锂电池是人类的未来,但谁又是锂电池的未来?

2017-10-18  |  By Faye  |  In 新闻

那些认为日本的燃料电池代表未来的人,其实思维还停留在燃油车的时代,只不过是把加油站替换成了加氢站。

超级电容,在特定领域有着不可替代的优势——例如轨道交通能量回收、塔吊能量回收、汽车动能回收装置;而在动力汽车领域,由于能量密度和成本的问题,无法成为未来可行的技术路线。

故而毫无疑问,在即将到来的电动车革命中,锂电池将是真正的主角,是未来十年甚至二十年的不可动摇的路线。

而且,一旦锂动力电池经过十多年的发展,全产业链上下形成稳定、完整、成熟的配套后(产业配套是巨大护城河,整个产业链成熟起来,投资可能需要数万亿,这是任何其他新的技术路线难以逾越的障碍),锂动力电池的技术路线就更加难以动摇。

所以,锂电池是这场擂台赛中毫无疑问的冠军。

但是锂电池技术路线内部还有多种技术路线,大致有钴酸锂、钛酸锂、锰酸锂、铁酸锂、三元电池等等,朋友们或许更关注这些技术路线哪一种更具有优势。

为了厘清这一问题,笔者将在本文中进行一系列的深入探讨,不足之处各位朋友文后留言不吝指正。

 

初选

 

先说钴酸锂:循环性能太差,且大量使用了极其稀有的金属钴,缺点太过明显,其宿命唯有淘汰。

再说钛酸锂:高充电倍率,寿命长;但也有一个鲜明的缺点——能量密度太低,导致成本过高。

其特性类似于超级电容,这个致命缺点也阻碍其成为动力电池主流路线,故而也无法在初选中脱颖而出。

第三说下锰酸锂:成本低,充电倍率高;但是高温性能差、循环性不佳。

故而很少直接选用锰酸锂作为动力电池,而是同时添加其他材料形成改性电池,例如镍、钴成为镍钴锰电池,从而实现各项性能的均衡。

但是经过这些改进之后,已经不再是简单的锰酸锂电池了,而是成为了三元电池类型中的一种。

这样的论述结果表明:锰酸锂也要被淘汰。

在锂电池众多的技术路线中,磷酸铁锂vs三元电池两种技术路线的对决最为胶着。

磷酸铁锂安全性高,寿命长,但是能量密度低,低温性能差,一致性差;

三元电池能量密度高,一致性好,低温性能好,成本较低,但是安全性能差,循环寿命不如铁锂电池。

当前,磷酸铁锂最成熟的产业链在中国,我们对相关领域掌握的核心技术也较多;而三元电池则以日韩为代表,且更成熟一些。

所以这两种技术路线的对决更有一种中国vs日韩的意味。

过去的一年中,我仍然每天孜孜不倦的思考这个问题,大量阅读相关领域的文章,阅读众多对相关领域技术专家的访谈,思考两种动力锂电池技术路线的优劣。

终于在今天我自认为有了一个较为清晰的认识,下决心完成这篇拖了一年多的稿子,好了,废话不多说,决赛打擂正式开始!

 

决赛

 

评价动力电池性能大致有以下7个维度:

1、安全性
2、能量密度
3、循环寿命
4、成本
5、充电倍率
6、电池单体一致性
7、低温性能

作为一种合格的技术路线,在以上任何一个方面都不能有太过鲜明的缺点,需要做到各方面的均衡才能是一种具有可行性的路线。

1、安全性

这个方面磷酸铁锂电池有着鲜明的优势:温度达到480°以上才会分解,能通过针刺、火烧等严酷试验。

以镍钴铝为代表的三元电池,则在180°就会分解并释放出气体,并且反应更加剧烈。

这一局迅速有了结果,铁锂电池胜。

2、能量密度

磷酸铁锂电池由于材料的缘故,放电平台的电压更低,只有3.2V;且压实密度很低,只有2.2~2.5左右,这些都导致了磷酸铁锂电池的理论能量密度不高,只有178wh/kg。

而磷酸铁锂的领先厂商比亚迪目前已经把电芯单体的能量密度做到了147wh/kg,比亚迪电池事业部老总王文峰宣称要在2018年把磷酸铁锂做到160wh/kg。

这已经是相当了不起的成就,但已经逼近这一电池路线能量密度的理论上限,未来很难再有大的提升。

而反观镍钴铝(NCA)三元电池(特斯拉采用),当前18650电池能量密度是245wh/kg,未来在model 3上使用的20700电池要把能量密度做到300wh/kg以上。

国内很多产商选择镍钴锰(NCM)三元锂电池技术路线,它的理论能量密度上线是280wh/kg,大疆无人机身上的锂电池就是使用的这种锂电池,当前80%的无人机锂电池由广东的厂商供应。

