1991年,经过长达六年,对1亿种材料方案的筛选,第一款面向消费市场的锂离子电池正式被索尼推向台前。
一眨眼,近三十年时间倏忽而过,锂离子电池从诞生到成熟,进入了我们生活的方方面面。但随着技术瓶颈的出现,这一轮电池技术周期也即将达到迭代的节点。近半年来,无钴电池、四元电池、固态电池等电池技术与材料体系的不断涌现,更是说明了,电池产业新的变革浪潮正在逼近。
与前面数轮电池核心技术革命不同的是,这一轮电池技术迭代的周期与新能源汽车发展的浪潮相叠加,使得更适用于动力电池的技术与材料体系被摆上了产业与学界讨论的圆桌。从电池这一产品诞生以来,从来没有哪一个方向的专用电池如此受到重视,而围绕动力电池高能量密度、强安全性与稳定性的要求,也使得未来十年电池研发的方向变得有迹可循。
站在8系三元锂电池与磷酸铁锂电池时代的末尾,我们向前眺望,无钴电池、固态电池、钠离子电池、锂硫电池、锂空电池,甚至是燃料电池,都有可能成为未来主流动力电池技术路线的可能性,它们之间既存在相互竞争的关系,也存在路线递进的关系。
我们或许无法确定哪条或哪几条技术路线一定会成为未来动力电池市场的宠儿,但可以断定的是,于这一时期登上历史舞台的电池技术将会对未来十年,乃至更长的时间里的动力电池及其相关产业,产生深远的影响。
[·五次核心革命 锂电池站上潮头·]
从1870年至今的150年时间里,电池产业经历了五次核心技术革命,整个产业的技术主流路线也从铅酸电池、镍铬电池、碱性电池、镍氢电池过渡到了锂离子电池。
而今的电池市场,锂电路线已然成为一家独大的技术路线,2019年,锂离子电池市场份额占全球电化学储能装机比重接近90%,铅蓄电池与钠硫电池的市场份额仅剩个位数。
具体到动力电池产业,以NCM811与NCA811为代表的8系三元锂电池已经成为当下产业最为关键的动力电池体系,随着刀片电池、CTP电池包等技术的出现,磷酸铁锂电池体系也在今年上半年迎来了一轮小高潮。
尽管在乘用车装车量上,三元锂电池仍然以高能量密度实现了碾压级的优势,但在媒体与厂商的炒作下,磷酸铁锂仿佛大有复活出场和三元锂再战300回合的气势。
但实际上我们都知道,这是不可能的。三元锂电池与磷酸铁锂电池的核心差距在能量密度上,即便比亚迪强推的刀片电池能量密度达到140Wh/kg,极限甚至能够达到160-170Wh/kg,但松下推出的,应用于特斯拉Model 3上的NCA811三元锂电池,单体能量密度已经达到了340Wh/kg,是目前顶尖磷酸铁锂电池的两倍有余。
两者的差距,甚至使得磷酸铁锂体系先天强于三元锂体系的循环性能都不复存在。高能量密度意味着在单次充放电循环中,能够储存更多的电量,从而使得相近的生命周期中,电池必要的充放电循环减少。这一特性使得三元锂电池在循环性能不如磷酸铁锂的情况下,依然能够保证新能源汽车同等甚至更长行驶里程内电池寿命衰减较少,而这也是当下三元锂电池装机量远多于磷酸铁锂的原因。
不过显然,磷酸铁锂电池并没有因为性能上的劣势被淘汰。在2019年,这类电池在国内车用动力电池市场仍实现了19.98GWh的装机量,市场占比32%,大量的新能源客车、新能源商用车,甚至一些续航里程较短的乘用车选择使用这一类电池。而这些车型的特性就是对动力电池能量密度要求不高,对安全性与稳定性更为看重。
反观三元锂电池,则是目前乘用车市场的主流选择,上汽、广汽、北汽、吉利、长城、戴姆勒、大众、通用、特斯拉等国内外整车厂在自家的新能源车型上均应用了三元锂电池,NEDC续航600公里以上的车型更是清一色使用了8系三元锂电池。
这也是目前的市场现状,三元锂电池与磷酸铁锂电池均有对应的应用场景,从短期来看,两条技术路线都不会彻底消失。
但这样的现状势必无法长期延续,三元锂电池与磷酸铁锂电池都有需求的背后,是两条技术路线都无法彻底满足产业需求的事实。
对于三元锂电池而言,近年来频频发生的电动汽车自燃事故使其安全性备受质疑,而其依仗的能量密度也再难提升,以当前正极材料体系为基础,即便以硅基合金代替石墨负极,三元锂电池单体能量密度的上限也只在300-350Wh/kg,继续提升难度惊人,且安全性完全不可控。
而对于磷酸铁锂电池而言,就化学体系方面,其性能提升已经接近极限。诸如比亚迪、国轩高科等长期钻研磷酸铁锂体系的公司,也无法在材料上对其进行更多改进,转而寻求电池包装与生产工艺上的突破。