去年這個(gè)時(shí)候,我曾寫了一系列文章,用以討論動(dòng)力電池技術(shù)路線的選擇,其中詳盡對比了鋰電池、燃料電池、超級電容的優(yōu)劣。
最終結(jié)果是鋰電池輕松勝出。
那些認(rèn)為日本的燃料電池代表未來的人,其實(shí)思維還停留在燃油車的時(shí)代,只不過是把加油站替換成了加氫站。
至于超級電容,在特定領(lǐng)域有著不可替代的優(yōu)勢——例如軌道交通能量回收、塔吊能量回收、汽車動(dòng)能回收裝置;而在動(dòng)力汽車領(lǐng)域,由于能量密度和成本的問題,無法成為未來可行的技術(shù)路線。
故而毫無疑問,在即將到來的電動(dòng)車革命中,鋰電池將是真正的主角,是未來十年甚至二十年的不可動(dòng)搖的路線。
而且,一旦鋰動(dòng)力電池經(jīng)過十多年的發(fā)展,全產(chǎn)業(yè)鏈上下形成穩(wěn)定、完整、成熟的配套后(產(chǎn)業(yè)配套是巨大護(hù)城河,整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈成熟起來,投資可能需要數(shù)萬億,這是任何其他新的技術(shù)路線難以逾越的障礙),鋰動(dòng)力電池的技術(shù)路線就更加難以動(dòng)搖。
所以,鋰電池是這場擂臺賽中毫無疑問的冠軍。
但是鋰電池技術(shù)路線內(nèi)部還有多種技術(shù)路線,大致有鈷酸鋰、鈦酸鋰、錳酸鋰、鐵酸鋰、三元電池等等,朋友們或許更關(guān)注這些技術(shù)路線哪一種更具有優(yōu)勢。
為了厘清這一問題,筆者將在本文中進(jìn)行一系列的深入探討,不足之處各位朋友文后留言不吝指正。
初選
先說鈷酸鋰:循環(huán)性能太差,且大量使用了極其稀有的金屬鈷,缺點(diǎn)太過明顯,其宿命唯有淘汰。
再說鈦酸鋰:高充電倍率,壽命長;但也有一個(gè)鮮明的缺點(diǎn)——能量密度太低,導(dǎo)致成本過高。
其特性類似于超級電容,這個(gè)致命缺點(diǎn)也阻礙其成為動(dòng)力電池主流路線,故而也無法在初選中脫穎而出。
第三說下錳酸鋰:成本低,充電倍率高;但是高溫性能差、循環(huán)性不佳。
故而很少直接選用錳酸鋰作為動(dòng)力電池,而是同時(shí)添加其他材料形成改性電池,例如鎳、鈷成為鎳鈷錳電池,從而實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)性能的均衡。
但是經(jīng)過這些改進(jìn)之后,已經(jīng)不再是簡單的錳酸鋰電池了,而是成為了三元電池類型中的一種。
這樣的論述結(jié)果表明:錳酸鋰也要被淘汰。
在鋰電池眾多的技術(shù)路線中,磷酸鐵鋰vs三元電池兩種技術(shù)路線的對決最為膠著。
磷酸鐵鋰安全性高,壽命長,但是能量密度低,低溫性能差,一致性差;
三元電池能量密度高,一致性好,低溫性能好,成本較低,但是安全性能差,循環(huán)壽命不如鐵鋰電池。
當(dāng)前,磷酸鐵鋰最成熟的產(chǎn)業(yè)鏈在中國,我們對相關(guān)領(lǐng)域掌握的核心技術(shù)也較多;而三元電池則以日韓為代表,且更成熟一些。
所以這兩種技術(shù)路線的對決更有一種中國vs日韓的意味。
過去的一年中,我仍然每天孜孜不倦的思考這個(gè)問題,大量閱讀相關(guān)領(lǐng)域的文章,閱讀眾多對相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)專家的訪談,思考兩種動(dòng)力鋰電池技術(shù)路線的優(yōu)劣。
終于在今天我自認(rèn)為有了一個(gè)較為清晰的認(rèn)識,下決心完成這篇拖了一年多的稿子,好了,廢話不多說,決賽打擂正式開始!
