作者:刘一鸣 来源:中国科学报 发布时间:2022/6/18 12:34:08
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寻找动力电池材料适合的细分赛道

 

最近几年,随着电动车普及率大幅提高,动力电池迎来全面爆发时刻。但动力电池没有摩尔定律,不会像半导体那样飞速迭代。动力电池的技术基础是电化学,元素周期表在100多年前就已经基本定下,它需要通过排列组合不同的化学元素,以及解决一个又一个工程学问题,来渐进式升级迭代。

这种迭代主要分为材料升级和结构革新,其中正极是决定动力电池能量密度的核心。目前的技术格局中,正极材料成熟且优化空间较小,短期突破点聚焦在负极材料上,而对固态电池颠覆式创新的期望,正推动很多冒险者激流勇进。

正极材料的混战

如今,动力电池正极呈现了磷酸铁锂与三元材料并行的局面。

其中,三元锂电池的正极材料主要是镍钴锰酸锂,以镍盐、钴盐、锰盐为原料,其中镍钴锰的比例根据需要调整。三元材料的技术演进的本质就是镍的比例不断提升、钴的比例不断下降、能量密度不断提高的过程。

以我们投资的容百科技为例,容百科技还在很早就押注了动力电池的高镍化,高镍化是近几年里出现的新趋势。高镍也就意味着去钴,最早之所以要加钴,是为了防止电池自燃、爆炸。

然而,钴在地球上的总储量不是很大,且主要集中在非洲刚果等地。如今钴已经成为限制动力电池成本下降的重要原因。马斯克就曾表示,钴的比例必须下降,不然电动车的成本永远降不下来。

在车企和电池厂商的推动下,2020年成为了高镍元年,宁德时代高镍电池开始起量,而容百科技作为正极材料供应商,绑定了宁德时代成为该领域的龙头。随着高镍技术越来越成熟,2021年高镍在宁德时代的总装机量中,占比提升至30%。不过高镍在工程上并不容易做到。

与三元材料的优缺点互换的另一条技术路线是磷酸铁锂。磷酸铁锂电池的优点十分明显,包括安全性高、高温性能好、使用寿命长、原材料成本低等。

比如,磷酸铁锂的循环寿命很长,在2000次以上,而三元锂电池一般在1000次;磷酸铁锂正极材料的分解温度,高达700℃,非常安全;磷酸铁锂原材料不含金属钴,这就让成本比三元锂电池低了近20%。

与优点相对的是,磷酸铁锂的缺点也十分明显。磷酸铁锂理论能量密度在190Wh/kg,远低于三元锂电池的350Wh/kg,尤其是在低温下的性能衰减很大,那些一到冬天电量就疯狂掉的电动车,多数用的都是磷酸铁锂电池。

不过,这些能量密度的损失在某些场景下也可以接受,比如磷酸铁锂涨价后才60~70元/公斤,三元锂电池价格约180~190元/公斤,是磷酸铁锂的3倍,所以说可以接受。

2017~2018年,当国家补贴高能量密度材料时,三元锂电池是很有优势的。但自补贴退坡以后,磷酸铁锂的价格优势就完全体现了出来。从2021年开始,磷酸铁锂的装机量一直在增加,从几年前的市场只剩20%左右,增长到今天的50%,足以与三元分庭抗礼。

如果从整个动力电池产业链来看,当下还有很多不够成熟的地方。从理论上讲,一个成熟行业会是下游最赚钱,就可能是整车的利润率大于电池,大于材料,大于矿。但现在的实际情况是,由于整车发展速度很快,但上游矿的投资周期很长,一时间供给跟不上需求,现在锂矿、镍矿价格飙升,反而挤压了下游,在一定程度上影响了正极材料的技术路线选择。

负极材料的探索

随着正极材料的磷酸铁锂与三元材料已经逐渐优化到极致,人们把目光投向负极。目前,我们广泛使用的负极材料是石墨,但石墨的理论能量密度是372mAh/g,现在已经优化到了350~360mAh/g,急需用新的材料来突破。

下一步,我们想用的材料是硅。硅的理论容量高达4200mAh/g,是石墨的十倍多。但硅有一个问题,就是在电池的充放电循环过程中,随着锂离子的嵌入和脱出,硅的体积膨胀率非常大,纯硅高达300%,这会引起电解液的消耗,进而导致电池使用寿命的急剧下滑。

石墨之所以好用,就是因为它的体积膨胀率比较低,只有10%~13%左右。目前,产业界想到的折中方案是,用5%~20%的硅来形成石墨+硅的复合负极材料,在可以接受的体积膨胀率之下,尽可能去提升容量。

不过,目前硅碳负极出货量还不高,一方面一些技术难题还没有被攻克,比如说石墨本来可以循环3000次,但加了硅就减半到1500次,同时硅碳的成本也居高不下。

人们对负极材料曾经做过很多探索,其中最典型的非钛酸锂莫属。2021年格力电器成为格力钛新能源(原珠海银隆)的控股股东,而这家2008年成立的公司致力于探索钛酸锂技术路线。

钛酸锂是优劣势都非常明显的材料。优势是倍率性能、循环性能特别好,电池的循环寿命几乎是无限的,非常适合公交车等营运时间长,需要考虑循环寿命和成本的应用场景。

但钛酸锂的电压平台太高了,导致能量密度太低。这些问题决定了钛酸锂很难大规模商用,只能在一些特殊的场合,比如零下40度的超低温,需要特别高的功率。在政府补贴时代,钛酸锂红极一时,但当补贴退坡后,还是很难自负盈亏。

一项技术从实验室走向大规模商用并不容易,经常会出现技术路线之争,无论是磷酸铁锂和三元材料,还是石墨、硅、钛酸锂等等,但从结果来看,最终格局不一定是一边倒的局面,而是各自找到了最适合的细分赛道。

(作者单位:经纬创投)

 
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