三元鋰離子電池被政策與對手圍攻，出路何在？

文｜Juice

電動汽車上普遍搭載的三元鋰離子電池，要被淘汰了？

五月十二日，工信部連發(fā)三道加急文書，頒布了一系列電動汽車強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，其中就包括一條“要求電池單體發(fā)生熱失控后，電池系統(tǒng)在5分鐘內(nèi)不起火不爆炸，為乘員預(yù)留安全逃生時間”。

這一條規(guī)定對目前使用最廣泛的三元鋰離子電池來說，可謂是重大打擊。

從此前發(fā)生的一些自燃事件來看，車用三元鋰離子電池在發(fā)生熱失控后，很快就燃起大火，并不符合上述5分鐘不起火的規(guī)定。

三元鋰離子電池正極材料中鎳元素的含量進(jìn)行提升能夠使大大提升電池的能量密度，這也可以為電動汽車帶來更長的續(xù)航里程，但鎳元素提升之后，電池更容易出現(xiàn)熱失控。

與磷酸鐵電池相比，在特殊發(fā)生熱失控后（比如針刺實(shí)驗(yàn)），三元鋰離子電池內(nèi)部的材料會發(fā)生分解，并隨著發(fā)生爆炸。而磷酸鐵電池則能保持穩(wěn)定。

政策之外，三元鋰離子電池還面對競爭對手——磷酸鐵電池的新一輪打擊。

比亞迪推出的刀片電池，用新的封裝方式，大幅提升了能量密度補(bǔ)上了自己的短板，再加上自身擁有更好的安全性和成本優(yōu)勢，迅速崛起。

比亞迪的旗艦電動汽車——漢，就搭載了刀片電池上市。而特斯拉，也為國產(chǎn)Model3換上了磷酸鐵電池。

新標(biāo)準(zhǔn)和新產(chǎn)品的出現(xiàn)，引起了業(yè)內(nèi)的激烈爭論。三元鋰離子電池和磷酸鐵電池各自的代表，寧德時代和比亞迪就為這事兒隔空“吵了起來?！?/p>

比亞迪在刀片電池公布會上放出針刺實(shí)驗(yàn)的結(jié)果后，巨頭寧德時代表示，電池安全和電池濫用測試是兩回事，但有些人把通過濫用測試等同于電池安全。

但隨后，比亞迪則強(qiáng)硬回復(fù)稱“不服？那也來扎一下吧！”。

那么三元鋰離子電池到底能不夠通過這個標(biāo)準(zhǔn)？三元鋰和磷酸鐵到底有何技術(shù)差異？三元鋰離子電池是不是真的要被淘汰了呢？從業(yè)內(nèi)專家的評論和各大公司的實(shí)際做法來看，其實(shí)已經(jīng)有了答案。

三元鋰遇政策重拳寧德時代比亞迪隔空斗法

近兩個月來已經(jīng)發(fā)生多起電動汽車著火的事故，為此，五月十二日，工信部連發(fā)三道加急文書，頒布了一系列電動汽車強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，其中就包括一條“要求電池單體發(fā)生熱失控后，電池系統(tǒng)在5分鐘內(nèi)不起火不爆炸，為乘員預(yù)留安全逃生時間”。

▲工信部頒布了一系列電動汽車強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)

這條強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)也被認(rèn)為是針對三元鋰離子電池的，從之前發(fā)生的自燃現(xiàn)象來看，多款搭載了三元鋰離子電池的電動汽車從自燃到著火也就在幾十秒內(nèi)。

此標(biāo)準(zhǔn)一出，一向以安全性著稱的磷酸鐵鋰離子電池又再次受到了大眾的關(guān)注。

比亞迪作為資深的磷酸鐵鋰離子電池玩家，在磷酸鐵鋰離子電池方面有了比較深的研究，三月份曾公布了刀片電池。在公布會現(xiàn)場，比亞迪副董事長何龍表示：“幾乎所有你能想到的電動汽車品牌都在和我們探討合作。”