決賽
評價(jià)動(dòng)力電池性能大致有以下7個(gè)維度:
1、安全性
2、能量密度
3、循環(huán)壽命
4、成本
5、充電倍率
6、電池單體一致性
7、低溫性能
作為一種合格的技術(shù)路線,在以上任何一個(gè)方面都不能有太過鮮明的缺點(diǎn),需要做到各方面的均衡才能是一種具有可行性的路線。
1、安全性
這個(gè)方面磷酸鐵鋰電池有著鮮明的優(yōu)勢:溫度達(dá)到480°以上才會分解,能通過針刺、火燒等嚴(yán)酷試驗(yàn)。
以鎳鈷鋁為代表的三元電池,則在180°就會分解并釋放出氣體,并且反應(yīng)更加劇烈。
這一局迅速有了結(jié)果,鐵鋰電池勝。
2、能量密度
磷酸鐵鋰電池由于材料的緣故,放電平臺的電壓更低,只有3.2V;且壓實(shí)密度很低,只有2.2~2.5左右,這些都導(dǎo)致了磷酸鐵鋰電池的理論能量密度不高,只有178wh/kg。
而磷酸鐵鋰的領(lǐng)先廠商比亞迪目前已經(jīng)把電芯單體的能量密度做到了147wh/kg,比亞迪電池事業(yè)部老總王文峰宣稱要在2018年把磷酸鐵鋰做到160wh/kg。
這已經(jīng)是相當(dāng)了不起的成就,但已經(jīng)逼近這一電池路線能量密度的理論上限,未來很難再有大的提升。
而反觀鎳鈷鋁(NCA)三元電池(特斯拉采用),當(dāng)前18650電池能量密度是245wh/kg,未來在model 3上使用的20700電池要把能量密度做到300wh/kg以上。
國內(nèi)很多產(chǎn)商選擇鎳鈷錳(NCM)三元鋰電池技術(shù)路線,它的理論能量密度上線是280wh/kg,大疆無人機(jī)身上的鋰電池就是使用的這種鋰電池,當(dāng)前80%的無人機(jī)鋰電池由廣東的廠商供應(yīng)。
我看了一下參數(shù),當(dāng)先規(guī)?;a(chǎn)后的鎳鈷錳鋰電池的能量密度可以做到190wh/kg的水平,距離理論密度上限還有較大距離,還有較大提升空間。
在不久的未來,理想情況下能量密度可以做到230wh/kg以上,電池組整體的能量密度依然可以做到200wh/kg以上,比磷酸鐵鋰高40%左右。
另外磷酸鐵鋰壓實(shí)密度較低,這就導(dǎo)致了同等電池容量下,磷酸鐵鋰的體積更大。
經(jīng)對比測算比亞迪e6電池組和特斯拉model s的電池組后得出結(jié)論,同等電池容量下,磷酸鐵鋰的體積要比鎳鈷鋁三元電池大48%。
把能量密度和安全性這兩個(gè)參數(shù)放在一起評價(jià)我們就可以發(fā)現(xiàn),能量密度和安全性這兩個(gè)指標(biāo)是一對天生的敵人,其實(shí)通過最簡單的物理學(xué)和化學(xué)知識我們就可以知道,能量密度越高,它就越不穩(wěn)定,越不安全。
3、循環(huán)壽命
在評價(jià)這個(gè)方面的性能時(shí),我接接觸的信息讓我頭疼。
就以磷酸鐵鋰為例,有文章說壽命是2000次,王傳福說他的鐵鋰電池壽命能達(dá)到4000次以上,甚至還有文章說全周期壽命能達(dá)到2萬次。
差距如此之大的數(shù)據(jù)令我頭暈,需要反復(fù)仔細(xì)甄別才能有一個(gè)正確認(rèn)知;后來發(fā)現(xiàn)以上說法都“不錯(cuò)”,只不過是他們評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不同罷了。
