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应对整车需求分化、布局未来市场发展,动力电池多条技术路线齐头并进

发布时间:2021-07-05 16:47:11   来源:中国汽车报网    浏览次数:

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近日,中国汽车工业协会发布统计数据,今年1~5月,国内新能源乘用车销量达89.8万辆,同比增长240.5%。其中,纯电动汽车销量为74.3万辆,同比增长274.4%,插电式混合动力汽车销量15.5万辆,同比增长137.6%。从整体产销数据来看,我国新能源汽车的发展依然高歌猛进。再具体到品牌,新能源乘用车市场逐渐呈现出多元化发力的态势,今年5月,上汽通用五菱、比亚迪、特斯拉、广汽埃安等企业相关车型的销量均突破万辆。
  不过,与燃油车相比,新能源汽车市场目前还处于发展初期,出现分化迹象,即低端与高端产品占比较多,中端产品相对较少。比如,售价约3万元的“人民的代步车”上汽通用五菱MINI EV 5月销量超过2.4万辆,其背后是庞大的通勤代步车需求。而以特斯拉为首的高端车型持续走俏,又代表了另一类消费群体的需求。事实上,随着自主品牌向中高端化发展,一些进口品牌产品下探,新能源汽车市场将朝着纺锤形特征发展。
  随着市场对新能源汽车行业的驱动力不断增强,整车需求开始出现分化,其对现在及未来动力电池行业的发展都在施加影响。也正因如此,动力电池企业持续对技术路线进行多元化探索。日前,孚能科技董事长王瑀在一个行业论坛上分享了该公司的三类动力电池解决方案,并给出了对未来技术路线发展的判断。
  一是满足目标用户对低成本购买和使用的需求。从2021年开始,由于用户群对安全及成本的考量,磷酸铁锂电池越来越受到重视;2021~2023年,镍锰酸锂电池将出现在汽车市场上,与磷酸铁锂电池抗衡;2023~2025年,镍锰酸锂电池将成为主流,磷酸铁锂电池将成为一个补充的解决方案。由于镍锰的导入,电池能量密度会迅速提升到250Wh/kg以上。
  二是满足目标用户对产品综合性价比的需求。2019年前,动力电池基本上都以三元中镍/石墨为主,车辆续驶里程400~500公里,电量50~75kWh,能量密度220~260Wh/kg。从2021年开始,由于磷酸铁锂电池技术的进步及加工能力的提升,产品体积能量密度迅速增加。2023~2025年,三元中镍高电压电池会成为优质、高性能、快充的解决方案。
  三是满足目标用户对高效出行与独特生活形态的需求。据悉,为解决高镍体系和三元体系在大电量情况下的安全问题,孚能科技的半固态电池进入了产业化阶段。2021~2023年,动力电池能量密度可以达到285~300Wh/Kg,充电时间为30~40分钟。2023~2025年,下一代动力电池的要求是更加轻量化、体积更小、续驶里程更长、用户体验更佳。中镍和高镍依然是主要的正极解决方案,负极导入硅碳-石墨,电池将采用半固态电池解决安全问题,续驶里程可以达到600~1000公里,能量密度310~350Wh/kg,快充时间为20~30分钟。
  从目前发展来看,无论动力电池供应商还是整车企业,都纷纷布局多元化技术路线。根据现阶段产业的发展情况,记者梳理了磷酸铁锂、镍锰酸锂、三元中镍、高镍、固态、钠离子电池的最新进展。

