意大利赢了英格兰,磷酸铁锂超了三元

撰文 / 钱亚光

编辑 / 张 南

设计 / 赵昊然

题图 / 皮 皮

7 月 8 日,特斯拉官网发布新增车型 Model Y 标准续航版,售价 27.6 万元。其价格之所以下探幅度能如此之大,关键是采用了宁德时代的磷酸铁锂电池。Model Y 近期月销量已经稳定过万,推出磷酸铁锂版车型,将会继续带动磷酸铁锂电池需求增长。

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至此,今年前 6 个月卖得最好的 10 款新能源车型中,五菱宏光 MINI EV、特斯拉 Model 3、特斯拉 Model Y、比亚迪汉 EV、广汽 Aion S,欧拉黑猫、奇瑞 eQ1、长安奔奔 EV 等所有纯电车型,或是全系采用磷酸铁锂电池,或是有了磷酸铁锂版本,排名在后面的纯电车型中,小鹏 P7、哪吒 V、零跑 T03 等也有磷酸铁锂车型。

不仅中国车企如此看好磷酸铁锂电池,海外市场上,包括特斯拉、大众、戴姆勒等巨头等海外新能源汽车主流企业均明确了磷酸铁锂电池路径。

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7 月 9 日,中国汽车动力电池产业创新联盟发布了 6 月份动力电池月度数据。6 月中国动力电池产量为 15.2GWh,同比增 184.3%,环比增 10.2%。其中,三元锂电池产量 7.4GWh,占比 48.4%,同比增 133.6%,环比增 47.1%;磷酸铁锂产量 7.8GWh,占比 51.2%,同比增 256.4%,环比降 11.3%。磷酸铁锂电池继 5 月份产量超出三元锂电池之后,6 月又一次实现了超越。

而 1-6 月,中国动力电池总产量 74.7GWh,其中三元锂电池 36.9GWh,占比 49.3%;磷酸铁锂电池 37.7GWh,占比 50.5%,磷酸铁锂电池占比也高于三元锂电池。

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不过在装车量上,三元锂电池还占据一定优势,1-6 月,中国动力电池装车量 52.5GWh,其中三元锂 30.2GWh,占比 57.5%;磷酸铁锂 22.2GWh,占比 42.3%。

随着补贴政策退坡,新能源汽车的发展从政策导向转向市场导向,磷酸铁锂电池包的改进与能量密度的提升,以及中低端市场的成本需求,让越来越多的电动汽车企业开始考虑更具成本优势的磷酸铁锂电池。

这么多热销车型采用磷酸铁锂电池,带动磷酸铁锂电池在产量上实现了反超。究其原因,既有偶然因素,也有必然因素。

在必然因素方面,磷酸铁锂电池安全性好、寿命长、成本低的固有特性,决定了其在更重视安全、全面市场化的发展方向下,肯定会更有市场;而补贴政策的退坡和补能设施的完善等客观因素,也让磷酸铁锂电池的劣势得到了弥补,优势更加突出;另外,近期锂电池原材料整体成本的上升,突显了磷酸铁锂电池的价格优势,是造成了其产量增加的偶然因素。

安全、寿命和成本优势

从电池特性上看,磷酸铁锂电池相比三元锂电池主要有以下优点:

首先,磷酸铁锂电池更为安全。因为磷酸铁锂电池的正极材料是磷酸铁锂,磷酸铁锂晶体就算是在高温度或者过充的时候也不会结构崩坏,快充或过充时安全性非常高,这也决定了磷酸铁锂电池的安全性更高。磷酸铁锂不含重金属,对环境污染较小。弗迪电池公司副总经理孙华军表示:” 在 500 ℃的温度下,磷酸铁锂材料结构稳定,但三元锂材料在 200 ℃左右就会发生分解,且化学反应较剧烈,容易引发热失控。”