說壽命只有2000次的,是按照1C充電倍率反復(fù)沖放,電池容量在標(biāo)定容量80%以下時(shí)即認(rèn)為壽命終止(這是一個(gè)極其嚴(yán)苛的充放電測試,1C的速率意味著1小時(shí)把電池充滿)。
王傳福口中的4000次,則更可能是通常使用條件下,根據(jù)大量已經(jīng)上路的e6運(yùn)營實(shí)測的結(jié)果。
而最后所謂2萬次則是全使用周期下的結(jié)果。
因?yàn)殡姵厝萘康陀跇?biāo)定的80%并不意味著這個(gè)電池徹底不能用了,畢竟還有80%的容量,此時(shí)的電池可以取下來梯次利用,用作儲能電站,在合理電流合理溫度合理使用環(huán)境下可以達(dá)到2萬次的反復(fù)充放電。
但無論怎樣,磷酸鐵鋰的使用壽命都明顯長于三元電池。
三元電池在1C充放倍率,反復(fù)充放800次左右,實(shí)際容量就已經(jīng)低于標(biāo)定容量的80%了,從這個(gè)角度看,鐵鋰電池甚至是三元電池壽命的三倍。
但實(shí)際使用中也并不是這樣,由于磷酸鐵鋰電池的一致性較難控制,使得鐵鋰電池電池組的整體壽命短一些,并沒有壽命可以達(dá)到三元電池3倍那么夸張。
但無論如何,循環(huán)壽命這一項(xiàng),鐵鋰勝出。
4、成本
有些人認(rèn)為磷酸鐵鋰的正極材料當(dāng)中不使用稀有金屬,而三元電池則要使用到鈷、鎳等較為貴重的金屬,所以就理所當(dāng)然的認(rèn)為磷酸鐵鋰的成本更低一些,這其實(shí)是一個(gè)認(rèn)識上的誤區(qū)。
磷酸鐵鋰的放電電壓3.2V,三元電池的放電電壓平臺在3.8V,更高的放電電壓意味著更高啊的電池容量,這就意味著同等材料消耗情況下,三元電池的容量更大。
或者反過來說也一樣:同等容量的電池,三元電池消耗原材料更少。
尤其是當(dāng)鋰電池必不可少的碳酸鋰價(jià)格從去年4萬元飆漲到當(dāng)前的15萬元后,碳酸鋰材料消耗量更大的鐵鋰電池的成本問題就凸現(xiàn)出來,根據(jù)國軒高科董事長李縝的數(shù)據(jù),當(dāng)前國軒高科三元電池的成本反倒比鐵鋰電池低10~15%。
現(xiàn)在三元電池走向了高鋁高鎳、低鈷的技術(shù)路線,對昂貴的稀有金屬消耗量降低。
去年全球鈷產(chǎn)量9.8萬噸,其中40%用于鋰電池,消耗量并不算非常大。而且鈷資源依然處于供過于求的狀態(tài),當(dāng)前20萬/噸的價(jià)格處于歷史上的低位。
去年鋰電池產(chǎn)業(yè)的火爆也沒有帶動(dòng)鈷資源的飆漲,多種因素導(dǎo)致當(dāng)前鐵鋰電池的成本要高于三元電池。
但我們要以動(dòng)態(tài)的眼光看待二者的成本對比,要認(rèn)識到,在碳酸鋰價(jià)格大漲之前,磷酸鐵鋰的成本是略低于三元電池的。
反過來思考,如果明年“鈷”資源供不應(yīng)求,也出現(xiàn)類似于碳酸鋰一樣的4倍甚至5倍的飆漲,那么三元電池的成本也就水漲船高。
總之,兩種技術(shù)路線的成本不分伯仲,具體到某一時(shí)間點(diǎn),和上游原材料價(jià)格有很大關(guān)系。
長期來看,我認(rèn)為碳酸鋰15萬/噸的價(jià)格不具有可持續(xù)性,因?yàn)殇嚥⒉皇窍∪辟Y源,國內(nèi)天齊鋰業(yè)、贛鋒鋰業(yè)等眾多廠家碳酸鋰每噸生產(chǎn)成本約為2.9萬~3.5萬元之間,而鹽湖股份的子公司藍(lán)科鋰業(yè)更是宣稱成本只有1.9萬元/噸。