  磷酸铁锂电池

  统计数据显示,今年5月,我国三元锂电池产量5.0GWh,占总产量的36.2%;而磷酸铁锂电池产量高达8.8GWh,占总产量的63.6%。这是磷酸铁锂电池在时隔三年之后,首次实现产量对三元锂电池的反超。有业内人士预计,今年6月磷酸铁锂电池的装车量也将超过三元锂电池,从而实现逆袭。磷酸铁锂电池能够卷土重来,离不开部分爆款热销车型的需求拉动。此外,当前原材料大幅涨价,也让不少车企将目标瞄准成本更低的磷酸铁锂电池。
  新能源汽车独立研究员曹广平对记者表示,当前磷酸铁锂电池在各类锂离子电池中成本较低,且安全性较高,缺点是能量密度稍低、低温性能稍差。但综合来看,优点占上风,尤其是在新能源汽车补贴退坡的大背景下,其成本优势明显。同时,补贴退坡逼迫电池企业采用刀片电池等新的成组技术,更好地满足了市场需求。从某种意义上说,磷酸铁锂电池的回归是“市场追求铁锂”代替了原来的“政策拉动三元”。
  华安证券的一份研报显示,在极限测算下,考虑到补贴的差异,由三元锂电池切换磷酸铁锂电池可以降低成本9%~11%,在补贴退坡后,这一降本效果会更显著。
  在降低成本的驱动下,未来一段时间内,各家车企基本都会陆续推出配装磷酸铁锂电池的车型。今年4月,宁德时代董事长曾毓群表示,磷酸铁锂电池的市场占有率会逐渐增加,三元电池的占比将减少,但很多高端车型对续驶里程和高能量密度有要求,因此三元锂电池仍有市场空间。
  事实上,无论是从技术提升还是产能建设角度看,磷酸铁锂电池的强势回归都显露无疑。今年年初,国轩高科发布磷酸铁锂电池新品。据国轩高科工程研究总院常务副院长徐兴无介绍,新产品的单体能量密度超过200Wh/kg,已超过三元523锂电池的水平,接近三元622锂电池的能量密度。
  今年上半年,亿纬锂能两次扩产乘用车用磷酸铁锂电池,投资金额已达49亿元。亿纬锂能还与深圳市德方纳米科技股份有限公司签署合资经营协议,双方拟共同投资设立公司。合资公司将专注于生产低成本的优质磷酸铁锂材料,并优先向公司及其子公司供应,项目计划投资总额为20亿元,年产能10万吨。
  镍锰酸锂电池
  正极材料是制约锂电池发展的主要因素。无论能量密度的提升,还是成本的降低,正极材料都起着关键作用。高电压正极作为提升电池能量密度的重要手段,已成为目前液态锂离子电池的发展趋势,也是行业的研究重点。
  据了解,镍锰酸锂是一种高电压正极材料,主要由镍元素和锰元素组成,不含钴元素,因此较为环保,成本也较低。不过,在高电压下,电极材料与电解液之间剧烈的副反应,是限制镍锰酸锂材料商业化的最大障碍。解决该问题的关键在于构造稳定的正极材料与电解液界面以及耐高电压的材料体系,具体涉及高电压正极材料表面改性技术、高电压镍锰酸锂材料电解液开发匹配技术、高电压辅助配套材料的匹配改性技术,它们的发展将推动动力电池行业向高电压、高能量密度和高安全性目标前进。
  中科院物理研究所研究员黄学杰团队的数据显示,通过材料改性,镍锰酸锂电池在25℃下,100周循环容量保持率达99.24%,在35℃下,100周容量保持率达98.65%,优于三元材料,可以提高动力电池的寿命。
  去年,蜂巢能源率先发布镍锰酸锂电池,打造了两款电芯产品。第一款产品是基于590模组的电芯设计,容量为115Ah,能量密度达245Wh/kg;第二款是L6薄片无钴长电芯,容量226Ah。今年2月,无钴正极材料在蜂巢能源常州材料工厂正式批量下线。
  目前,磷酸铁锂电池的比能量已趋于极限,钴资源有限且价格一路走高。资料显示,与磷酸铁锂电池相比,镍锰酸锂单体电池及系统能量密度可提升40%,成本可降低30%。新能源汽车行业的迅猛发展将带动动力电池市场规模快速增长,镍锰酸锂材料作为竞争者,有望成为下一代主流正极材料之一。
  高镍三元锂电池
  NCM811三元锂电池,也是新能源汽车行业研发的重点,其正极材料中镍、钴与锰的比例为80%、10%与10%,钴的比例减少使得成本下降,同时能够极大地提升整车的续驶里程。
  高镍化电池最早由松下应用,宁德时代2019年起加快了其产业化进程。在新能源汽车补贴政策一度倾向于高能量密度动力电池的背景下,NCM811进入了快速发展阶段。包括宁德时代、比亚迪、亿纬锂能、国轩高科、孚能科技、蜂巢能源、万向一二三、远景AESC、比克电池、力神电池在内的众多国内动力电池企业,以及LG化学、三星SDI和SK创新等国外供应商均对NCM811电池有所布局。
  据悉,即便在NCM811电池因车辆起火事故而受到质疑时,宁德时代依然表示“不会放弃”。特斯拉也在NCM811的应用中起到了领头作用。2019年,特斯拉上海工厂将LG化学纳入供应链体系,为Model 3和Model Y配套NCM811电池。值得关注的是,主打磷酸铁锂电池的比亚迪也在推广NCM811产品。今年4月,新上市的国产福特Mustang Mach-E就配装比亚迪的NCM811电池。
  目前来看,行业已开启NCM811电池产业化的序幕,宝马iX3、大众ID.4 CROZZ、ID.4 X、奔驰EQS、极狐αT等新车型都进行了搭载。此外,今年以来,蔚来汽车、广汽埃安、智己汽车也都宣布,将推出配装三元高镍电池的新车型。