這也從側(cè)面反映出了磷酸鐵鋰離子電池目前確實(shí)受到了很多車企的關(guān)注。

比亞迪總裁王傳福在刀片電池的公布上表示，在國內(nèi)的新能源乘用車領(lǐng)域，多個公司間存在續(xù)航攀比的現(xiàn)象，而提升續(xù)航的重要方法就是提升動力鋰離子電池的能量密度，這就導(dǎo)致了電池行業(yè)的發(fā)展跑偏了。

車企普遍選擇了能量密度更高的三元鋰離子電池，并且還在持續(xù)新增電池的能量密度，這就導(dǎo)致了電動汽車的自燃事頻頻發(fā)生。

隨后比亞迪還放了刀片電池和三元鋰離子電池在針刺實(shí)驗(yàn)下的不同結(jié)果，結(jié)果顯示，三元鋰離子電池在針刺實(shí)驗(yàn)下很快就爆炸了，表面溫度超過500攝氏度。

這也被外界視為比亞迪向?qū)幍聲r代發(fā)起的挑戰(zhàn)，之后寧德時代的董事長曾毓群親自回應(yīng)稱：“電池安全和電池濫用測試是兩回事，但有些人把通過濫用測試等同于電池安全?！?/p>

之后，比亞迪銷售副總經(jīng)理李云飛在微博上發(fā)文稱：“不服？那也來扎一下吧！”，這一回應(yīng)算是將兩者之間的暗戰(zhàn)提升到了明戰(zhàn)的狀態(tài)。

五月二十二日，寧德時代公布了一則視頻，視頻顯示，在進(jìn)行針刺實(shí)驗(yàn)時，鋼針并沒有穿過電池包，而且還被電池外包裝的鋼板折斷了。

但視頻發(fā)出后，也引起了部分網(wǎng)友的不滿，有網(wǎng)友認(rèn)為，針刺實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)是為了模擬電池短路，而不是刺進(jìn)或刺不進(jìn)，還有人稱寧德時代掌握了電池外殼的核心技術(shù)。

既然目的沒達(dá)到，五月二十三日晚上，寧德時代又放出了一則視頻，視頻中，寧德時代的5系和8系三元鋰離子電池都成功通過了針刺測試，這兩款電池在針刺和靜止1小時后，電池未出現(xiàn)劇烈的升溫和爆炸現(xiàn)象。

在視頻的最后，寧德時代表示：“寧德時代早在2017年就已經(jīng)掌握了三元電芯通過針刺測驗(yàn)的技術(shù)，但是為何沒有推廣？通過針刺測驗(yàn)=電池安全嗎？”

目前，李云飛又回應(yīng)稱針刺測試未短路就是失敗了，而寧德時代方面還有消息傳出說要放出第三則視頻，國內(nèi)動力鋰離子電池行業(yè)的兩個巨頭之間的爭論還將繼續(xù)。

但搭載了三元鋰離子電池的電動汽車屢屢發(fā)生自燃，磷酸鐵鋰離子電池和政策的一步步打壓也都讓三元鋰離子電池處在風(fēng)口浪尖，那么為何會出現(xiàn)這樣的情況呢？

三元鋰pk磷酸鐵成本與安全處于劣勢

要想搞明白三元鋰離子電池現(xiàn)在處境的原因，還要從三元鋰離子電池的自身來說起。

安全性不強(qiáng)是目前三元鋰離子電池最顯著的問題，由于NCM電池的用戶比較多，我們重要來看一下這種電池，根據(jù)鎳與鈷、錳元素比例的不同，NCM電池又可以分為兩類，一類是鎳錳等量型，另一類是鎳錳不等量型。

如NCM424和NCM111就是典型的鎳錳等量型電池，但隨著車企對電動汽車?yán)m(xù)航能力要求的提升，三元鋰離子電池的能量密度不斷推高，高鎳路線也不斷明確。

所以以NCM523、NCM622和NCM811為代表的高鎳型三元鋰離子電池是目前電池廠的主流路線。由于提升鎳元素可以讓電池具備更高的容量，所以現(xiàn)在電池廠都已經(jīng)在生產(chǎn)容量最高的NCM811電池了。