當(dāng)前碳酸鋰行業(yè),可謂是暴利行業(yè),3萬元的成本,15萬元的價(jià)格,整整翻了5倍。
巨大的利潤誘惑自然便是瘋狂的擴(kuò)產(chǎn),全產(chǎn)業(yè)鏈上的公司都在成倍的擴(kuò)充產(chǎn)能,藍(lán)科鋰業(yè)更是成數(shù)十倍的擴(kuò)充產(chǎn)能,雖然需求也會繼續(xù)跟著增長,但產(chǎn)能的擴(kuò)張更瘋狂。
當(dāng)不久的將來,上游原材料的價(jià)格發(fā)生變動(dòng),碳酸鋰和三元的成本孰高孰低還未可知。
這一項(xiàng),二者平手。
5、充電倍率
先說結(jié)論吧,在充電倍率方面磷酸鐵鋰大幅度的領(lǐng)先。
其實(shí)前年在闡述電池壽命的時(shí)候就已經(jīng)能得出結(jié)論:磷酸鐵鋰電池在高充電倍率下,壽命明顯好于三元電池。
美國a123公司(現(xiàn)在為萬向子公司)甚至在實(shí)驗(yàn)室里做出了25C倍率充電的磷酸鐵鋰電池(25C倍率充電意味著60÷25=2.4分鐘把電池充滿)。
充放電倍率方面,鐵鋰大幅度勝出。
6、電池單體一致性
使用鎳鈷鋁三元的特斯拉model s的電池組中有7000節(jié)小電池串聯(lián)、并聯(lián)在一起,如果電池的一致性存在問題,那么后果就是災(zāi)難性的,因?yàn)榇?lián)電池有一個(gè)木桶原理,性能最差的那一個(gè)電池影響電池組整體性能。
但使用磷酸鐵鋰的2014款秦混動(dòng)車卻出現(xiàn)了讓人焦頭爛額的問題,標(biāo)定13kwh的電池,使用一年多以后很多車主就在反映只能充進(jìn)去8kwh的電量,衰減厲害。
前面我不是說磷酸鐵鋰壽命更長嗎?怎么會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象,這其實(shí)就是電池單體一致性的問題。
其實(shí)比亞迪2014款"秦"電動(dòng)車所使用的電池,單個(gè)拿出來絕大部分可能沒有什么問題,電池返廠均衡后也能恢復(fù)原先的性能,但唯獨(dú)電池成組后就出問題了。
其實(shí)電池一致性問題并不是沒有辦法,辦法主要有兩個(gè),一個(gè)是升級工藝,提升工廠自動(dòng)化水平以及控制精度。
另外一個(gè)就是做大單體電池容量,2014秦使用的是27AH的電池單體,而比亞迪K9則使用270ah單體容量的電池單體,相比于秦,K9的問題就少很多甚至不存在電池一致性問題。
最后就是改進(jìn)電池管理系統(tǒng)(BMS),這一方面我們也確實(shí)落后于歐美日。
相比于2014款秦,2015年推出的秦由于使用了全新的電池管理系統(tǒng),在每一個(gè)小節(jié)的電池上都加裝了控制器方便更好的操控并且額外多出8節(jié)電池(就是說實(shí)際容量大于標(biāo)稱)。
電池一致性的問題已經(jīng)解決很多,但無論如何,在一致性方面,磷酸鐵鋰落后于三元電池。這一局:三元?jiǎng)佟?br />
7、低溫性能
這一項(xiàng)結(jié)論很清晰:磷酸鐵鋰低溫性能差,三元更優(yōu)。
冬天里,電動(dòng)車的續(xù)航里程都要變短,但磷酸鐵鋰電池問題更嚴(yán)重一些。但到底縮減多少呢?
