动力电池的大洗牌时代
时至今日,三元锂电池已成为汽车电动化的最核心元素,但面对将到来的动力电池大洗牌时代,它虽信心满满,但又似乎忧心忡忡。
诚然,各个行业都会在不同的时间节点开启洗牌工作。一成不变、不求革新之辈很容易被淘汰,相反,勇于创新、着眼未来的态度会让自身能力值更加强大。结果则很简单,前者被洗掉,后者将取代前者的位置。
20世纪70年代,锂离子电池这个概念首次被提出并开始被研究。时至今日,三元锂电池已成为汽车电动化的最核心元素。
然而,面对将到来的动力电池大洗牌时代,它信心满满,但又似乎忧心忡忡。因为技术,从不承认马太效应。
就目前的新能源汽车市场来看,我们最为熟知的是三元锂电池和磷酸铁锂电池,可以说,这两种动力电池撑起了现阶段的全球电动化发展之路。
不过,随着大家对于续航里程、充电时间、安全性等问题的愈发关注,“老家伙”们开始力不从心。人们在吐槽、抱怨、忍耐的同时,期盼着一种集高能量密度、高安全性、高效率充能、低成本于一身的电池类型早日出现。
“老家伙”腹背受敌,燃料电池、固态电池等“新势力”伺机而动,利用燃料电池驱动的车型几年前就已出现在市场当中。那么,在大洗牌时代到来之时,谁会被淘汰出局,谁继续苟延残喘,谁又将脱颖而出?
锂电池,最主流也最危险
准确来说,应该称之为“三元锂离子电池”(以下简称三元锂电池)。索尼公司在1991年发布了首个商用锂离子电池,革命性地改变了消费电子产品的发展之路。如今,锂离子电池是绝对的主流,3C市场一直依赖于它的存在,相对而言新能源汽车应用得则要晚一些。
不过正如前文所言,若不思进取,创新的浪潮早晚会将你拍打在落后的沙滩上。去年早些时候,世界上历史悠久的、最有名望的科学杂志《自然》刊登了一篇文章,题为《距离锂电子电池革命仅余10年》,这篇文章指出,锂离子电池性能和价格的演进速度正在放缓。
深究原因,无非有二:
其一,技术瓶颈。电池,从本质上来说是一种能够将储存的化学能转化为电能的设备。所以,在晶体结构中可以储存的电量是有天花板的。就拿手机来说,随着硬件水平的不断提升,手机自身的技术与性能呈飞跃式发展,但配套锂电池的升级之路却依旧步履蹒跚。
较二十年前,可充电锂离子电池在电池组所储存能量方面提升了数倍,看似突飞猛进,实则远远不够,尤其是相对于芯片、软件等高新技术产业的更新速度。可以说,锂电池从被需求、不可替代、主流,慢慢得在朝“被替代”前进。
应用到新能源汽车上之后,这种“缓慢”就更加突显。车企们不可能在一款轿车上放入大量的三元锂电池,原因很简单——重量。随着车重的同步提升,实际续航能力的上扬曲线终将归于平直,再加上充电设施还未达到完善的程度,三元锂电池在动力电池领域的发展势必将率先走向抉择点。
其二,材料。决定三元锂电池性能的最主要因素是电池两极的材料,特别是正极材料。镍、钴、锰,这三种金属元素几乎主宰了一切。其中,镍元素最大的意义在于提升能量密度;钴的作用是稳定材料的层状结构,且能够提高材料的循环和倍率性能。
不可或缺,导致了没得选,这样一来,镍和钴的价格在2017年呈现出了持续激增的状态,市场供不应求。虽然在2018年下半年出现了下滑,但短期内的不可替代仍促使着价格蓄力反弹。多家正极材料企业和锂电池企业纷纷表示,基于成本原因,一定要寻找替代品。
“NCM811(镍:钴:锰=8:1:1))”的出现让三元锂电池可以有力回击质疑。原则上说,相对于已经成熟的“532”和“622”,811在镍的占比上进一步得到了提升,能量密度增加的同时,成本随之降低。随着未来的进一步发展,无钴锂电池也在逐步浮出水面。
但凡事都有两面性,NCM811也并非无懈可击。不止一个专家曾指出,镍比例越高,整个正极材料的热稳定性就越差。高温不稳定、低温效能低本来就是三元锂电池的短板,这样一来,安全性成为了必须要优先逾越的障碍。
于是很多动力电池企业将重心放在了安全性上,蜂巢能源科技有限公司全球营销副总裁Jeffrey Yambrick(严博瑞)对于NCM811十分看好,但也承认稳定性是必须要关注的问题:“NCM811关注的问题是如何在高温下保证稳定性,我们进行了优化。在蜂巢能源的研发团队通过正极材料的改进,使得正极材料能够在零下20—60摄氏度正常工作,高温140—150摄氏度使得阻抗增大3个数量级形成断路,保证电芯的安全。”
坦白讲,现在谈论三元锂电池的末日还为时过早,有朝一日一旦在材料上有所突破,亦或是在能量技术方面挑破了天花板,三元锂电池的技术优势将有望再一次得到发挥。
磷酸铁锂电池,何去何从
严格意义上说,磷酸铁锂电池也是锂电池的一种,其指的是用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。所以,其与三元锂离子电池最本质的区别在于正极材料。
磷酸铁锂电池相对于三元锂电池有着明显的短板——能量密度低,仅凭这一点,似乎就可以一板砖将其拍死。但是别忘了,磷酸铁锂电池的优势同样突出,之所以在新能源物流车、客车、货车上普遍采用磷酸铁锂电池,最大的原因就是因其高稳定性与低成本。
短期内,磷酸铁锂电池在小型城市代步车、商用车领域依旧有着稳定的市场,再加上2021年新能源车政策的取消,磷酸铁锂电池在成本方面的优势将更为受用。
尽管能量密度没有锂电池高,但磷酸铁锂电池自身并未停止升级的脚步,突破200Wh/kg并非痴人说梦。“在磷酸铁锂电池上还是有很多的空间可以继续开发出来,我们到现在一直没有放弃磷酸铁锂电池,不断的持续投入,我觉得这是一个正确的决策,做磷酸铁锂电池不会涉及到镍金属、钴金属等资源,所以有很大的发展。”国轩高科工程研究院总院院长蔡毅对磷酸铁锂电池的发展很有信心。
2017年,沃特玛对磷酸铁锂材料的使用量达到近2万吨,占据了近三成的市场份额。虽然在2018年,沃特玛受债务危机影响一蹶不振,需求端变得更加集中,供应体系变化很大。但是,比亚迪、贝特瑞、北大先行等企业却依旧计划进一步扩产,这也从侧面反映了动力电池企业对磷酸铁锂电池未来的一种预期。
新技术有戏没戏
“真正意义的能源安全就是氢能源,真正意义的新能源汽车是燃料电池汽车。”明天氢能董事长王朝云对于自己从事的新能源领域颇为自信。
之所以王朝云把燃料电池看作是真正的新能源,并不仅仅是因为他是相关从业者,更重要在于他对这项技术本质的理解。他表示,燃料电池只需要氢气和空气,有了氢就可以用燃料电池,可以通过电化学反应转化成电能和热。就这个观点而言,他说得不无道理。