  据了解,随着技术不断迭代,高镍三元锂电池的安全性也在逐步提高。曾毓群曾表示,宁德时代已开发出“永不起火”的NCM811三元锂电池,可轻松达到热扩散测试时间不低于5分钟的要求。
  镍资源分布广泛,价格稳定,符合未来大规模产业化的要求。来自华经产业研究院的资料显示,随着后续高镍工艺成熟,且CTP(电池无模组)等技术开始商业化应用,高镍三元锂电池的成本下降将更明显,最终理论成本比磷酸铁锂电池低10%~15%。据统计,2020年我国动力电池市场上,高镍材料在三元锂电池正极材料中的销售占比达到24%,较2019年提升了一倍多。
  此外,超高镍四元锂电池也从幕后走向台前。LG化学方面表示,今年即将量产NCMA四元锂电池,镍的占比提高至90%。此外,SK创新、三星SDI也在研发能量密度更高的9系超高镍下一代动力电池。
  中镍三元锂电池
  目前,提升正极材料能量密度的方法主要有两种,一是走高镍化路线,另一种是提升材料电压,走单晶化路线。因此,在三元高镍成为主流发展方向的同时,安全性表现更好的单晶中镍三元材料也受到行业关注。
  据了解,在镍钴锰比例相同的情况下,单晶三元材料整体能量密度接近目前高镍三元材料。同时,中镍三元材料因镍含量相对较少,加上单晶材料产热较少,稳定性高,其安全性表现优于高镍材料,而且成本也更低。多因素叠加促使单晶中镍三元材料市场占比开始增长。
  宁德时代、欣旺达、瑞浦能源、领湃新能源等企业都推出了基于中镍的单晶三元锂电池。欣旺达去年底公布的“只冒烟、不起火”电池方案,选择了镍5X三元材料,电芯采用单晶、高电压中镍材料,产热比多晶三元材料低至少20%、正极释氧温度高30%,能量密度与目前的高镍体系接近,材料安全性更有优势。此外,宁德时代单晶镍5系电池产品也配套了上汽荣威ER 6、吉利几何C等车型。
  领湃新能源方面表示,其首款基础核心产品高电压中镍VDA355电芯模组预计今年量产,电芯能量密度高达240Wh/kg以上,模组能量密度超过222Wh/kg,成组效率超过93%,产品可满足目前主流车型500~600公里长续驶里程的需求。
  固态电池
  固态电池因其安全性好、能量密度高在几年前就被业界公认为动力电池下一代主流技术路线。目前,固态电池的发展已进入“军备竞赛”阶段,无论动力电池企业、上游材料企业还是整车企业,都在固态电池领域布局。
  宁德时代、赣锋锂业、辉能科技等动力电池企业走在固态电池研发前列。部分供应商已进入固态锂离子电池(半固态电池)中试阶段,2025年前或可实现量产。据悉,辉能科技计划今年年内完成2GWh的示范线的建设,接下来进行产业园区的建设,2022年起通过示范线供应部分整车企业,进行第一批固态电池量产车的投放,并力争在2026年产能达到50GWh。赣锋锂业方面表示,第一代2GWh固态电池中试线已顺利投产,第二代固态锂电池基于高镍三元正极、含金属锂负极材料,目前产品能量密度超过350Wh/kg,循环寿命接近400次;而能量密度超过420Wh/kg的金属锂负极的固态电芯已在特殊领域开始应用。
  整车企业方面,大众、宝马、丰田、本田、日产、蔚来、北汽新能源等车企也在固态动力电池领域进行探索。今年初,蔚来汽车在NioDay上发布首款150kWh固态电池,搭载该电池的蔚来eT7续驶里程可超过1000公里。大众正加紧推进全固态电池的研发,计划2024~2025年量产。丰田的目标是本世纪20年代前半期将全固态电池推向市场,目前正在讨论2021年内公开试制车。宝马计划于2025年前开始对配装全固态电池的车辆进行路测,2030年前推向市场。
  行业专家指出,在现有的各种探索中,最有可能成为下一代动力电池的就是固态电池。固态电池不一定是全固态,最终也可能是半固态或半液态。
  安驰科技总经理、创始人徐小明表示,2030年之前,很难看到纯固态电池量产,即便真正的固态电池推向市场,至少前三到五年,其主要应用在消费类电子端,而且要做到安全性可控,且用得起。
  钠离子电池
  相比锂离子电池,钠离子电池最大的优势体现在成本及充电时间方面。“我觉得钠离子电池是非常好的突破,而且很重要的一点在于钠的资源比较丰富、成本较低,钠离子电池价格便宜,缺点是能量密度较低。”王瑀谈道。
  然而,钠离子电池的商业化也面临挑战,其中包括电解质的稳定性、电极和电解质界面的稳定性、安全问题、相关产业配套以及废旧电池的可回收性等方面。能量密度低也是其商业化应用的障碍之一,目前钠离子电池的平均能量密度为90~150Wh/kg,相比锂电池的250Wh/kg有很大差距,能量密度低也就意味着整车续驶里程有限。
  现阶段,商业化钠离子电池使用的负极材料都是硬碳,目前国内外有近二十家企业对钠离子电池进行相关产业化布局,主要包括英国FARADION公司、美国Natron Energy公司、美国Aquion Energy公司、日本岸田化学、松下、三菱以及我国的中科海钠、钠创新能源、星空钠电等企业。5月21日,曾毓群透露,宁德时代将于今年7月发布钠离子电池。此举被认为是宁德时代实现降成本与技术多元化发展的举措之一。
  行业分析认为,钠离子电池未来应用场景或将主要集中在储能、低速新能源汽车等领域,并不能完全替代锂电池在新能源汽车上的应用。

赵玲玲