2014年第二屆中國（成都）鋰電新能源產業國際高峰論壇（ABEC 2014，鋰電“達沃斯”）召開在即，參會企業美國波士頓電池副總經理/營銷總經理詹天佑在接受媒體專訪時說，在我國鋰電池特別是動力鋰電池市場爆發式增長的當下，鋰電“達沃斯”的召開，為全行業帶來了一次頭腦風暴思想上的啟迪，促進了行業向良性發展。
詹天佑分析說，2012-2014年上半年，國內動力鋰電池相關產業投資規模已超過500億元人民幣，預計到2017年將超過800億元。根據目前的投資情況估計，2014年我國動力鋰電池的設計產能將擴大至2000MWh。
全球市場上，特斯拉投資50億美元聯合松下建設超級電池工廠（Giga-factory）以及豐田汽車聯合松下電器合資新建電池工廠等事件顯示出整車廠商乃至整個汽車行業對於動力鋰電的重視。國內市場上，各方勢力紛紛投入大量資金以求在快速增長的動力鋰電市場中搶占更大的市場份額。
三星SDI和LG化學等國際巨頭紛紛追加數億美元投資增設鋰電工廠爭奪市場；比亞迪、天津力神和深圳比克等市場先行者逐步突破國外技術壟斷，實現國產動力鋰電的生產；而萬向錢潮和瑞恆集團等也利用其資本優勢通過收購或聯合投資快速切入這一領域。
動力鋰電市場的快速增長吸引了越來越多的企業投入這一領域，行業內企業數也從2008年的10家增長2014年的110餘家。
“現在產能不足，供不應求，未來的半年至一年後，產能平衡。”這是詹天佑得出的判斷。他認為，國內對電動汽車的需求在中央及地方政府相關政策頻出的推動下，也實現了快速的增長。
2014年上半年，中國共生產電動汽車20692輛，銷售20477輛，比2013年同期分別增長2.3倍及2.2倍。其中，純電動汽車生產及銷售數據分別為12185輛及11777輛，插電式混合動力汽車產銷數據分別為8507輛及8700輛。按照純電動汽車平均電池容量30KWh、插電式混合動力汽車平均電池容量10KWh計算，上半年我國動力鋰電的需求量超過450MWh，全年將有望超過1200MWh。
“造成中國動力鋰電實際產能低於設計產能的原因，主要是如下幾點：
第一，動力電池生產週期比較長，從原材料選擇到成品出廠測試，都需要一定的時間，國內許多企業從2012年下半年方才開始投資動力電池，技術及生產能力尚未成熟。
第二，國內電動汽車企業在產能設計之初考慮到國內市場需要較長時間培育，因此多數企業僅有一條生產線處於生產狀態，其餘生產線將會在未來幾年內陸續投產。
如果用三個關鍵詞來總結2014年中國動力鋰電池的發展，詹天佑給出了“持續提升、傳統轉型、理論及實驗室創新”的答案。
全行業都處在全面提陞技術和品質階段，以解決電池技術瓶頸帶來的電動汽車'里程焦慮'的問題；市場有個轉型的趨勢，磷酸鐵鋰電池轉型，如ATL、力神、萬向等都在有轉向三元材料的趨勢；電動車最大的世界性難題是電池管理系統問題，在這方面，我們國家的企業都開始普遍在重視和提升自己的研發能力，不斷的創新。
“從產業的角度，未來5至10年，三元鋰電池是世界主流。
三元正極材料獲突破或打破磷酸鐵鋰優勢？
國家專利局最新信息顯示，中國內\廠商研發的《三元正極材料前驅體的製備方法》日前獲得國家發明專利。
該發明能使鎳鈷錳氫氧化物三元前驅體化學組成均勻，克服現有三元正極材料粒度分佈寬、化學組成偏析的缺陷，該三元正極材料前驅體適用於汽車動力電池、鋰離子二次電池。正極材料領域的新專利有望改變國內動力電池領域磷酸鐵鋰獨大的局面。
目前在動力電池正極材料產業領域，中、日、韓、美動力電池企業採用不同的材料體系。
中國企業以磷酸鐵鋰為主，日韓企業以錳酸鋰和三元為主，新能源汽車龍頭特斯拉，採用的電池正是三元正極材料。
無論國內還是海外新能源汽車的發展，均會對國內部分鋰電池材料帶來巨大的需求彈性，出貨量增長將抵消價格下降帶來的影響，價穩量升有望帶來業績的增長。
正極材料方面，目前已經量產的鋰離子動力電池正極材料包括錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料等產品。但三元材料、磷酸鐵鋰的核心技術專利仍然牢牢被海外企業把控。由於海外已形成的專利保護壁壘，導致國內很多材料生產商很難進入國際大廠，通過改變添加劑以及生產工藝等手段成為我國正極材料企業的常用手段。
