鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量:903次 | 2021年04月07日
磷酸鐵鋰離子電池是我國(guó)汽車動(dòng)力鋰電池的最佳選擇嗎
磷酸鐵鋰和三元鋰電各有各的優(yōu)勢(shì),也各有各的缺點(diǎn)。要論經(jīng)濟(jì)性、能量密度和一致性三元鋰電要優(yōu)于磷酸鋰;但從長(zhǎng)遠(yuǎn)上來(lái)看,磷酸鐵鋰循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全性能好又是三元鋰電難以企及的。
汽車作為生活生產(chǎn)消費(fèi)品,安全是最重要的。特斯拉采用三元鋰電作為動(dòng)力鋰電池曾經(jīng)造成五周之內(nèi)三次著火,沒(méi)有造成太嚴(yán)重的后果全倚賴特斯拉先進(jìn)的整車安全設(shè)計(jì)。但放眼全球,又有幾家公司能將整車安全設(shè)計(jì)完善到特斯拉的程度呢?
綜合各種外部因素和內(nèi)部條件的考慮,磷酸鐵鋰才是新能源汽車的核心,我國(guó)的新能源汽車行業(yè)要獲得長(zhǎng)足發(fā)展,磷酸鐵鋰離子電池終究不可或缺。當(dāng)然,如何有效解決磷酸鐵鋰正極材料燒結(jié)制備較為復(fù)雜從而導(dǎo)致材料生產(chǎn)成本過(guò)高、穩(wěn)定性和一致性較差的問(wèn)題;如何解決磷酸鐵鋰低溫性能較差的問(wèn)題;如何研發(fā)改性磷酸鐵鋰離子電池提高能量密度的問(wèn)題,都是我們能否在汽車動(dòng)力鋰電池上實(shí)現(xiàn)彎道超車的關(guān)鍵。
從電動(dòng)汽車列入國(guó)家863高科技發(fā)展計(jì)劃,到新能源汽車產(chǎn)業(yè)列入國(guó)家七大戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè),國(guó)家四部委從2009年開(kāi)始執(zhí)行兩輪新能源汽車補(bǔ)貼政策,我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)近十年來(lái)得到了快速的發(fā)展,但我國(guó)新能源汽車動(dòng)力鋰離子電池的發(fā)展一直存在方向性爭(zhēng)議---錳酸鋰、三元鋰、磷酸鐵鋰之爭(zhēng)始終沒(méi)有平息。
拋開(kāi)復(fù)雜的技術(shù)孰優(yōu)孰劣之爭(zhēng),我們只要搞清楚我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)要得到快速發(fā)展,真正能實(shí)現(xiàn)彎道超車的關(guān)鍵因素和依托點(diǎn)到底是什么,那么,新能源汽車動(dòng)力鋰離子電池的方向選擇,就不應(yīng)該是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。
充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
事實(shí)上,這些關(guān)鍵因素和依托點(diǎn),業(yè)界早已形成了共識(shí):一是,我國(guó)新能源汽車的發(fā)展,必須保證使用安全可靠、性能穩(wěn)定和成本低廉的動(dòng)力鋰電池,其中,安全可靠是首位的,沒(méi)有安全就不會(huì)有新能源汽車產(chǎn)業(yè)的未來(lái);二是,在技術(shù)上應(yīng)該能超越和領(lǐng)先發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)的,而非總是處于追趕狀態(tài),只有這樣,我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)才能真正實(shí)現(xiàn)彎道超車。
搞清楚了我國(guó)新能源汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素和依托,針對(duì)我們行業(yè)的現(xiàn)實(shí)情況,再來(lái)比較一下三元和磷酸鐵鋰的現(xiàn)狀與發(fā)展方向。
