yè)，國軒高科在產(chǎn)品端交出了亮眼答卷，成功打破這一“天花板”，其開發(fā)的圓柱鐵鋰電芯能量密度可達(dá)到190Wh/kg，該產(chǎn)品已在江淮iEV7L上裝車使用，成組后電池包能量密度接近三元622電池同等水平。然而國軒高科看似并未滿足當(dāng)前成績，還計(jì)劃進(jìn)一步提高鐵鋰電池的電芯能量密度，預(yù)計(jì)突破200Wh/kg。如果鐵鋰電池能夠破除能量密度這一短板，鐵鋰電池的前景便是一馬平川。


相對(duì)三元電池來說，鐵鋰電池在電芯能量密度上不占優(yōu)勢(shì)，但由于鐵鋰自身材料穩(wěn)定優(yōu)勢(shì)及電池包結(jié)構(gòu)開發(fā)技術(shù)不斷升級(jí)優(yōu)化，鐵鋰電池系統(tǒng)能量密度平均水平與三元電池沒有明顯差距，并且仍在不斷加碼提升。據(jù)悉，國軒高科計(jì)劃將鐵鋰單體能量密度提高到200Wh/kg時(shí)，系統(tǒng)能量密度可以提升到160Wh/kg，這貌似又是一個(gè)“質(zhì)”的突破。


目前主流電池企業(yè)鐵鋰電池成組效率基本都已經(jīng)可以達(dá)到85%的水平，但是三元電池成組效率只能做到70%水平，二者電池包結(jié)構(gòu)開發(fā)技術(shù)還是存在一定差距。

鐵鋰降成本更顯成效

其實(shí)無論今后是發(fā)展哪一種技術(shù)路線，首先都需要考慮如何實(shí)現(xiàn)快速降成本問題。由于技術(shù)進(jìn)步以及原材料降價(jià)，我國動(dòng)力電池成本確實(shí)得到進(jìn)一步下降。

(1) 原料端實(shí)現(xiàn)電芯降成本

鐵鋰電池正極原料中除了碳酸鋰價(jià)格相對(duì)較高以外，其他原料都相對(duì)便宜很多，而三元電池中的鎳、鈷原料價(jià)格相對(duì)較貴。當(dāng)前鐵鋰正極價(jià)格為4.65萬元/噸，而三元523正極價(jià)格為13萬元/噸，約是鐵鋰正極材料價(jià)格的3倍。此外，根據(jù)圖表5、6，真鋰研究計(jì)算得知，鐵鋰電池系統(tǒng)中正極材料僅占成本的14%，而三元電池系統(tǒng)中正極材料僅占成本的27%，昂貴的鈷價(jià)和鎳價(jià)抵消了三元電池能量密度優(yōu)勢(shì)。目前鐵鋰電池系統(tǒng)成本已降至0.7元/Wh，三元電池系統(tǒng)成本在0.9元/Wh左右徘徊。


(2) 自供原材料實(shí)現(xiàn)電芯降成本

在動(dòng)力電池成本結(jié)構(gòu)中，四大材料總成本占比接近40%。材料的性能和價(jià)格直接決定了鋰電池的性能和價(jià)格。根據(jù)圖表7、8，真鋰研究測(cè)算，自供原材料的電池企業(yè)其四大原料合計(jì)成本價(jià)格比外購原料的電池企業(yè)價(jià)格低20%，電池毛利率高10%。

不同于單純做材料或者做電芯的企業(yè)，自主研發(fā)材料的電芯企業(yè)，需要對(duì)材料有更深的認(rèn)識(shí)，一旦材料在電芯端應(yīng)用出現(xiàn)任何問題，需要快速在前端做出適當(dāng)調(diào)整，通過這種材料和電芯端的不斷反復(fù)磨合，最終實(shí)現(xiàn)材料和電芯的最佳匹配，同時(shí)也可以促進(jìn)材料開發(fā)水平的進(jìn)步。

在降成本領(lǐng)域，國軒高科深諳其道，早早地在材料端做起了文章，“不許外購”的“鐵律”使得國軒高科占得市場先機(jī)，掌控了材料端的話語權(quán)。國軒高科在電池的正極材料、負(fù)極材料、隔膜和電解液等原材料端，均已形成較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈布局，其領(lǐng)先于同行業(yè)的材料技術(shù)優(yōu)勢(shì)和全產(chǎn)業(yè)鏈布局優(yōu)勢(shì)極大地減輕了成本壓力。


(3) 提升容量減少輔材降成本

通過使用大容量電芯，以節(jié)省外殼輔助材料成本。根據(jù)測(cè)算，特斯拉Model3采用的全新21700電池，相比18650電池在外觀上變長變粗，減少了10%左右的組件和重量，單體電池容量提升約35%，能量密度提高20%，電池系統(tǒng)成本降低約9%，售價(jià)降低約8%。