我看了一下参数,当先规模化生产后的镍钴锰锂电池的能量密度可以做到190wh/kg的水平,距离理论密度上限还有较大距离,还有较大提升空间。

在不久的未来,理想情况下能量密度可以做到230wh/kg以上,电池组整体的能量密度依然可以做到200wh/kg以上,比磷酸铁锂高40%左右。

另外磷酸铁锂压实密度较低,这就导致了同等电池容量下,磷酸铁锂的体积更大。

经对比测算比亚迪e6电池组和特斯拉model s的电池组后得出结论,同等电池容量下,磷酸铁锂的体积要比镍钴铝三元电池大48%。

把能量密度和安全性这两个参数放在一起评价我们就可以发现,能量密度和安全性这两个指标是一对天生的敌人,其实通过最简单的物理学和化学知识我们就可以知道,能量密度越高,它就越不稳定,越不安全。

3、循环寿命

在评价这个方面的性能时,我接接触的信息让我头疼。

就以磷酸铁锂为例,有文章说寿命是2000次,王传福说他的铁锂电池寿命能达到4000次以上,甚至还有文章说全周期寿命能达到2万次。

差距如此之大的数据令我头晕,需要反复仔细甄别才能有一个正确认知;后来发现以上说法都“不错”,只不过是他们评价标准不同罢了。

说寿命只有2000次的,是按照1C充电倍率反复冲放,电池容量在标定容量80%以下时即认为寿命终止(这是一个极其严苛的充放电测试,1C的速率意味着1小时把电池充满)。

王传福口中的4000次,则更可能是通常使用条件下,根据大量已经上路的e6运营实测的结果。

而最后所谓2万次则是全使用周期下的结果。

因为电池容量低于标定的80%并不意味着这个电池彻底不能用了,毕竟还有80%的容量,此时的电池可以取下来梯次利用,用作储能电站,在合理电流合理温度合理使用环境下可以达到2万次的反复充放电。

但无论怎样,磷酸铁锂的使用寿命都明显长于三元电池。

三元电池在1C充放倍率,反复充放800次左右,实际容量就已经低于标定容量的80%了,从这个角度看,铁锂电池甚至是三元电池寿命的三倍。

但实际使用中也并不是这样,由于磷酸铁锂电池的一致性较难控制,使得铁锂电池电池组的整体寿命短一些,并没有寿命可以达到三元电池3倍那么夸张。

但无论如何,循环寿命这一项,铁锂胜出。

4、成本

有些人认为磷酸铁锂的正极材料当中不使用稀有金属,而三元电池则要使用到钴、镍等较为贵重的金属,所以就理所当然的认为磷酸铁锂的成本更低一些,这其实是一个认识上的误区。

磷酸铁锂的放电电压3.2V,三元电池的放电电压平台在3.8V,更高的放电电压意味着更高啊的电池容量,这就意味着同等材料消耗情况下,三元电池的容量更大。

或者反过来说也一样:同等容量的电池,三元电池消耗原材料更少。

尤其是当锂电池必不可少的碳酸锂价格从去年4万元飙涨到当前的15万元后,碳酸锂材料消耗量更大的铁锂电池的成本问题就凸现出来,根据国轩高科董事长李缜的数据,当前国轩高科三元电池的成本反倒比铁锂电池低10~15%。

现在三元电池走向了高铝高镍、低钴的技术路线,对昂贵的稀有金属消耗量降低。

去年全球钴产量9.8万吨,其中40%用于锂电池,消耗量并不算非常大。而且钴资源依然处于供过于求的状态,当前20万/吨的价格处于历史上的低位。

去年锂电池产业的火爆也没有带动钴资源的飙涨,多种因素导致当前铁锂电池的成本要高于三元电池。

但我们要以动态的眼光看待二者的成本对比,要认识到,在碳酸锂价格大涨之前,磷酸铁锂的成本是略低于三元电池的。

反过来思考,如果明年“钴”资源供不应求,也出现类似于碳酸锂一样的4倍甚至5倍的飙涨,那么三元电池的成本也就水涨船高。

总之,两种技术路线的成本不分伯仲,具体到某一时间点,和上游原材料价格有很大关系。

长期来看,我认为碳酸锂15万/吨的价格不具有可持续性,因为锂并不是稀缺资源,国内天齐锂业、赣锋锂业等众多厂家碳酸锂每吨生产成本约为2.9万~3.5万元之间,而盐湖股份的子公司蓝科锂业更是宣称成本只有1.9万元/吨。