還是要拿出清晰的數(shù)據(jù)來說話,就以新款400公里續(xù)航的比亞迪e6為例,進(jìn)入冬天后車主紛紛反映續(xù)航只能做到原先的60%,也就是240公里。
但這不能全怪罪于電池,根據(jù)熱脹冷縮的簡單原理,我們就知道進(jìn)入冬天后,汽車的胎壓會降低,而胎壓低則是導(dǎo)致續(xù)航縮短的重要原因,當(dāng)車主注意胎壓以及腳法后,續(xù)航可以恢復(fù)到標(biāo)稱的70%~75%,達(dá)到近300公里的續(xù)航,比標(biāo)稱的400公里少100公里。
問題是這100公里的續(xù)航哪里去了呢?答案在于空調(diào)。
傳統(tǒng)燃油車能量轉(zhuǎn)換效率只有不到30%,剩余70%的能量以廢熱的形式散發(fā),進(jìn)入冬天以后,汽車打開暖風(fēng)并不需要額外消耗汽油,只需要把發(fā)動(dòng)機(jī)散發(fā)出的廢熱吹送到駕駛室即可。
但電動(dòng)車電機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了90%,并沒有額外的廢熱,如果冬天要開空調(diào),就只能額外消耗電池里的能量。所以續(xù)航里程的縮減并不能完全怪罪于磷酸鐵鋰的低溫性能差。
使用三元電池的北汽ev200在冬天里一樣明顯縮減,而且由于電池整體容量更低,本來續(xù)航只有200公里,打七折之后更只剩下140公里了,司機(jī)們叫苦不迭。
針對冬天,磷酸鐵鋰電池也有很多應(yīng)對辦法,例如材料納米化以及碳包覆,還有一個(gè)更簡單有效的辦法,就是給電池組安裝加熱裝置。
綜合來看,低溫對磷酸鐵鋰電池組對整體性能的影響<10%。另外,由于三元電池也或多或少要收到低溫的影響,所以兩者在低溫下的性能實(shí)際差別其實(shí)就更小了。
但無論如何,低溫性能成為磷酸鐵鋰的一個(gè)短板,這一局三元?jiǎng)伲?br />
以上7個(gè)方面的分析,幾乎覆蓋了動(dòng)力電池新能指標(biāo)的各個(gè)方面,在七場對決中,三元和鐵鋰慘烈廝殺,痛苦角逐,互有勝負(fù),也有平手。
那么這7場對決后,我這個(gè)裁判能給出最終的結(jié)論嗎?或是你們這些讀者、觀眾更給出自己內(nèi)心的判斷嗎?到底誰才是當(dāng)之無愧的冠軍?
作為裁判的我,通過這么多分析論述后,只能遺憾地告訴大家,我無法下一個(gè)誰更優(yōu)的結(jié)論,所以本場打擂沒有冠軍或者都是冠軍。
決議
聽到這個(gè)結(jié)果有些人可能要生氣了,洋洋灑灑7000字,浪費(fèi)大家這么多時(shí)間和感情,讀到這里竟然只得到了平局結(jié)論,我這豈不是欠揍?!且慢,我們接著看下去。
雖然我不能給出一個(gè)簡單的結(jié)論,直接說出誰優(yōu)誰劣,但是結(jié)合具體應(yīng)用環(huán)境,就會有清晰的答案,因?yàn)橐恍┚唧w的應(yīng)用環(huán)境,會彰顯某一方面的有點(diǎn),遮蔽某些方面的劣勢。
1、儲能應(yīng)用情境
這還用說嗎!這個(gè)應(yīng)用情景磷酸鐵鋰獲得壓倒性的勝利。
儲能電站動(dòng)輒上數(shù)千千瓦甚至數(shù)萬千瓦的電池堆放在一塊,如果使用三元電池,等同于把成噸的炸彈堆放在一起。
磷酸鐵鋰的長壽命也符合儲能的應(yīng)用需求,儲能電站往往會在偏郊建設(shè),土地以及空間不成問題,遮蔽了磷酸鐵鋰能量密度低的劣勢。
尤其作為電網(wǎng)調(diào)頻的儲能電站,經(jīng)常需要大倍率的充放,鐵鋰的充電倍率也滿足這一需求。在儲能應(yīng)用的場景下,磷酸鐵鋰的劣勢不再是劣勢,優(yōu)勢卻又十分突出。
所以,當(dāng)我們考慮這一應(yīng)用場景,磷酸鐵鋰是無可辯駁的冠軍。
2、無人機(jī)電池
這還用說嗎,你見過使用鐵鋰電池的無人機(jī)嗎?