(4) 電池包設(shè)計(jì)一體化降成本

采取電池包和整車底盤一體化設(shè)計(jì)，即將部分電池包的承重轉(zhuǎn)移到底盤上，從而實(shí)現(xiàn)輕量化，且能夠?qū)崿F(xiàn)電池組較大幅度降本。目前特斯拉與大眾已經(jīng)跳過PACK“T字、工字型、土字型和田字”架構(gòu)，積極推進(jìn)電動(dòng)底盤一體化。

(5) 全生命周期梯次利用降成本

長壽命性能給退役的動(dòng)力鐵鋰電池帶來新的價(jià)值。鐵鋰電池退役后，可以進(jìn)入梯次利用市場，例如鐵塔基站，分布式儲(chǔ)能等領(lǐng)域，從而進(jìn)一步降低鐵鋰電池全生命周期成本，使得鐵鋰技術(shù)路線更具成本優(yōu)勢(shì)。

鐵鋰循環(huán)壽命超長

電池壽命就是電池在多次完全充放電后的電量衰減，一般電動(dòng)車電池充滿后衰減到原有80%電量就代表電池該換了。

鐵鋰電池完全充放電循環(huán)次數(shù)大于3500次后電量才會(huì)衰減到原有的80%，按照一天充放電一次計(jì)算，也就是說鐵鋰電池使用壽命可長達(dá)十年左右，這意味著電動(dòng)汽車在整個(gè)生命周期內(nèi)，用戶基本不需要更換電池。但三元電池比鐵鋰電池壽命要短一些，完全充放電循環(huán)大于2000次就會(huì)衰減到原有的80%，其使用壽命僅有6年，當(dāng)然通過電池管理和車輛電控系統(tǒng)也可以稍微延長一點(diǎn)電池壽命，但是也只能是稍加延緩，兩者壽命之間的差距可見一斑。


鐵鋰安全性有保障

三元技術(shù)路線和鐵鋰技術(shù)路線本質(zhì)區(qū)別在于電芯所選用的正極材料不同。鐵鋰技術(shù)路線的電芯正極材料是磷酸鐵鋰，三元技術(shù)路線的電芯正極材料是三元材料，而磷酸鐵鋰的熱分解溫度要高于三元，并且熱分解過程中，放熱量小。一般磷酸鐵鋰材料熱分解溫度約為250～270℃，三元材料的熱分解溫度約為220～240℃。


下圖展示的是1款LFP電池和3款NCA電池針刺實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中3款NCA電池針刺均失效且火花四射，場面壯觀，而LFP電池則像個(gè)安靜的女子。


三元電池最大的問題就是熱穩(wěn)定性較差，電池中可燃的電解液、碳材料一點(diǎn)就著，產(chǎn)生的熱量進(jìn)一步加劇正極材料分解，在極短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)爆燃。此外，三元電池短路時(shí)放出的熱量會(huì)造成電池?zé)崾Э兀姵販囟葧?huì)迅速升至300℃以上，存在自燃風(fēng)險(xiǎn)。因此三元電池對(duì)電池管理系統(tǒng)的要求非常高，需要防過溫保護(hù)裝置和電池管理系統(tǒng)來保護(hù)電池的安全。

不同于三元電池，鐵鋰電池最大的優(yōu)點(diǎn)就是安全，磷酸鐵鋰的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，電熱峰值可達(dá)350℃-500℃。在面對(duì)撞擊、針刺、短路等情況時(shí)不會(huì)釋出氧分子，不會(huì)產(chǎn)生劇烈的燃燒。

由于鐵鋰正極材料的高熱穩(wěn)定性以及熱失控時(shí)低放熱量，在電芯其他材料相同，電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相同，結(jié)構(gòu)件相同等條件下，鐵鋰電池較三元電池還是有著明顯的安全優(yōu)勢(shì)。

總結(jié)

鋰電行業(yè)將進(jìn)入市場需求拉動(dòng)行業(yè)增長的階段，電池技術(shù)路線的選擇權(quán)將交給市場，而安全性高、生命周期較長、有較高性價(jià)比的產(chǎn)品最終才能成為市場的主要需求，加之新能源汽車市場需求的多元化和細(xì)分化，磷酸鐵鋰的未來或許比一些人想象的樂觀的多。而如果回歸人類能源文明與交通文明的角度來看待電池的路線之爭的問題，那么高安全、長壽命、低成本消耗的磷酸鐵鋰電池也將有更大的發(fā)展空間。