▲寧德時代動力鋰離子電池

而在8系三元鋰離子電池之后，鎳元素含量超過90%的9系三元鋰離子電池正在蓄勢待發(fā)。據(jù)高工鋰電報道，知名鋰電材料供應(yīng)商格林美目前已經(jīng)完成了鎳元素摩爾比例分別達(dá)到90%、92%、95%的Ni90、Ni92、Ni95等三元前驅(qū)體材料的研發(fā)與量產(chǎn)。

但凡事都有正反兩面，隨著能量密度的不斷提升，電池的安全隱患也在與日俱增。

有研究表明，隨著三元鋰離子電池正極材料中鎳元素的富集，電池的容量保持能力與熱穩(wěn)定性出現(xiàn)了下降。

當(dāng)NCM三元鋰離子電池正極的鎳含量超過60%，NCA三元鋰離子電池正極的鎳含量超過80%，在經(jīng)過一定次數(shù)的循環(huán)后，電池正極材料中的微裂紋顯著新增，電極阻抗增大，正極開始向電芯中析出大量的氧氣。而且在電池溫度達(dá)到250攝氏度～350攝氏度時，三元鋰離子電池內(nèi)部的化學(xué)成分就會發(fā)生分解。

這一現(xiàn)象會造成兩個后果，一是由于微裂紋新增，電池的壽命會受到影響；二是由于氧氣的出現(xiàn)容易導(dǎo)致電池?zé)崾Э氐某霈F(xiàn)，而熱失控則會引發(fā)電池起火爆炸。

而磷酸鐵鋰離子電池則是采用了磷酸鐵鋰作為電池的正極材料，磷酸鐵鋰晶體中的P-O鍵難以分解，就算是在非常高的溫度或者過充的時候也不會結(jié)構(gòu)崩壞，當(dāng)電池的溫度處在500攝氏度～600攝氏度的高溫時，其內(nèi)部的化學(xué)成分才開始分解。

正是這一特性才使得磷酸鐵鋰離子電池的使用壽命會更長，而就算發(fā)生了熱失控的現(xiàn)象，磷酸鐵鋰離子電池也不會像三元鋰離子電池那般容易著火。

▲比亞迪刀片電池和其他電池的針刺測試結(jié)果比較

即使發(fā)生了著火現(xiàn)象，磷酸鐵鋰離子電池也更容易處理，磷酸鐵鋰離子電池的燃燒要外部供應(yīng)氧氣，一旦切斷了氧氣，火就可以熄滅，所以常規(guī)的滅火方法都可以滅火。

而三元鋰離子電池著火后，電池內(nèi)部還會持續(xù)發(fā)熱，用普通的干粉滅火器能將明火滅掉，但并不能降低內(nèi)部溫度，可能會導(dǎo)致二次燃燒，因而只能用水持續(xù)降溫滅火，這也會新增滅火的難度。

此外，三元鋰離子電池的成本居高不下也是一個缺點(diǎn)。三元鋰離子電池就是正極材料中采用了鎳鈷錳或鎳鈷鋁等金屬元素的電池，目前國內(nèi)用的比較多的是鎳鈷錳（即NCM）電池，而特斯拉采用的則是鎳鈷鋁（即NCA）電池。

但無論是NCM電池還是NCA電池，都脫不開對鈷元素的使用，鈷是一種稀缺金屬，產(chǎn)量少且分布不均，美國地質(zhì)勘探局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，全球陸地鈷資源的儲量約為700萬噸，其中剛果（金）的儲量占比為52%、澳大利亞儲量占比為17%，古巴的儲量占比為7%，其他國家的儲量則非常低。

正是對鈷金屬的需求才導(dǎo)致三元鋰離子電池的成本居高不下，據(jù)公開資料顯示，目前三元鋰離子電池的度電成成本在1000元左右，而磷酸鐵鋰離子電池的度電成本可以控制在600元內(nèi)。

綜合來看，三元鋰離子電池的優(yōu)缺點(diǎn)都很明顯，較高的能量密度能夠?yàn)殡妱悠嚬?yīng)更長的續(xù)航里程，但安全性差也是懸在空中的一把利劍，有關(guān)汽車來說，安全性又是重中之重，因而三元鋰離子電池受到打壓就不奇怪了。