三元材料綜合了鈷酸鋰、鎳酸鋰和錳酸鋰三類材料的優點，存在三元協同效應，並且在價格上有所優勢。同時在循環穩定性、熱穩定性和安全性能上也有提高。在新能源汽車對動力電池能量密度提升的背景下，三元材料作為高容量密度正極材料有望進一步拓展其市場份額。據統計，2014年第一季度中，三元材料增速位於正極材料之首，業內人士預測，2014年三元材料在正極材料中佔比將提升至45%。
鋰電池通常分兩大類：
鋰金屬電池：鋰金屬電池一般是使用二氧化錳為正極材料、金屬鋰或其合金金屬為負極材料、使用非水電解質溶液的電池。
鋰離子電池：鋰離子電池一般是使用鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負極材料、使用非水電解質的電池。
雖然鋰金屬電池的能量密度高，理論上能達到3860瓦/公斤。但是由於其性質不夠穩定而且不能充電，所以無法作為反複使用的動力電池。而鋰離子電池由於具有反复充電的能力，被作為主要的動力電池發展。但因為其配合不同的元素，組成的正極材料在各方面性能差異很大，導致業內對正極材料路線的紛爭加大。
通常我們說得最多的動力電池主要有磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池、鈷酸鋰電池以及三元鋰電池（三元鎳鈷錳）。
以上各類電池都有優缺點，大致歸納為：
磷酸鐵鋰：
優點：壽命長、充放電倍率大、安全性好、高溫性好、元素無害、成本低。
缺點：能量密度低、振實密度低（體積密度）。
三元鋰：
優點：能量密度高、振實密度高。
缺點：安全性差、耐高溫性差、壽命差、大功率放電差、元素有毒（三元鋰電池大功率充放電後溫度急劇升高，高溫後釋放氧氣極容易燃燒）。
錳酸鋰：
優點：振實密度高、成本低。
缺點：耐高溫性差，錳酸鋰長時間使用後溫度急劇升高，電池壽命衰減嚴重（比如日產電動車LEAF）。
鈷酸鋰：
通常用於3C產品，安全性極差，不適合做動力電池。
理論上，我們需要的電池應該是能量密度高、體積密度高、安全性好、耐高溫低溫、循環壽命長、無毒無害、可大功率充放電，聚所有優點為一體而且低成本。但目前並不存在這樣的電池，那麼在不同種類電池的優缺點中就需要取捨。而且，不同的電動車對電池的需求點也是不同的，因此只有立足於長遠地對電動汽車作出判斷，才能有利於我們正確地判斷電池路線的選擇。
磷酸鐵鋰電池的優越性
這裡就需要回溯前兩篇的論述，我們分析了未來的電動汽車應該以小里程、快充電的電動汽車為主。而目前家用車需要長續航的雙模混合動力，以及公交市場的大續航純電汽車。那麼這樣的車需要什麼樣的電池？
一、安全
首先安全是汽車必備的前提。汽車不同於手機和電腦，汽車在高速行駛中有可能遇到眾多不可預知因素，比如車禍造成的電池擠壓和撞擊。而任何一個不利的因素，都有可能造車車毀人亡。我們可以看到一些老年代步車使用劣質的鉛酸電池，完全沒有安全保障，電池自燃、受撞擊燃燒的案例比比皆是。再比如特斯拉近一年的連續著火事件，雖然得利於特斯拉的安全設計並沒有出現人員傷亡。但同時也要看到，這幾次事件都是非常輕微的碰撞事故，碰撞本身對車和人並無傷害，而電池卻著火了，那麼如果是更嚴重的事故呢？
二、高倍率放電壽命
普通汽車使用壽命長達數十年，一輛電動汽車的電池，10年至少 需要3000次的循環壽命。電池作為比較貴的部件，壽命能否與車等同是非常重要的，既要保證車輛的性能又要保證車主的利益，這樣才能利於市場的推動。目前世界各車企的電動汽車，只有去年上市的比亞迪“秦”做到了電芯終生質保。
電池的壽命也就是循環壽命，並非簡單的電池參數給出的數字。電池的循環壽命和電池的循環狀態是息息相關的，比如放電倍率、充電倍率、溫度等。通常電池實驗室數據得出的循環壽命，是以0.3C恆定的充放電倍率，在20度恆定最佳溫度下得到的。但是在實際用車過程中，倍率和溫度都是非恆定的。這也就是為什麼通常無論是筆記本、手機，還是電瓶車的電池，實際使用中的壽命都遠遠不如廠商給出的數據的原因。而中小里程純電以及長續航雙模混合動力車，因為所帶的電池比較少，對其放電的要求就會更高，對壽命的影響就會更大。