一、假如繼續(xù)發(fā)展三元,我們的動(dòng)力鋰離子電池將永遠(yuǎn)處于追趕狀態(tài),不僅實(shí)現(xiàn)不了彎道超車,而且將喪失新能源汽車的安全性。
目前,改性錳酸鋰和三元鋰的核心技術(shù),都掌握在日韓公司手中。尤其是三元鋰,無(wú)論是技術(shù)、工藝還是設(shè)備,日韓行業(yè)龍頭都已達(dá)到非常成熟穩(wěn)定階段。
目前,三洋、松下和三星SDI的18650三元鋰離子電池,容量已做到3.1AH以上,而國(guó)內(nèi)最知名的三元鋰離子電池公司的18650電池,容量也不過(guò)做到2.2AH左右。三洋、松下和三星SDI批量生產(chǎn)的18650三元鋰離子電池,在電壓、容量、內(nèi)阻、放電平臺(tái)、恒流比等幾項(xiàng)關(guān)鍵電池指標(biāo)的一致性已超過(guò)90%,可以不用分容配檔即可成組,而國(guó)內(nèi)很優(yōu)秀的三元鋰電生產(chǎn)公司也無(wú)法做到。
標(biāo)稱電壓:28.8V
標(biāo)稱容量:34.3Ah
電池尺寸:(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域:勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
假如我國(guó)新能源汽車動(dòng)力鋰電池的發(fā)展方向定位于發(fā)展三元鋰電,不僅長(zhǎng)期處于追趕日韓公司狀態(tài),而且因缺乏關(guān)鍵技術(shù)、工藝和設(shè)備,已陷入到了一個(gè)發(fā)展瓶頸。
以容量提升為例,國(guó)內(nèi)很優(yōu)秀的18650型三元鋰離子電池,容量在2.2AH左右已不斷出現(xiàn)安全問(wèn)題,假如沒(méi)有大的技術(shù)和工藝突破,僅在材料改性方面或提高極片壓實(shí)密度來(lái)提升容量,不僅會(huì)大幅降低電池的循環(huán)性能,更嚴(yán)重的是,三元鋰電的安全性問(wèn)題會(huì)更加突出。
使用安全,是新能源汽車發(fā)展三大關(guān)鍵要素之首。特斯拉采用了三元鋰電中最好的松下電池,也防止不了五周之內(nèi)三次著火。萬(wàn)幸的是,有特斯拉先進(jìn)的整車安全設(shè)計(jì)才沒(méi)有引發(fā)人身傷亡,而我國(guó)新能源汽車公司在整車安全設(shè)計(jì)方面,又有幾家能達(dá)到特斯拉的水平?
技術(shù)嚴(yán)重受制于日韓公司,規(guī)模也遠(yuǎn)不如日韓公司巨頭。三星SDI今年一次性將18650-2.2AH的電池銷售價(jià)格降至1美元/只,幾乎將國(guó)內(nèi)同行逼上絕境。
在國(guó)內(nèi)三元?jiǎng)恿︿囯姵匦阅芎蛢r(jià)格都無(wú)法與日韓巨頭相比的情況下,假如我們?cè)谛履茉雌噭?dòng)力鋰電池上堅(jiān)持三元路線,恐怕我們還在追趕路上,就已經(jīng)被國(guó)際巨頭給扼殺了,更無(wú)從談什么彎道超車。最終結(jié)果將跟傳統(tǒng)汽車發(fā)展相同,高端車和核心技術(shù)依然源自國(guó)際巨頭,即使我們讓出了市場(chǎng)也換不回核心技術(shù)。
磷酸鐵鋰離子電池則不同。日韓公司基本沒(méi)有涉足,國(guó)際重要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手來(lái)自美國(guó)。雖然兩個(gè)基礎(chǔ)專利有一個(gè)在美國(guó)(A123和Valence是美國(guó)磷酸鐵鋰離子電池的重要代表),但我國(guó)與美國(guó)的技術(shù)水平相差不大,而且我國(guó)是全球在磷酸鐵鋰領(lǐng)域投入最大、產(chǎn)銷量最多的國(guó)家。
隨著萬(wàn)向集團(tuán)收購(gòu)了A123,事實(shí)上我國(guó)公司已經(jīng)掌握了磷酸鐵鋰離子電池全球最高端的技術(shù)和工藝。而磷酸鐵鋰離子電池在安全性和循環(huán)壽命上相關(guān)于三元鋰電的絕對(duì)優(yōu)勢(shì),正是我國(guó)新能源汽車關(guān)鍵要素所在和發(fā)展所需。只要明確其發(fā)展地位,加大投入固化這一優(yōu)勢(shì),我國(guó)新能源汽車就完全有彎道超車的可能。