特斯拉與比亞迪轉(zhuǎn)用磷酸鐵裝機(jī)量持續(xù)上升

雖然三元鋰離子電池存在安全問題，但是因?yàn)槠淠芰棵芏雀撸芏嘬嚻笕匀贿x擇這種電池，但比亞迪的刀片電池基本上解決了能量密度的問題，又擁有更高的安全性，使得磷酸鐵鋰的市場占有情況也發(fā)生了一些變化。

目前，國內(nèi)的磷酸鐵鋰離子電池的裝機(jī)量開始上升，甚至特斯拉、比亞迪的王牌車型，也開始從三元鋰離子電池?fù)Q裝為磷酸鐵鋰離子電池了。

今年三月二十九日，比亞迪正式公布了刀片電池，并且還表示這款電池將會首先搭載到比亞迪漢上，在采用了刀片電池后，比亞迪漢的NEDC續(xù)航里程將超過600公里。

而在2015年，比亞迪推出的宋DM車上也采用了三元鋰離子電池，2017年推出的秦EV和e5車型也采用了三元鋰離子電池，這說明比亞迪也曾在技術(shù)路線上進(jìn)行過糾結(jié)。

而現(xiàn)在，比亞迪漢EV、比亞迪宋Plus等旗艦車型都將采用刀片電池，這也可以看出比亞迪堅定了繼續(xù)走磷酸鐵鋰離子電池的道路。

在刀片電池的公布會現(xiàn)場，比亞迪副總裁何龍表示：“幾乎你能想到的所有汽車品牌，都在和我們探討基于刀片電池技術(shù)的合作方法，相信大家很快就能看到、聽到刀片電池更多精彩的消息?！?/p>

除了比亞迪，全球第一大的電動汽車生產(chǎn)商也將要采用磷酸鐵鋰離子電池了。

五月二十二日，工信部公布了第333批《道路機(jī)動車輛生產(chǎn)公司及產(chǎn)品》，其中再次出現(xiàn)了特斯拉Model3，從申報的信息來看，這款Model3的電池?fù)Q成了磷酸鐵鋰離子電池。

▲國產(chǎn)Model3采用了磷酸鐵鋰離子電池

據(jù)了解，特斯拉的磷酸鐵鋰離子電池將會由寧德時代供應(yīng)，有媒體報道稱寧德時代的磷酸鐵鋰模組度電成本已經(jīng)降到了500元以內(nèi)，電池組的成本將會在600元以下。而此前特斯拉所用的高鎳三元鋰離子電池度電成本在1000元左右。這樣一來，國產(chǎn)Model3的價格有望進(jìn)一步下降。

目前，特斯拉的全球銷量已經(jīng)超過了100萬輛，而比亞迪電動汽車的全球銷量也快接近100萬輛了，這兩家公司是世界上最大的兩個電動汽車生產(chǎn)商，他們都采用了磷酸鐵鋰離子電池，這有關(guān)其他車企的影響將會是巨大的，在未來可能會有更多的車企選擇磷酸鐵鋰離子電池。

正是由于這些原因的影響，目前磷酸鐵鋰離子電池的裝機(jī)量也在穩(wěn)步提升。我國汽車動力鋰離子電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟公布的數(shù)據(jù)顯示，2020年四月份，國內(nèi)三元電池裝機(jī)量約2.6GWh，占比為73.2%，環(huán)比上升17.8%。磷酸鐵鋰離子電池的裝機(jī)量為0.9GWh，占比25.8%，環(huán)比上升74.1%

雖然目前磷酸鐵鋰離子電池的銷量提升重要跟商用車產(chǎn)銷的上升分不開，但隨著國產(chǎn)Model3、比亞迪漢逐步搭載磷酸鐵鋰離子電池，可能將會有更多的車企采用磷酸鐵鋰離子電池，磷酸鐵鋰離子電池的市場份額也會進(jìn)一步提升。

三元鋰有未來三大方向?qū)崿F(xiàn)技術(shù)突破

看到這里，你可能會問，按這么說三元鋰離子電池是不是就沒有希望了，未來終將是磷酸鐵鋰的天下了嗎？

但事實(shí)并非如此，很多電池公司已經(jīng)認(rèn)識到了三元鋰離子電池存在的問題了，并且已經(jīng)在積極的尋求解決方法，寧德時代通過加固電池外殼也能應(yīng)對針刺實(shí)驗(yàn)，并且還展示了其三元鋰離子電池通過針刺實(shí)驗(yàn)的視頻。