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搭载三元锂电池的特斯拉、蔚来、比亚迪等车企的电动车都发生过起火事件。今年 6 月,采用 LG 化学三元锂电池的现代 KONA 电动汽车,在大规模召回 70% 以上出售车辆后,又在韩国和挪威连续发生起火事件。这不禁让消费者开始重新审视过度追求电池组能量密度带来的安全风险隐患,我国新颁布的《电动汽车用动力蓄电池安全要求》也增加了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的要求。

其次,磷酸铁锂电池稳定性耐久性更为优秀。磷酸铁锂放电功率高,无记忆效应,循环寿命高,循环了 3500 次才需要更换,而三元锂电池循环了 2000 次就需要更换了。也就是说,磷酸铁锂电池可以用 10 年以上,而三元锂电池的使用寿命最多只有 8 年。

第三,磷酸铁锂电池成本更容易控制。三元电池用了很多钴和镍,钴是一种稀缺金属,全球钴资源都非常稀缺,探明储量仅 750 万吨,超 45% 还集中在局势动荡的刚果 ( 金 ) ,国内储量仅占 1%,高度依赖进口。

华安证券的一份研报称,在极限测算下,磷酸铁锂电池较三元电池在正极和电芯层面分别有 55% 和 22% 的成本优势。在当前补贴方案下,即使考虑到补贴的差异,由三元锂电池换成磷酸铁锂电池也会带来 9~11% 的成本降低,在补贴退坡后这一降本效果则会更为显著。

针对磷酸铁锂电池单体电池能量密度较低、低温性能差、产品一致性略差等缺点,多家电池企业已经拿出了应对的解决方案。

比如比亚迪刀片电池直接将电池拉长,从而让空间利用率达到了 60%,让电池空间能量密度更高;宁德时代的 CTP 技术,除了能提升 15% 的电池包能量密度还能大量节省电池成本。

针对磷酸铁锂电池低温性能差的缺点,车企逐渐摸索出各种电池热管理技术,通过消耗少量电量给电池加热,实现汽车行驶时动力电池工作温度提升,大幅改善了磷酸铁理电池低温性能差的弱点。现在只要温度不低于零下 20 摄氏度,可以实现将锂离子活性降低幅度控制在 20% 以内。

补贴政策的变化

除了电池本身的原因,国家补贴政策的变化和电动汽车使用环境的变化,也推动了磷酸铁锂电池的超越。

2016 年底,国家调整新能源汽车推广补贴政策,首次将电池能量密度纳入补贴参考指标,提出 ” 纯电动乘用车动力电池系统的质量能量密度不低于 90Wh/kg,对高于 120Wh/kg 的按 1.1 倍给予补贴 “,而当时磷酸铁锂电池能量密度水平主要集中在 70Wh/kg-80Wh/kg 左右,无法享受这波政策优惠。当时新能源汽车国家、地方补贴最高可达 6.6 万元,装载磷酸铁锂电池的电动车,一辆会少拿 6600 元补贴。

当时电动汽车续航里程大多不超过 400 公里,而且水分不小,在消费者长续航需求和国家鼓励高能量密度电池的政策下,车企纷纷倒向三元锂电池阵营,就连过去一直坚持磷酸铁锂电池路线的比亚迪也开始全系车型搭载三元锂电池。2018 年以后,磷酸铁锂电池的市占率逐渐落后于三元电池。

安驰科技创始人、总经理徐小明在 2021 年中国汽车蓝皮书论坛上表示,由于政策驱动,从 2016 年到 2020 年,三元锂电池装车量占比出现持续暴涨。磷酸铁锂的装车量基本上没有增长,至少有 80% 的做磷酸铁锂动力电池的企业已经被淘汰了。

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2019 年新能源汽车的补贴退坡平均约 50%,让磷酸铁锂电池再次有了与三元锂电池一争高下的可能。2020 年 4 月,《关于完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》提出将补贴期限延长至 2022 年底,原则上 2020-2022 年补贴标准分别在上一年基础上退坡 10%、20%、30%。根据最新补贴政策情况,地补基本已退出,纯电动乘用车国补最高 1.8 万元,而且电池组质量能量密度再大也只能拿到 1 倍补贴。