当前碳酸锂行业,可谓是暴利行业,3万元的成本,15万元的价格,整整翻了5倍。

巨大的利润诱惑自然便是疯狂的扩产,全产业链上的公司都在成倍的扩充产能,蓝科锂业更是成数十倍的扩充产能,虽然需求也会继续跟着增长,但产能的扩张更疯狂。

当不久的将来,上游原材料的价格发生变动,碳酸锂和三元的成本孰高孰低还未可知。

这一项,二者平手。

5、充电倍率

先说结论吧,在充电倍率方面磷酸铁锂大幅度的领先。

其实前年在阐述电池寿命的时候就已经能得出结论:磷酸铁锂电池在高充电倍率下,寿命明显好于三元电池。

美国a123公司(现在为万向子公司)甚至在实验室里做出了25C倍率充电的磷酸铁锂电池(25C倍率充电意味着60÷25=2.4分钟把电池充满)。

充放电倍率方面,铁锂大幅度胜出。

6、电池单体一致性

使用镍钴铝三元的特斯拉model s的电池组中有7000节小电池串联、并联在一起,如果电池的一致性存在问题,那么后果就是灾难性的,因为串联电池有一个木桶原理,性能最差的那一个电池影响电池组整体性能。

但使用磷酸铁锂的2014款秦混动车却出现了让人焦头烂额的问题,标定13kwh的电池,使用一年多以后很多车主就在反映只能充进去8kwh的电量,衰减厉害。

前面我不是说磷酸铁锂寿命更长吗?怎么会出现这样的现象,这其实就是电池单体一致性的问题。

其实比亚迪2014款"秦"电动车所使用的电池,单个拿出来绝大部分可能没有什么问题,电池返厂均衡后也能恢复原先的性能,但唯独电池成组后就出问题了。

其实电池一致性问题并不是没有办法,办法主要有两个,一个是升级工艺,提升工厂自动化水平以及控制精度。

另外一个就是做大单体电池容量,2014秦使用的是27AH的电池单体,而比亚迪K9则使用270ah单体容量的电池单体,相比于秦,K9的问题就少很多甚至不存在电池一致性问题。

最后就是改进电池管理系统(BMS),这一方面我们也确实落后于欧美日。

相比于2014款秦,2015年推出的秦由于使用了全新的电池管理系统,在每一个小节的电池上都加装了控制器方便更好的操控并且额外多出8节电池(就是说实际容量大于标称)。

电池一致性的问题已经解决很多,但无论如何,在一致性方面,磷酸铁锂落后于三元电池。这一局:三元胜。

7、低温性能

这一项结论很清晰:磷酸铁锂低温性能差,三元更优。

冬天里,电动车的续航里程都要变短,但磷酸铁锂电池问题更严重一些。但到底缩减多少呢?

还是要拿出清晰的数据来说话,就以新款400公里续航的比亚迪e6为例,进入冬天后车主纷纷反映续航只能做到原先的60%,也就是240公里。

但这不能全怪罪于电池,根据热胀冷缩的简单原理,我们就知道进入冬天后,汽车的胎压会降低,而胎压低则是导致续航缩短的重要原因,当车主注意胎压以及脚法后,续航可以恢复到标称的70%~75%,达到近300公里的续航,比标称的400公里少100公里。

问题是这100公里的续航哪里去了呢?答案在于空调。

传统燃油车能量转换效率只有不到30%,剩余70%的能量以废热的形式散发,进入冬天以后,汽车打开暖风并不需要额外消耗汽油,只需要把发动机散发出的废热吹送到驾驶室即可。

但电动车电机能量转换效率达到了90%,并没有额外的废热,如果冬天要开空调,就只能额外消耗电池里的能量。所以续航里程的缩减并不能完全怪罪于磷酸铁锂的低温性能差。

使用三元电池的北汽ev200在冬天里一样明显缩减,而且由于电池整体容量更低,本来续航只有200公里,打七折之后更只剩下140公里了,司机们叫苦不迭。

针对冬天,磷酸铁锂电池也有很多应对办法,例如材料纳米化以及碳包覆,还有一个更简单有效的办法,就是给电池组安装加热装置。

综合来看,低温对磷酸铁锂电池组对整体性能的影响<10%。另外,由于三元电池也或多或少要收到低温的影响,所以两者在低温下的性能实际差别其实就更小了。

但无论如何,低温性能成为磷酸铁锂的一个短板,这一局三元胜!

以上7个方面的分析,几乎覆盖了动力电池新能指标的各个方面,在七场对决中,三元和铁锂惨烈厮杀,痛苦角逐,互有胜负,也有平手。

那么这7场对决后,我这个裁判能给出最终的结论吗?或是你们这些读者、观众更给出自己内心的判断吗?到底谁才是当之无愧的冠军?

