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换个角度看电池路线之争?磷酸铁锂将有更大的发展空间

   日期:2019-08-26     来源:墨柯观锂    浏览:2339    评论:0    
2019年7月新能源汽车动力电池实现锂电装机4.9GWh,环比下滑25%,同比增加34%,具体来看,本月铁锂电池装机反超三元,环比增加59%,占比一跃至52%,再次占据半壁江山。在新能源汽车行情低迷情况下,LFP电池为何会逆势回升?其实铁锂电池的市场一直存在,需求仍在增长,而且铁锂电池厂家的技术升级从未停止,更重要的是,磷酸铁锂电池的高安全、低成本和长寿命特征仍是其他类型电池努力追赶的目标。如果我们回归人类对于能源和交通的需求的本质来看待电池的路线之争,可能观点会有所不同。

人类文明时代电池路线之争该何去何从

当下的文明多半是建立在能源消耗基础之上的,石油资源面临枯竭,即使勘探技术的进步能够帮助人类发现一些新的化石能源,但这毕竟有限,对于迅速增长的能源需求来说,这只是沧海一粟。而人类的未来很可能取决于我们能否尽快摆脱化石燃料带来的污染以及日益减少的供应能力。基于环境和能源两大因素,可以认为全球新能源改革的浪潮已经到来。

能源和交通是现代人类文明发展的两大基石,而能将二者完美结合起来的纽带就是新能源汽车及其车载动力电池产业。新能源汽车作为很有前途的朝阳产业,若想与传统燃油车分庭抗礼乃至取而代之,仅靠政策的出台以及民众意识的转变恐怕是没有支撑力的,此刻电池技术的发展与进步显的尤为重要。在现有的二次电池技术中,能量密度相对较高、综合性能表现最佳的锂离子电池是不二之选。

如同电动汽车发展路线之争一样,在2006年前后磷酸铁锂产业兴起的那一刻开始,车载动力电池是走锰锂路线还是铁锂路线,乃至今日是走三元路线还是铁锂路线,这样的争论就一直未曾停歇。从理论角度看,各有各的优势,也各有各的劣势,难分伯仲。而当下动力电池呈现出多技术路线共同发展的趋势,主要围绕着铁锂、三元、锰锂三种材料,各自在各自的应用领域风生水起,占据一定的市场份额,但相较而言,新能源汽车领域三元电池更占据主导地位。


而随着储能市场的兴起,发展前景无限的储能市场逐渐成为铁锂电池未来的“风口”。铁锂电池由于超长寿命、安全可靠、成本低、自燃概率低、相较三元更加耐热等特点,在储能市场已经获得通行证。未来储能市场可以用万亿元的产值来衡量,向储能领域转移,将会延长铁锂电池的价值链条,推动全新商业模式的建立。

那么,最终该选择哪种电池技术路线?就当下新能源汽车产业增速放缓、储能市场仍处于产业孕育期来看,路线之争花落谁家还尚未可知,但毫无疑问,人类需要的是更安全、更环保、更节约能源的电池产品,这就意味着电池企业需要与上下游配套企业相结合,从成本、安全、可靠、性能等多个维度去分析,从而选择出一个最佳的电池技术路线。

真锂研究认为,未来几年,对循环寿命、安全性要求更高的储能市场、公交车市场以及对价格较为敏感的低端乘用车市场将是铁锂电池发展的重要舞台,而对能量密度、功率特性要求更高的中、高端乘用车市场将由三元电池主导。相信,随着新能源汽车产业的持续发展以及储能市场的爆发,铁锂电池和三元电池或将是互为补充、相辅相成的关系。

其实现在对电池路线下结论还为时尚早,当下首要思考的关键问题是电池到底能不能满足产品需求。2019年1-7月铁锂电池回潮信号不断释放,表现亮眼,江淮、奇瑞、北汽新能源等车企纷纷向铁锂电池抛出“橄榄枝”,前景无限的储能市场铁锂电池开始发力,这都指向铁锂电池将再次迎来春天,究竟铁锂电池能不能满足产品的需求?下文我们将多维度对铁锂电池优劣势进行分析。

铁锂技术升级从未停止

铁锂电池唯一的短板是能量密度低,业内普遍认为单体180Wh/kg的能量密度是磷酸铁锂电池的“天花板”。根据真锂研究锂电装机数据库分析,2019年量产的铁锂电池单体能量密度年均水平在165Wh/kg左右,而一些优秀的电池厂家已经可以做到180-190Wh/kg的水平。相比于前年的142Wh/kg以及去年的158Wh/kg,三年时间内,电池企业在铁锂电芯能量密度提升上可谓苦心造诣,年年都有“量”的突破,今年索性实现“质”的飞跃。


作为铁锂电池的代表企业,国轩高科在产品端交出了亮眼答卷,成功打破这一“天花板”,其开发的圆柱铁锂电芯能量密度可达到190Wh/kg,该产品已在江淮iEV7L上装车使用,成组后电池包能量密度接近三元622电池同等水平。然而国轩高科看似并未满足当前成绩,还计划进一步提高铁锂电池的电芯能量密度,预计突破200Wh/kg。如果铁锂电池能够破除能量密度这一短板,铁锂电池的前景便是一马平川。


相对三元电池来说,铁锂电池在电芯能量密度上不占优势,但由于铁锂自身材料稳定优势及电池包结构开发技术不断升级优化,铁锂电池系统能量密度平均水平与三元电池没有明显差距,并且仍在不断加码提升。据悉,国轩高科计划将铁锂单体能量密度提高到200Wh/kg时,系统能量密度可以提升到160Wh/kg,这貌似又是一个“质”的突破。