与此同时,不少经过结构改良的磷酸铁锂电池也能拿到 0.8 倍补贴,而搭载比亚迪的刀片电池甚至可以拿到 0.9 倍补贴,和最高补贴的差距,已经远远低于装机 811 三元锂电池以及电池容量提升所带来的成本提升。

在电动汽车从政策驱动向市场驱动转变之后,汽车生产制造企业以及供应链成本压力增加。各家车企纷纷求变,试图缩减成本,面向更多的潜在消费者。如此背景之下,磷酸铁锂电池的成本优势也被突显出来。

用徐小明的话说就是:” 因为 2020 年国家对 PACK 能量密度的追求告一段落,将安全性的要求提到新的高度,磷酸铁锂的技术因为良好的稳定性、安全性以及卓越的成本优势再次站到舞台中央。”

补能环境的改善

工业和信息化部装备工业一司副司长郭守刚在 2021 中国汽车论坛的主题演讲中表示,” 十四五 ” 是我国汽车发展的重要时期,为此工信部提出四项重点内容,其中第三项是锚定智能网联发展方向,推进新能源充电、换电、加氢以及网络环境基础设施的建设。

住建部联合 15 部门发布《住房和城乡建设部等 15 部门关于加强县城绿色低碳建设的意见》中也提出,推广综合智慧能源服务,加强配电网、储能、电动汽车充电桩等能源基础设施建设。

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在国家政策鼓励下,众多企业的努力下,新能源汽车配套环境日趋完善。截至今年 4 月,全国已累计建设充电站 6.5 万座、换电站 644 座,各类充电桩 187 万个,建成覆盖 176 个城市、超过 5 万公里的高速公路快充网络。

据中国电动汽车充电基础设施促进联盟数据,截止 2021 年 6 月,全国充电基础设施(公共 + 私人)累计数量为 194.7 万台,同比增加 47.3%。

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截至 2021 年 6 月 30 日,特斯拉在中国大陆现已建成 870+ 座超级充电站、6700+ 个超级充电桩、700+ 座目的地充电桩,已经涵盖全国 320+ 个城市。2021 年特斯拉在上海投产超级充电桩工厂,初期规划年产能高达 10000 根,主要为 V3 超级充电桩。

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截至到 2021 年 7 月 9 日,蔚来在全国建设了 301 座换电站,204 座超充站,拥有充电桩 1606 根。目的地充电站 381 座、2135 根,接入第三方充电桩超过 38 万根。换电站 + 超充站 + 目的地充电站的总数是 885 座。

小鹏汽车的整体充电网络布局已达到 164 个城市,1140 个免费充电站,19019 个免费充电桩(部分为小鹏自建桩),预计 2021 年底将覆盖全国超过 200 个主要城市。

此外,大众(中国)、一汽股份、江淮汽车、万帮新能源合资组建了充电运营商 “CAMS 开迈斯 ” ,与小鹏汽车的模式类似,也采取了开放 + 部分封闭(地锁)相结合的运营模式。

目前主流电动车的续航里程达到 400-600 公里,加上充电设施的逐步完善,电动汽车消费者充电更加方便,对于电动汽车的里程焦虑进一步减弱,人们已经不再执着超长续航里程,而对电动汽车的安全更加重视,从而在消费端推动了磷酸铁锂电池的普及。

原材料价格波动的影响

全球新能源汽车销量大涨的同时,动力锂电池原料的供给却供不应求。动力电池生产环节,材料成本约占 80%,其中正极材料、负极材料、电解液和隔膜等四大材料占比较大,所以材料价格的波动对于电芯成本的影响最为明显。

截至 6 月 22 日,钴价为 354666.66 元 / 吨,与 2 月 9 日 331833.34 元 / 吨的价格相比,涨幅达到 6.9%。据生意社网站最新报价,7 月 6 日,电池级碳酸锂最新报价为 85000 元 / 吨,电池级氢氧化锂价格已达到 93000 元 / 吨,较今年年初已分别上涨 65.49% 和 89.80%。另外,电解液的核心原料六氟磷酸锂和部分溶剂和添加剂也都涨价,从而带动锂离子电池的正极材料和电解液两大原料价格均出现不同程度的上涨。