作为裁判的我,通过这么多分析论述后,只能遗憾地告诉大家,我无法下一个谁更优的结论,所以本场打擂没有冠军或者都是冠军。

 

决议

 

听到这个结果有些人可能要生气了,洋洋洒洒7000字,浪费大家这么多时间和感情,读到这里竟然只得到了平局结论,我这岂不是欠揍?!且慢,我们接着看下去。

虽然我不能给出一个简单的结论,直接说出谁优谁劣,但是结合具体应用环境,就会有清晰的答案,因为一些具体的应用环境,会彰显某一方面的有点,遮蔽某些方面的劣势。

1、储能应用情境

这还用说吗!这个应用情景磷酸铁锂获得压倒性的胜利。

储能电站动辄上数千千瓦甚至数万千瓦的电池堆放在一块,如果使用三元电池,等同于把成吨的炸弹堆放在一起。

磷酸铁锂的长寿命也符合储能的应用需求,储能电站往往会在偏郊建设,土地以及空间不成问题,遮蔽了磷酸铁锂能量密度低的劣势。

尤其作为电网调频的储能电站,经常需要大倍率的充放,铁锂的充电倍率也满足这一需求。在储能应用的场景下,磷酸铁锂的劣势不再是劣势,优势却又十分突出。

所以,当我们考虑这一应用场景,磷酸铁锂是无可辩驳的冠军。

2、无人机电池

这还用说吗,你见过使用铁锂电池的无人机吗?

毫无疑问,这又是另一个应用场景的极端,这个领域,三元锂电池占据着100%的市场份额。

能量密度的天生劣势这一点,就判定了铁锂电池永远不可能应用于无人机。

无人机锂电池领域,三元电池完胜。

3、电动大巴以及电动商用车

这些车自重大、空间大,对重量敏感度低,公交车、大巴车由于乘客众多,对安全性要求高;

这些车运营时间长,对电池寿命要求高,这些特点都恰好发挥了磷酸铁锂的优势,遮蔽了磷酸铁锂的劣势;

所以磷酸铁锂技术领先的比亚迪率先敢把纯电动车应用于公交车以及电动叉车、电动卡车等。就是凭着对铁锂电池安全、高充放倍率、长寿命的自信。

前段时间,国家暂停了三元电池大巴车的目录申报,其实这在某种程度上宣告了三元电池在这一领域没有应用未来,电动公交大巴以及商用车领域,磷酸铁锂完胜。

4、插电式混合动力车

这个领域的争议其实也很小,虽然现在的插电车都以磷酸铁锂为主,但比亚迪自己却准备开始抛弃这一技术路线了。

从秦唐100开始,比亚迪的插电式混合动力车将全面转向镍钴锰三元电池,我认为这种转变背后最核心的原因就在于磷酸铁锂小单体电池一致性问题。

这个领域,三元胜。

5、纯电动乘用车

这又是一个胶着的战场。首先纯电动乘用车使用的磷酸铁锂是大单体,每个单体容量高达0.82千瓦时,比在插电混合动力车里面使用的单体大十倍。

以秦ev300为例,整台车仅仅只有58块电池,这比起model s的7000节电池,真是个零头。

由于电池单体少,给每一个单体上安装一个控制单元从成本角度也划得来,进而最大程度地解决一致性问题,再之,大单体电池的一致性问题也不是那么突出。

但这并不意味着磷酸铁锂在纯电动乘用车领域获胜,情况远比这个复杂。

由于磷酸铁锂密度低,同等容量下重量更大,这就导致使用磷酸铁锂电池的纯电动车自重大,能耗高。比起北汽ev200百公里电耗14kwh,比亚迪e5百公里电耗要高一些在16kwh左右。

除此之外,乘用车日均行驶里程为46公里,比起公交车日均230公里,出租车日均400公里的行驶里程短太多,这就使得磷酸铁锂长寿命的特性发挥不出来,而三元电池寿命先对较短的劣势也不那么致命;

再就是安全性,私人乘用车对安全性要求不如公交车那么严苛,但这也并不是说可以对安全性不管不顾,特斯拉model s的三元电池组之所以重达900kg,就是因为需要额外的保护装置保护电池组。

总之,在纯电动乘用车,两种电池路线又是一种胶着的状态。

由于百公里平均电耗大家日常都能感受到,降低能耗又是国家的要求和方向,所以,两种技术路线可能长期在纯电动领域长期并存,三元略占优。

总结以上五大应用场景,我们可以知道铁锂电池和三元电池在各自特定领域有着不同的优势:铁锂适合用储能和商用车;三元适合于插电混动车、乘用车、无人机等领域。

由于我国新能源车率先在商用车领域爆发,前些年使用铁锂电池更多一些;随着电动车革命的深入,乘用车销量的爆发,三元电池的占比会逐步提高。

但无论如何两者将长期共存,国内领先的电池企业也必将选择两条腿走路(同时生产三元电池和铁锂电池)的战略。

 

来源:阿尔法工场(已获转载授权)

作者:治雨


 

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