毫無疑問,這又是另一個(gè)應(yīng)用場景的極端,這個(gè)領(lǐng)域,三元鋰電池占據(jù)著100%的市場份額。
能量密度的天生劣勢這一點(diǎn),就判定了鐵鋰電池永遠(yuǎn)不可能應(yīng)用于無人機(jī)。
無人機(jī)鋰電池領(lǐng)域,三元電池完勝。
3、電動(dòng)大巴以及電動(dòng)商用車
這些車自重大、空間大,對重量敏感度低,公交車、大巴車由于乘客眾多,對安全性要求高;
這些車運(yùn)營時(shí)間長,對電池壽命要求高,這些特點(diǎn)都恰好發(fā)揮了磷酸鐵鋰的優(yōu)勢,遮蔽了磷酸鐵鋰的劣勢;
所以磷酸鐵鋰技術(shù)領(lǐng)先的比亞迪率先敢把純電動(dòng)車應(yīng)用于公交車以及電動(dòng)叉車、電動(dòng)卡車等。就是憑著對鐵鋰電池安全、高充放倍率、長壽命的自信。
前段時(shí)間,國家暫停了三元電池大巴車的目錄申報(bào),其實(shí)這在某種程度上宣告了三元電池在這一領(lǐng)域沒有應(yīng)用未來,電動(dòng)公交大巴以及商用車領(lǐng)域,磷酸鐵鋰完勝。
4、插電式混合動(dòng)力車
這個(gè)領(lǐng)域的爭議其實(shí)也很小,雖然現(xiàn)在的插電車都以磷酸鐵鋰為主,但比亞迪自己卻準(zhǔn)備開始拋棄這一技術(shù)路線了。
從秦唐100開始,比亞迪的插電式混合動(dòng)力車將全面轉(zhuǎn)向鎳鈷錳三元電池,我認(rèn)為這種轉(zhuǎn)變背后最核心的原因就在于磷酸鐵鋰小單體電池一致性問題。
這個(gè)領(lǐng)域,三元?jiǎng)佟?br />
5、純電動(dòng)乘用車
這又是一個(gè)膠著的戰(zhàn)場。首先純電動(dòng)乘用車使用的磷酸鐵鋰是大單體,每個(gè)單體容量高達(dá)0.82千瓦時(shí),比在插電混合動(dòng)力車?yán)锩媸褂玫膯误w大十倍。
以秦ev300為例,整臺車僅僅只有58塊電池,這比起model s的7000節(jié)電池,真是個(gè)零頭。
由于電池單體少,給每一個(gè)單體上安裝一個(gè)控制單元從成本角度也劃得來,進(jìn)而最大程度地解決一致性問題,再之,大單體電池的一致性問題也不是那么突出。
但這并不意味著磷酸鐵鋰在純電動(dòng)乘用車領(lǐng)域獲勝,情況遠(yuǎn)比這個(gè)復(fù)雜。
由于磷酸鐵鋰密度低,同等容量下重量更大,這就導(dǎo)致使用磷酸鐵鋰電池的純電動(dòng)車自重大,能耗高。比起北汽ev200百公里電耗14kwh,比亞迪e5百公里電耗要高一些在16kwh左右。
除此之外,乘用車日均行駛里程為46公里,比起公交車日均230公里,出租車日均400公里的行駛里程短太多,這就使得磷酸鐵鋰長壽命的特性發(fā)揮不出來,而三元電池壽命先對較短的劣勢也不那么致命;
再就是安全性,私人乘用車對安全性要求不如公交車那么嚴(yán)苛,但這也并不是說可以對安全性不管不顧,特斯拉model s的三元電池組之所以重達(dá)900kg,就是因?yàn)樾枰~外的保護(hù)裝置保護(hù)電池組。
總之,在純電動(dòng)乘用車,兩種電池路線又是一種膠著的狀態(tài)。
由于百公里平均電耗大家日常都能感受到,降低能耗又是國家的要求和方向,所以,兩種技術(shù)路線可能長期在純電動(dòng)領(lǐng)域長期并存,三元略占優(yōu)。