目前主流电池企业铁锂电池成组效率基本都已经可以达到85%的水平,但是三元电池成组效率只能做到70%水平,二者电池包结构开发技术还是存在一定差距。

铁锂降成本更显成效

其实无论今后是发展哪一种技术路线,首先都需要考虑如何实现快速降成本问题。由于技术进步以及原材料降价,我国动力电池成本确实得到进一步下降。

(1) 原料端实现电芯降成本

铁锂电池正极原料中除了碳酸锂价格相对较高以外,其他原料都相对便宜很多,而三元电池中的镍、钴原料价格相对较贵。当前铁锂正极价格为4.65万元/吨,而三元523正极价格为13万元/吨,约是铁锂正极材料价格的3倍。此外,根据图表5、6,真锂研究计算得知,铁锂电池系统中正极材料仅占成本的14%,而三元电池系统中正极材料仅占成本的27%,昂贵的钴价和镍价抵消了三元电池能量密度优势。目前铁锂电池系统成本已降至0.7元/Wh,三元电池系统成本在0.9元/Wh左右徘徊。


(2) 自供原材料实现电芯降成本

在动力电池成本结构中,四大材料总成本占比接近40%。材料的性能和价格直接决定了锂电池的性能和价格。根据图表7、8,真锂研究测算,自供原材料的电池企业其四大原料合计成本价格比外购原料的电池企业价格低20%,电池毛利率高10%。

不同于单纯做材料或者做电芯的企业,自主研发材料的电芯企业,需要对材料有更深的认识,一旦材料在电芯端应用出现任何问题,需要快速在前端做出适当调整,通过这种材料和电芯端的不断反复磨合,最终实现材料和电芯的最佳匹配,同时也可以促进材料开发水平的进步。

在降成本领域,国轩高科深谙其道,早早地在材料端做起了文章,“不许外购”的“铁律”使得国轩高科占得市场先机,掌控了材料端的话语权。国轩高科在电池的正极材料、负极材料、隔膜和电解液等原材料端,均已形成较为完整的产业链布局,其领先于同行业的材料技术优势和全产业链布局优势极大地减轻了成本压力。


(3) 提升容量减少辅材降成本

通过使用大容量电芯,以节省外壳辅助材料成本。根据测算,特斯拉Model3采用的全新21700电池,相比18650电池在外观上变长变粗,减少了10%左右的组件和重量,单体电池容量提升约35%,能量密度提高20%,电池系统成本降低约9%,售价降低约8%。

(4) 电池包设计一体化降成本

采取电池包和整车底盘一体化设计,即将部分电池包的承重转移到底盘上,从而实现轻量化,且能够实现电池组较大幅度降本。目前特斯拉与大众已经跳过PACK“T字、工字型、土字型和田字”架构,积极推进电动底盘一体化。

(5) 全生命周期梯次利用降成本

长寿命性能给退役的动力铁锂电池带来新的价值。铁锂电池退役后,可以进入梯次利用市场,例如铁塔基站,分布式储能等领域,从而进一步降低铁锂电池全生命周期成本,使得铁锂技术路线更具成本优势。

铁锂循环寿命超长

电池寿命就是电池在多次完全充放电后的电量衰减,一般电动车电池充满后衰减到原有80%电量就代表电池该换了。

铁锂电池完全充放电循环次数大于3500次后电量才会衰减到原有的80%,按照一天充放电一次计算,也就是说铁锂电池使用寿命可长达十年左右,这意味着电动汽车在整个生命周期内,用户基本不需要更换电池。但三元电池比铁锂电池寿命要短一些,完全充放电循环大于2000次就会衰减到原有的80%,其使用寿命仅有6年,当然通过电池管理和车辆电控系统也可以稍微延长一点电池寿命,但是也只能是稍加延缓,两者寿命之间的差距可见一斑。


铁锂安全性有保障


三元技术路线和铁锂技术路线本质区别在于电芯所选用的正极材料不同。铁锂技术路线的电芯正极材料是磷酸铁锂,三元技术路线的电芯正极材料是三元材料,而磷酸铁锂的热分解温度要高于三元,并且热分解过程中,放热量小。一般磷酸铁锂材料热分解温度约为250~270℃,三元材料的热分解温度约为220~240℃。


下图展示的是1款LFP电池和3款NCA电池针刺实验结果,其中3款NCA电池针刺均失效且火花四射,场面壮观,而LFP电池则像个安静的女子。


三元电池最大的问题就是热稳定性较差,电池中可燃的电解液、碳材料一点就着,产生的热量进一步加剧正极材料分解,在极短的时间内就会爆燃。此外,三元电池短路时放出的热量会造成电池热失控,电池温度会迅速升至300℃以上,存在自燃风险。因此三元电池对电池管理系统的要求非常高,需要防过温保护装置和电池管理系统来保护电池的安全。

不同于三元电池,铁锂电池最大的优点就是安全,磷酸铁锂的化学性质稳定,电热峰值可达350℃-500℃。在面对撞击、针刺、短路等情况时不会释出氧分子,不会产生剧烈的燃烧。

由于铁锂正极材料的高热稳定性以及热失控时低放热量,在电芯其他材料相同,电池包结构设计相同,结构件相同等条件下,铁锂电池较三元电池还是有着明显的安全优势。

总结

锂电行业将进入市场需求拉动行业增长的阶段,电池技术路线的选择权将交给市场,而安全性高、生命周期较长、有较高性价比的产品最终才能成为市场的主要需求,加之新能源汽车市场需求的多元化和细分化,磷酸铁锂的未来或许比一些人想象的乐观的多。而如果回归人类能源文明与交通文明的角度来看待电池的路线之争的问题,那么高安全、长寿命、低成本消耗的磷酸铁锂电池也将有更大的发展空间。 
 

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