三元锂电池正极材料主要包括镍、钴、锰、锂四种元素。正极材料中各种元素的来源分别为硫酸镍、硫酸钴、硫酸锰以及碳酸锂。其负极材料主要使用天然石墨材料及人造石墨材料。

磷酸铁锂电池的正极材料磷酸铁锂,磷酸铁锂来源主要有草酸亚铁、铁红和磷酸铁等不同铁源以及碳酸锂、氢氧化锂等,其碳酸锂和氢氧化锂的消耗量远远低于三元锂电池。据有关资料显示,每 Gwh 磷酸铁锂电池消耗 549 吨碳酸锂、356 吨氢氧化锂;而三元镍钴锰是 710 吨碳酸锂、461 吨氢氧化锂;三元镍钴铝是 679 吨碳酸锂,441 吨氢氧化锂。负极材料是石墨或近似石墨结构的碳材料。

但在电池另一关键材料电解液上,磷酸铁锂电池的使用量要高于三元锂电池,目前磷酸铁锂电池中电解液使用量约 1500-1600 吨 /GWh,而三元电池中电解液使用量约 1100-1200 吨 /GWh,铁锂电池对电解液的需求量较三元电池高了约 30%。

由此可见,磷酸铁锂电池不含有镍、钴等价格昂贵的稀有金属,且其他共用原材料的消耗也低于三元锂,但电解液的消耗量要大于三元锂电池。

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综合起来看,在锂电池原材料整体上涨的情况下,由于磷酸铁锂材料对钴、镍和锂的需求和消耗远小于三元锂电池,即使在原材料涨价的情况下,与三元锂电池相比,性价比仍有优势。

根据彭博社在去年 12 月份发布的调查数据显示,全球市场三元锂电芯的价格已经下探至平均 102 美元 /kWh,而磷酸铁锂电芯则为 80 美元 /kWh。根据鑫椤资讯的统计,截至 2021 年 6 月末,国内三元电池包的价格为 0.78 元 /wh,磷酸铁锂电池的价格则为 0.63 元 /wh。

随着新能源汽车补贴大幅退坡甚至未来被取消,主机厂会越来越看重电池的成本,磷酸铁锂电池为车企降本提供了很好的条件,而磷酸铁锂电池的成本优势也为其产量和装车量的增长提供了基础。

磷酸铁锂最新进展

业内人士分析指出,未来磷酸铁锂需求量有望持续超预期,预计 2025 年中国磷酸铁锂需求量可达 207 万吨。随着近年来电池企业技术研发的进步,磷酸铁锂电池在能量密度、低温性能上的劣势正在得以弥补。

比亚迪是磷酸铁锂电池最坚定的支持者,比亚迪总裁王传福在 6 月 13 日的 2021 年中国汽车重庆论坛上表示:” 比亚迪刀片电池以一己之力把磷酸铁锂从边缘化拉回来。”

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2020 年 3 月,比亚迪推出磷酸铁锂 ” 刀片电池 “,通过阵列的方式排布,减少了冗余零部件,形成类似蜂窝铝板的结构。目前刀片电池电池包的能量密度是 140Wh/kg,体积利用率提升 50% 以上,未来将会在电芯层面从材料本身和设计方面进一步提升,预计到 2025 年有望大于 180Wh/kg。比亚迪表示磷酸铁锂电池材料仍有提升空间,在单体能量密度上也会通过材料体系和工艺的优化继续提升。

宁德时代是全球动力电池产量和装机量最大的企业,特斯拉、小鹏、蔚来等头部车企的供货商都是宁德时代,从财报不难看出,磷酸铁锂电池已经成为宁德时代取得更大盈利的全新增长点。

4 月 9 日,在上海交通大学新能源与新能源智能汽车企业家校友高端对话上,宁德时代董事长曾毓群曾表示,随着充电桩越来越多,消费者的里程焦虑症会缓解,电动汽车的续航里程就不需要那么长,因此磷酸铁锂比例会逐渐增加,三元锂占比会减少。宁德时代在未来 3-4 年间将逐渐增加磷酸铁锂电池产能占比,三元锂电池产能则会逐渐减少。