比如A123的磷酸鐵鋰電池，通常循環壽命可以到3000次以上。但是，A123的磷酸鐵鋰航模電池，以10C的充電倍率、5C的放電倍率使用，實驗室中的壽命縮短到只有600次，而真正實際使用中只有400次左右，可見放電倍率對壽命的影響。
再以比亞迪“秦”為例，只有13KWH的電池驅動峰值功率110KW的電機。可以計算出，當“秦”滿電時其最大放電倍率高達8.4C。尤其是當“秦”只有50%電量時，其最大放電倍率可以達到18C。如果電量再低放電倍率將超過25C，這會極大地縮短電池的壽命。
再看P85度電的特斯拉，最大功率310KW的電機，看起來很龐大，其實電池放電倍率不過4C。在只有30%的電量時，最大放電倍率也不過10C。而且特斯拉的大容量電池，在極大程度上避免電池處於大功率的放電之中。
通過簡單的對比，就可以看出比亞迪電池的高倍率放電壽命的優越性。
三、溫度適應性
極寒對電池的影響，主要表現在充放電倍率低和電容量減少；極熱對電池的影響，主要表現為壽命減低、高溫安全性以及充放電能力下降。
極寒對於電池的影響相對較輕，因為一般鋰電池都可以在零下20度以下使用，而且在電池的放電過程中本身就會產生熱量，但能耗的增加以及電量的減少不可避免。
極寒對純電車的影響和對雙模混合動力車又不一樣。純電動車因為沒有其他動力來源，在極寒情況下要達到合適的溫度，必須依靠電池放電加熱，那麼對於能耗以及續航里程就會有很大影響。特斯拉在冬天無論是百公里能耗以及續航里程都和平時有顯著不同。
對於雙模混合動力影響就較弱。因為混動有發動機作為備用提供能量。比如去年11月份比亞迪在包頭舉行的“秦”推廣活動，當時夜間氣溫在零下15至20度，在早晨極寒的情況下啟動車輛，系統會自動切換到HEV模式，發動機帶動空調，迅速提高車內溫度，當溫度提高以後再切換回EV模式。
極熱對純電和混動影響都很大，比如電池本身大功率放電溫度就會升高。以普通鋰離子電池為例，20C的放電，電池的溫度可以提升到接近50度。這麼高的溫度，不僅對電池的壽命有影響，更重要的是安全隱患。比如特斯拉的三元電池在高溫環境下會釋放氧氣，而氧氣是易燃物體。特斯拉通過循環冷卻系統降低溫度、以硬外殼包裹隔離電池以防止氧氣溢出。但是當遇到撞擊時還是難免起火。
四、能量密度
能量密度，顧名思義就是單位重量的電池所能容納的能量。能量密度通常是判斷電池優略的重要指標，但是在筆者的分析體系裡，能量密度在電池性能指標中不是很重要。
原因有兩個：
1.能量密度必須結合其他性能。比如磷酸鐵鋰電池的能量密度確實不高。但是因為其安全穩定耐高溫等特點，以磷酸鐵鋰為電芯所組成的電池極為簡單，不需要太多保護輔助設備。而特斯拉的三元電池雖然電池電芯密度很高，但由於其安全性差不耐高溫，所以必須結合一套複雜的電池保護設備，而這些設備都加大了汽車的重量。有報導稱在發生連續燃燒事故後，特斯拉又準備加厚電池保護設備，這就將三元電池的能量密度優勢消弱了。
2.重量對於汽車的影響不大，特別是對於未來電動汽車的主流趨勢混合動力以及小里程純電動汽車。我們可以設想，以130千瓦時/公斤能量密度和200千瓦時/公斤能量密度的電池做一個對比。即使是最大的80度總電量，兩種電池的重量差不過200KG。
這對於一輛接近2噸的汽車影響很低。
因此筆者認為，儘管電池的能量密度自然是越大越好，但並不必要刻意追求最大。特別是能量密度越大越不穩定，這是基本常識。只要達到夠用的程度，能量密度不是太重要。
五、成本
成本非常好理解，要廣泛普及必須要有成本優勢，這在本系列第一篇也已經計算過。小里程純電或者混動電動車，一方面需要減少車載電池量節約電芯成本，另一方面需要降低電池包+保護設備的成本。因此我們發現，特斯拉的電芯成本雖然較低，但是整體成本依然居高不下。
通過以上論述我們知道，不同鋰離子電池都有天然優點和缺點。但重要的是，如何對未來電動車發展的重點要素排序，這樣才能選出適合潮流的電池。綜上，從安全、壽命、放電能力、溫度適應、能量密度、成本等因素綜合考慮，筆者認為磷酸鐵鋰電池最適合未來電動汽車電池的發展方向。
資料來源:OFWeek
留言列表
生技醫療產業 (1)