二、選擇三元,頂層設(shè)計(jì)缺乏前瞻性,全球鎳、鈷資源緊張,其大量應(yīng)用將導(dǎo)致市場(chǎng)價(jià)格暴漲,尤其我國(guó)這兩種元素的貯量根本無(wú)法支撐。
三元鋰電的材料配方,無(wú)論是鎳鈷錳酸鋰,還是鎳鈷鋁酸鋰,都離不開(kāi)兩種貴金屬,即鈷和鎳。這兩種金屬在我國(guó)都很匱乏,在全球儲(chǔ)量也有限。其中,我國(guó)鈷的使用量90%以上都要進(jìn)口,鎳重要用于不銹鋼生產(chǎn),這兩種貴金屬都有國(guó)際期貨交易,價(jià)格不僅高且波動(dòng)很大。
假如我國(guó)確定以三元鋰電為重要的動(dòng)力鋰電池發(fā)展路線,按照政府規(guī)劃,到2020年,新能源汽車產(chǎn)量達(dá)到200萬(wàn)輛,新能源汽車保有量達(dá)到500萬(wàn)輛。按每輛新能源汽車動(dòng)力鋰電池平均帶電量80KWH計(jì)算,500萬(wàn)輛新能源汽車所需電池就達(dá)4000億WH電池,這還不包括用于更換和備用的電池。這種需求一旦推向市場(chǎng),將很快推動(dòng)鈷、鎳期貨價(jià)格暴漲,從而帶動(dòng)其現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格暴漲,三元鋰電未來(lái)的價(jià)格走勢(shì)將直線上升。
我國(guó)新能源汽車推廣沒(méi)有達(dá)到政策預(yù)期目標(biāo)的一個(gè)很大的原因,就是價(jià)格居高不下。其中,最重要的原因,就是占據(jù)新能源汽車成本近50%的動(dòng)力鋰離子電池價(jià)格居高不下。三元路線的結(jié)果,就是新能源汽車價(jià)格更高,要求政府的補(bǔ)貼也要更多,永遠(yuǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化推廣。
磷酸鐵鋰離子電池則剛好相反,不含任何貴金屬,而且生產(chǎn)正極材料的重要原料氧化鐵、碳酸鋰在我國(guó)儲(chǔ)量非常豐富。假如下游新能源汽車市場(chǎng)需求放大,其上游材料在規(guī)模效應(yīng)的推動(dòng)下,成本將直線下降,占據(jù)磷酸鐵鋰離子電池成本超過(guò)30%的正極材料價(jià)格的下降,將促使磷酸鐵鋰離子電池價(jià)格的迅速下降。
三、整車安全設(shè)計(jì)上,我國(guó)新能源汽車使用三元鋰電作為動(dòng)力鋰電池,會(huì)存在巨大安全隱患。
特斯拉三次著火中,其中一次為金屬片劃破電池引發(fā)的,但因特斯拉整車安全設(shè)計(jì)完善,三次著火并沒(méi)有引起人員傷亡。三元材料的脫氧溫度是200℃,放熱能量超過(guò)800J/g,三元鋰電無(wú)法通過(guò)針剌實(shí)驗(yàn),表明了三元電池在內(nèi)部短路的情況下,很容易引發(fā)安全事故。
目前,我國(guó)新能源汽車整車安全設(shè)計(jì),短時(shí)間內(nèi)根本無(wú)法達(dá)到特斯拉的水平,使用三元鋰電作為新能源汽車動(dòng)力鋰電池存在巨大安全隱患。事關(guān)乘客人生安全,這種安全隱患哪怕是十萬(wàn)分之一的發(fā)生概率,也是不能接受的。
磷酸鐵鋰離子電池在高溫下的穩(wěn)定性,可達(dá)390℃以上,保證了電池內(nèi)在的高安全性,不會(huì)因過(guò)充、溫度過(guò)高、短路、撞擊而出現(xiàn)爆炸或燃燒,可以輕松通過(guò)針剌實(shí)驗(yàn)。這一安全性特點(diǎn),對(duì)我國(guó)還處于幼稚期的新能源汽車產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō),是最合適的。
四、從我國(guó)新能源汽車使用對(duì)象的消費(fèi)特點(diǎn)和習(xí)慣來(lái)看,三元鋰電并不適合做我國(guó)新能源汽車動(dòng)力鋰電池。