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宁德时代新能源科技有限公司技术副总裁、工程总监项延火长城汽车第 8 届科技节碳中和论坛上表示,宁德时代规划三代磷酸铁锂电池,支撑电动汽车的续驶里程 400-600+ 公里。在 2019 年之后,宁德时代大部分产品都是采用 CTP 集成技术,磷酸铁锂电芯能量密度在 180-200Wh/kg 区间内,体积能量密度可以做到 350-450Wh/L,下一代磷酸铁锂电芯的能量密度在 210-230Wh/kg,体积能量密度在 450-500Wh/L 之间。

国轩高科是目前磷酸铁锂电池单体能量密度记录的创造者。今年 1 月,国轩高科在第十届科技大会暨供应商大会上发布了单体能量密度达到 210Wh/Kg 的磷酸铁锂软包电芯。

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国轩高科高级副总裁徐兴无表示,新型磷酸铁锂电池主要采用了自主研发高性能正极材料、硅负极材料以及预锂化技术,电芯能量密度已超过了常规 NCM523 三元锂电池,接近 NCM622 的水平。国轩高科工程研究总院院长蔡毅表示:” 国轩新电解液配方能够提升铁锂电池低温性能超过 20%。”

在制作工艺上,国轩高科采用了 JTM(Jelly Roll to Module)技术,就是从卷芯直接到模组的一体化制造技术。JTM 产品采用了特殊材料和工艺制作的塑壳,以及更加高效集成的成组技术,使它以简单设计的合成理念,真正实现了从原材料,直接制备模组或电池包的最终目的。徐兴无表示,这种工艺非常简单,成本低,制造过程简单,易形成标准化。

长城旗下的蜂巢能源在三元、磷酸铁锂,方形、软包和圆柱都有涉及。蜂巢能源董事长兼 CEO 杨红新杨红新认为,磷酸铁锂会成为很长一段时间之内的一个很主流的解决方案,蜂巢能源没有必要放弃它。

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根据杨红新的预测,明年蜂巢能源磷酸铁锂电池的产量占比大概在 40% 左右,与三元占比基本差不多。在从蜂巢能源的电芯技术路线图看,2020 年底,他们已经做到磷酸铁锂正极 + 石墨负极 170Wh/Kg 的能量密度;2021 年,蜂巢能源就将实现采用蜂巢 ” 刀片电池 ” 的 CTP 技术;2022 年做到 200Wh/Kg,2023 年负极通过添加硅可以做到 230Wh/Kg。

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安驰科技也是以磷酸铁锂作为主要研发方向。据徐小明介绍,安驰科技通过超细铁锂粉体、离子电子传导网络等各项技术,研发出了宽温磷酸铁锂电池,零下 20 ℃无需加热直接充电,45 ℃循环 2000 次,高温情况下也可以有很长的寿命。

磷酸铁锂电池虽然在短期内占有成本优势,但单体能量密度能够做到 210Wh/kg 已经接近配方材料极限,而三元锂电池的能力密度极限却能够达到 350Wh/kg,而且安全性有望不断提升,未来的降价空间可能大于磷酸铁锂电池。在固态电池等新一代技术发展成熟之前,相信磷酸铁锂和三元的竞争在较长时期内共存,各自的材料体系在没有根本性变化的情况下,会努力实现持续进步。

虽然上半年磷酸铁锂电池在产量上领先,但在实际装车量上还落后于三元锂电池。从短期趋势来看,随着磷酸铁锂电池车型不断增加,性能不断改善,成本持续降低,相信磷酸铁锂电池装车量会有进一步上升。

不过,磷酸铁锂电池不仅会用于汽车,还会用于两轮与四轮低速电动车,以及用作储能电池,使用范围远比三元锂电池广泛,所以今年下半年装车量是不是能超过三元锂电池,目前看仍是未知数。

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