不過，目前三元鋰離子電池的發(fā)展也確實(shí)到了瓶頸，還要更多的技術(shù)突破才能持續(xù)發(fā)展，而LG化學(xué)、蜂巢能源和三星都已經(jīng)在研究新的技術(shù)了。

在今年三月四日通用的“EVweek”活動上，通用與它的合作伙伴LG化學(xué)一同推出一款新的電池產(chǎn)品Ultium。

▲通用新電池Pack

這款產(chǎn)品的核心并不是被外界吹得神乎其神的電池包技術(shù)，其關(guān)鍵在于，Ultium電池的電芯將會使用LG化學(xué)最新研發(fā)的NCMA四元鋰離子電池。

這款電池的技術(shù)原理是通過向NCM三元鋰正極材料，混入少量的鋁元素，使原本性質(zhì)活躍的高鎳三元正極材料在保持高能量密度的同時，也能維持較穩(wěn)定的狀態(tài)。

在這一轉(zhuǎn)變過程中，原本NCM三元體系的Li[Ni-Co-Mn]O2正極材料體系變成了Li[Ni-Co-Mn-Al]O2（正極材料的化學(xué)構(gòu)成發(fā)生了改變）。

過渡金屬鋁元素的加入所形成的Al-O化學(xué)鍵強(qiáng)度遠(yuǎn)大于Ni(Co，Mn)-O化學(xué)鍵，從化學(xué)性質(zhì)上增強(qiáng)了正極的穩(wěn)定性，進(jìn)而使得NCMA四元電池H2—H3不可逆相變的電壓在經(jīng)過多次循環(huán)后仍然保持穩(wěn)定狀態(tài)，且Li元素在正極的脫嵌過程中不易釋放氧元素，減少了過渡金屬的溶解，提升了晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

而穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)則減少了充放電循環(huán)過程中，正極材料微裂紋的形成，正極阻抗的上升速度得到抑制。

與此同時，有研究表明，NCMA的正極材料放熱峰值反應(yīng)溫度為205攝氏度，高于NCA正極材料的202攝氏度與NCM正極材料的200攝氏度，這意味著NCMA正極材料的熱穩(wěn)定性更加優(yōu)秀。

▲通用與LG合作的電池

值得注意的是，NCMA四元正極材料中，成本最為昂貴的鈷元素，含量從NCA/NCM622中的20%下降至5%，成本進(jìn)一步降低。按照LG與通用公布的數(shù)字，NCMA四元電池的量產(chǎn)成本為100美元（約合人民幣694元），而此前，LG化學(xué)NCM622的量產(chǎn)成本約為148美元（約合人民幣1027元）。

高能量密度、高穩(wěn)定性、低成本，原本在NCA/NCM三元鋰離子電池上難以同時實(shí)現(xiàn)的特性，在NCMA四元鋰離子電池上達(dá)成，有關(guān)動力鋰離子電池產(chǎn)品而言，NCMA的量產(chǎn)將會掀起一股技術(shù)路線升級的浪潮。

而五月十九日，長城汽車的動力鋰離子電池公司蜂巢能源公布的L6薄片無鈷長電芯徹底去除了三元鋰中成本最高的鈷元素。

蜂巢陽離子摻雜技術(shù)采用兩種化學(xué)鍵能更大的元素?fù)诫s到材料中替代鈷，通過強(qiáng)化學(xué)鍵穩(wěn)定氧八面體結(jié)構(gòu)，減少鋰鎳混排，改善了材料的穩(wěn)定性，可以在4.3V~4.35V電壓下穩(wěn)定工作，使能量密度提高，成本降低。

▲蜂巢能源L6薄片無鈷長電芯

同時，蜂巢能源還采用了單晶技術(shù)，與多晶材料相比，單晶材料在輥壓過程中具有更強(qiáng)的顆粒強(qiáng)度和更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，耐壓力強(qiáng)度可以提高10倍。正因如此，無鈷材料的使用壽命會更長，電芯壽命也比多晶高鎳三元高出70%。