特斯拉被稱為富人的玩具,裝配電池容量設(shè)計(jì)續(xù)航里程為400KM,但大多時(shí)候,實(shí)際運(yùn)行也就200KM左右,屬淺充淺放,因而循環(huán)壽命有所保障。但我國(guó)新能源汽車大多用于公交、政府公務(wù)、專用車和居民乘用車,其使用特點(diǎn)是,每天大多有固定線路和頻次要求,屬深充深放,三元鋰電在DOD95%以上的條件下,容量衰減速度很快,循環(huán)壽命僅為磷酸鐵鋰離子電池的一半不到。
新能源汽車平均使用8年以上,動(dòng)力鋰離子電池假如處于深充深放的條件下,維持80%以上的容量,三元鋰電使用壽命將不到三年,而磷酸鐵鋰離子電池基本可以滿足8年的使用要求。
在目前國(guó)家相關(guān)補(bǔ)貼政策的條件下,首次購(gòu)買新能源汽車有政府相應(yīng)補(bǔ)貼,但二次采購(gòu)電池并無(wú)補(bǔ)貼。三元鋰離子電池在新能源汽車使用周期內(nèi),要更換兩次電池,將極大新增使用者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān),而不會(huì)為終端使用者所接受。
假如三元鋰電要獲得與磷酸鐵鋰相同的使用壽命,其只能淺充淺放,需新增至少50%以上的電池容量。如此,其能量密度較高的優(yōu)勢(shì)將喪失,體積將比同性能磷酸鐵鋰離子電池大,電池重量也會(huì)更重,其價(jià)格更是遠(yuǎn)高于磷酸鐵鋰離子電池。
2011年五月,裝配了韓國(guó)LG化學(xué)三元?jiǎng)恿︿囯x子電池的美國(guó)通用最經(jīng)典混合動(dòng)力汽車沃藍(lán)達(dá),在美國(guó)進(jìn)行碰撞測(cè)試。第二次測(cè)試發(fā)生了濃煙和明火,第三次測(cè)試七天后發(fā)生了自燃,因此受到美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局NHTSA的調(diào)查,加上投入市場(chǎng)僅一年的近6000臺(tái)沃藍(lán)達(dá),因批量出現(xiàn)電池容量衰減至80%以下而大量召回。LG化學(xué)作為全球三元鋰電的領(lǐng)先者,其生產(chǎn)的三元鋰電的安全性和容量保持率尚且如此,正說(shuō)明了三元鋰電事實(shí)上并不適合裝配于新能源汽車。
五、磷酸鐵鋰離子電池將最適合未來(lái)電動(dòng)汽車的發(fā)展。
可以預(yù)見(jiàn)的是,未來(lái)純電動(dòng)乘用車、專用車的發(fā)展,將具有如下特點(diǎn):一是形成三類車型,即1.3噸以下,1.3~1.7噸和1.7噸以上。對(duì)應(yīng)每度電,分別實(shí)現(xiàn)續(xù)航里程10KM、8KM和6KM,對(duì)應(yīng)裝配電池重量,也分別為300KG、500KG和800KG左右。二是所有電池都裝配直流快充和交流慢充兩類充電方式。三是無(wú)論車身還是底盤都將使用新材料,走輕型化復(fù)合材料路線,如鋁合金、碳纖維復(fù)合材料等。
因而,我國(guó)未來(lái)電動(dòng)汽車的發(fā)展,對(duì)動(dòng)力鋰電池要求其能量密度高一點(diǎn)低一點(diǎn)都不再是重要問(wèn)題,因?yàn)檎噺陌踩?、重心穩(wěn)定性設(shè)計(jì),要保持一定的重量。車身和底盤輕一點(diǎn),電池重一點(diǎn),將是一種全新的汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)---車身和底盤進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì),磷酸鐵鋰離子電池組進(jìn)行配套設(shè)計(jì),來(lái)保證車身重量和車身重心穩(wěn)定。
新能源汽車能否大規(guī)模普及推廣的關(guān)鍵,是使用安全、性能穩(wěn)定可靠和成本低廉,只有如此,才能為市場(chǎng)所接受和大眾所喜歡。
磷酸鐵鋰離子電池,能保證組合能量密度達(dá)到100~120WH/KG,加上其最好的安全性和可預(yù)見(jiàn)的經(jīng)濟(jì)性,必將是我國(guó)新能源汽車動(dòng)力鋰電池發(fā)展的最佳選擇。