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尋找動力電池材料適合的細(xì)分賽道

   2022-06-20 中國科學(xué)網(wǎng)
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核心提示:最近幾年,隨著電動車普及率大幅提高,動力電池迎來全面爆發(fā)時刻。但動力電池沒有摩爾定律,不會像半導(dǎo)體那樣飛速迭代。動力電池

最近幾年,隨著電動車普及率大幅提高,動力電池迎來全面爆發(fā)時刻。但動力電池沒有摩爾定律,不會像半導(dǎo)體那樣飛速迭代。動力電池的技術(shù)基礎(chǔ)是電化學(xué),元素周期表在100多年前就已經(jīng)基本定下,它需要通過排列組合不同的化學(xué)元素,以及解決一個又一個工程學(xué)問題,來漸進(jìn)式升級迭代。

這種迭代主要分為材料升級和結(jié)構(gòu)革新,其中正極是決定動力電池能量密度的核心。目前的技術(shù)格局中,正極材料成熟且優(yōu)化空間較小,短期突破點(diǎn)聚焦在負(fù)極材料上,而對固態(tài)電池顛覆式創(chuàng)新的期望,正推動很多冒險者激流勇進(jìn)。

正極材料的混戰(zhàn)

如今,動力電池正極呈現(xiàn)了磷酸鐵鋰與三元材料并行的局面。

其中,三元鋰電池的正極材料主要是鎳鈷錳酸鋰,以鎳鹽、鈷鹽、錳鹽為原料,其中鎳鈷錳的比例根據(jù)需要調(diào)整。三元材料的技術(shù)演進(jìn)的本質(zhì)就是鎳的比例不斷提升、鈷的比例不斷下降、能量密度不斷提高的過程。

以我們投資的容百科技為例,容百科技還在很早就押注了動力電池的高鎳化,高鎳化是近幾年里出現(xiàn)的新趨勢。高鎳也就意味著去鈷,最早之所以要加鈷,是為了防止電池自燃、爆炸。

然而,鈷在地球上的總儲量不是很大,且主要集中在非洲剛果等地。如今鈷已經(jīng)成為限制動力電池成本下降的重要原因。馬斯克就曾表示,鈷的比例必須下降,不然電動車的成本永遠(yuǎn)降不下來。

在車企和電池廠商的推動下,2020年成為了高鎳元年,寧德時代高鎳電池開始起量,而容百科技作為正極材料供應(yīng)商,綁定了寧德時代成為該領(lǐng)域的龍頭。隨著高鎳技術(shù)越來越成熟,2021年高鎳在寧德時代的總裝機(jī)量中,占比提升至30%。不過高鎳在工程上并不容易做到。

與三元材料的優(yōu)缺點(diǎn)互換的另一條技術(shù)路線是磷酸鐵鋰。磷酸鐵鋰電池的優(yōu)點(diǎn)十分明顯,包括安全性高、高溫性能好、使用壽命長、原材料成本低等。

比如,磷酸鐵鋰的循環(huán)壽命很長,在2000次以上,而三元鋰電池一般在1000次;磷酸鐵鋰正極材料的分解溫度,高達(dá)700℃,非常安全;磷酸鐵鋰原材料不含金屬鈷,這就讓成本比三元鋰電池低了近20%。

與優(yōu)點(diǎn)相對的是,磷酸鐵鋰的缺點(diǎn)也十分明顯。磷酸鐵鋰?yán)碚撃芰棵芏仍?90Wh/kg,遠(yuǎn)低于三元鋰電池的350Wh/kg,尤其是在低溫下的性能衰減很大,那些一到冬天電量就瘋狂掉的電動車,多數(shù)用的都是磷酸鐵鋰電池。

不過,這些能量密度的損失在某些場景下也可以接受,比如磷酸鐵鋰漲價后才60~70元/公斤,三元鋰電池價格約180~190元/公斤,是磷酸鐵鋰的3倍,所以說可以接受。

2017~2018年,當(dāng)國家補(bǔ)貼高能量密度材料時,三元鋰電池是很有優(yōu)勢的。但自補(bǔ)貼退坡以后,磷酸鐵鋰的價格優(yōu)勢就完全體現(xiàn)了出來。從2021年開始,磷酸鐵鋰的裝機(jī)量一直在增加,從幾年前的市場只剩20%左右,增長到今天的50%,足以與三元分庭抗禮。

如果從整個動力電池產(chǎn)業(yè)鏈來看,當(dāng)下還有很多不夠成熟的地方。從理論上講,一個成熟行業(yè)會是下游最賺錢,就可能是整車的利潤率大于電池,大于材料,大于礦。但現(xiàn)在的實(shí)際情況是,由于整車發(fā)展速度很快,但上游礦的投資周期很長,一時間供給跟不上需求,現(xiàn)在鋰礦、鎳礦價格飆升,反而擠壓了下游,在一定程度上影響了正極材料的技術(shù)路線選擇。

負(fù)極材料的探索

隨著正極材料的磷酸鐵鋰與三元材料已經(jīng)逐漸優(yōu)化到極致,人們把目光投向負(fù)極。目前,我們廣泛使用的負(fù)極材料是石墨,但石墨的理論能量密度是372mAh/g,現(xiàn)在已經(jīng)優(yōu)化到了350~360mAh/g,急需用新的材料來突破。

下一步,我們想用的材料是硅。硅的理論容量高達(dá)4200mAh/g,是石墨的十倍多。但硅有一個問題,就是在電池的充放電循環(huán)過程中,隨著鋰離子的嵌入和脫出,硅的體積膨脹率非常大,純硅高達(dá)300%,這會引起電解液的消耗,進(jìn)而導(dǎo)致電池使用壽命的急劇下滑。

石墨之所以好用,就是因為它的體積膨脹率比較低,只有10%~13%左右。目前,產(chǎn)業(yè)界想到的折中方案是,用5%~20%的硅來形成石墨+硅的復(fù)合負(fù)極材料,在可以接受的體積膨脹率之下,盡可能去提升容量。

不過,目前硅碳負(fù)極出貨量還不高,一方面一些技術(shù)難題還沒有被攻克,比如說石墨本來可以循環(huán)3000次,但加了硅就減半到1500次,同時硅碳的成本也居高不下。

人們對負(fù)極材料曾經(jīng)做過很多探索,其中最典型的非鈦酸鋰莫屬。2021年格力電器成為格力鈦新能源(原珠海銀隆)的控股股東,而這家2008年成立的公司致力于探索鈦酸鋰技術(shù)路線。

鈦酸鋰是優(yōu)劣勢都非常明顯的材料。優(yōu)勢是倍率性能、循環(huán)性能特別好,電池的循環(huán)壽命幾乎是無限的,非常適合公交車等營運(yùn)時間長,需要考慮循環(huán)壽命和成本的應(yīng)用場景。

但鈦酸鋰的電壓平臺太高了,導(dǎo)致能量密度太低。這些問題決定了鈦酸鋰很難大規(guī)模商用,只能在一些特殊的場合,比如零下40度的超低溫,需要特別高的功率。在政府補(bǔ)貼時代,鈦酸鋰紅極一時,但當(dāng)補(bǔ)貼退坡后,還是很難自負(fù)盈虧。

一項技術(shù)從實(shí)驗室走向大規(guī)模商用并不容易,經(jīng)常會出現(xiàn)技術(shù)路線之爭,無論是磷酸鐵鋰和三元材料,還是石墨、硅、鈦酸鋰等等,但從結(jié)果來看,最終格局不一定是一邊倒的局面,而是各自找到了最適合的細(xì)分賽道。



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