此外，蜂巢能源還采用了納米網(wǎng)絡(luò)包覆技術(shù)，在單晶表面包覆一層納米氧化物，可以減少正極材料與電解液的副反應(yīng)，有效改善了高電壓下的材料循環(huán)性能。

這三項(xiàng)技術(shù)的加持，使得蜂巢能源的無鈷電池在三元鋰離子電池的基礎(chǔ)上降低了生產(chǎn)成本，提升了電池的安全性和使用壽命，也將會成為三元鋰離子電池的下一步出路之一。

在四元鋰離子電池和無鈷電池之外，還有一部分電池公司在研究固態(tài)鋰離子電池。顧名思義，固態(tài)電池的核心就在于把液態(tài)電解質(zhì)轉(zhuǎn)變成固體電解質(zhì)。

固態(tài)電解質(zhì)不會發(fā)生自燃、沒有腐蝕性、不會泄漏和揮發(fā)，因?yàn)橐膊粫?dǎo)致車輛自燃，安全性非常高。但目前，固態(tài)電池的生產(chǎn)技術(shù)還是一大難點(diǎn)，現(xiàn)階段的固態(tài)電解質(zhì)電導(dǎo)率總體低于液態(tài)電解液，現(xiàn)在固態(tài)電池的性能偏低。

但三星在今年三月份發(fā)出報告稱其在全固態(tài)電池的量產(chǎn)之路上取得了突破性的進(jìn)展。

據(jù)介紹，三星的全固態(tài)電池將實(shí)現(xiàn)900Wh/L（差別于Wh/kg的計量單位，因不同材料密度不同，二者不可換算）的能量密度，1000次以上的充放電循環(huán)以及99.8%的庫倫效率（也可稱為充放電效率），我國目前較為先進(jìn)的固態(tài)電池技術(shù)雖然同樣也能夠?qū)崿F(xiàn)1000次以上的充放電循環(huán)，但在庫倫效率方面目前還達(dá)不到接近100%的程度。

▲三星在《自然-能源》雜志上發(fā)表論文

此外，三星通過引入銀碳復(fù)合負(fù)極、不銹鋼（SUS）集電器、輝石型硫化物電解質(zhì)以及特殊材料涂層，對固態(tài)電池的負(fù)極、電解質(zhì)與正極進(jìn)行了處理，有效解決了鋰枝晶生長、低庫倫效率與界面副反應(yīng)，這三大固態(tài)電池量產(chǎn)所面對的核心問題，推動固態(tài)電池技術(shù)離產(chǎn)業(yè)化更進(jìn)一步。

總的來看，電池公司們并不愿意舍棄三元鋰的高能量密度，所以一直在三元鋰離子電池的變種上下功夫。

隨著他們的不斷攻堅，四元鋰離子電池、無鈷電池、固態(tài)電池等新的電池都量產(chǎn)不遠(yuǎn)了，在下一階段的競爭中，三元鋰離子電池的變體們還有可能會引領(lǐng)電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。

結(jié)語：給三元鋰離子電池判死刑還為時尚早

有關(guān)磷酸鐵鋰離子電池和三元鋰離子電池技術(shù)爭論一直都在，國內(nèi)的兩個動力鋰離子電池廠商寧德時代和比亞迪此前各自堅定的走差異化道路。

但近些年，雖然三元鋰離子電池的安全事故開始新增，磷酸鐵鋰離子電池大有崛起之時，而特斯拉采用磷酸鐵鋰離子電池則更加引起了輿論風(fēng)向。

一時間，三元鋰離子電池將被判死刑，三元鋰離子電池已死等言論層出不窮。但就現(xiàn)實(shí)情況來啊可能，三元鋰離子電池仍然是出貨量最高的電池類型，磷酸鐵鋰離子電池會因?yàn)榘踩远@得一定的市場，但也無法完全顛覆三元鋰離子電池。

更何況，目前三元鋰離子電池的玩家都還在研究升級三元鋰離子電池，隨著更多安全性更高、成本更低、能量密度更高的三元鋰離子電池變種的出現(xiàn)，三元鋰離子電池還將會繼續(xù)繁榮。所以說，現(xiàn)在給三元鋰離子電池判死刑還為時尚早。