總結(jié)以上五大應(yīng)用場景,我們可以知道鐵鋰電池和三元電池在各自特定領(lǐng)域有著不同的優(yōu)勢:鐵鋰適合用儲能和商用車;三元適合于插電混動(dòng)車、乘用車、無人機(jī)等領(lǐng)域。
由于我國新能源車率先在商用車領(lǐng)域爆發(fā),前些年使用鐵鋰電池更多一些;隨著電動(dòng)車革命的深入,乘用車銷量的爆發(fā),三元電池的占比會逐步提高。
但無論如何兩者將長期共存,國內(nèi)領(lǐng)先的電池企業(yè)也必將選擇兩條腿走路(同時(shí)生產(chǎn)三元電池和鐵鋰電池)的戰(zhàn)略。
最終結(jié)果是鋰電池輕松勝出。
那些認(rèn)為日本的燃料電池代表未來的人,其實(shí)思維還停留在燃油車的時(shí)代,只不過是把加油站替換成了加氫站。
至于超級電容,在特定領(lǐng)域有著不可替代的優(yōu)勢——例如軌道交通能量回收、塔吊能量回收、汽車動(dòng)能回收裝置;而在動(dòng)力汽車領(lǐng)域,由于能量密度和成本的問題,無法成為未來可行的技術(shù)路線。
故而毫無疑問,在即將到來的電動(dòng)車革命中,鋰電池將是真正的主角,是未來十年甚至二十年的不可動(dòng)搖的路線。
而且,一旦鋰動(dòng)力電池經(jīng)過十多年的發(fā)展,全產(chǎn)業(yè)鏈上下形成穩(wěn)定、完整、成熟的配套后(產(chǎn)業(yè)配套是巨大護(hù)城河,整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈成熟起來,投資可能需要數(shù)萬億,這是任何其他新的技術(shù)路線難以逾越的障礙),鋰動(dòng)力電池的技術(shù)路線就更加難以動(dòng)搖。
所以,鋰電池是這場擂臺賽中毫無疑問的冠軍。
但是鋰電池技術(shù)路線內(nèi)部還有多種技術(shù)路線,大致有鈷酸鋰、鈦酸鋰、錳酸鋰、鐵酸鋰、三元電池等等,朋友們或許更關(guān)注這些技術(shù)路線哪一種更具有優(yōu)勢。
為了厘清這一問題,筆者將在本文中進(jìn)行一系列的深入探討,不足之處各位朋友文后留言不吝指正。
初選
先說鈷酸鋰:循環(huán)性能太差,且大量使用了極其稀有的金屬鈷,缺點(diǎn)太過明顯,其宿命唯有淘汰。
再說鈦酸鋰:高充電倍率,壽命長;但也有一個(gè)鮮明的缺點(diǎn)——能量密度太低,導(dǎo)致成本過高。
其特性類似于超級電容,這個(gè)致命缺點(diǎn)也阻礙其成為動(dòng)力電池主流路線,故而也無法在初選中脫穎而出。
第三說下錳酸鋰:成本低,充電倍率高;但是高溫性能差、循環(huán)性不佳。
故而很少直接選用錳酸鋰作為動(dòng)力電池,而是同時(shí)添加其他材料形成改性電池,例如鎳、鈷成為鎳鈷錳電池,從而實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)性能的均衡。
但是經(jīng)過這些改進(jìn)之后,已經(jīng)不再是簡單的錳酸鋰電池了,而是成為了三元電池類型中的一種。
這樣的論述結(jié)果表明:錳酸鋰也要被淘汰。
在鋰電池眾多的技術(shù)路線中,磷酸鐵鋰vs三元電池兩種技術(shù)路線的對決最為膠著。
磷酸鐵鋰安全性高,壽命長,但是能量密度低,低溫性能差,一致性差;
三元電池能量密度高,一致性好,低溫性能好,成本較低,但是安全性能差,循環(huán)壽命不如鐵鋰電池。
當(dāng)前,磷酸鐵鋰最成熟的產(chǎn)業(yè)鏈在中國,我們對相關(guān)領(lǐng)域掌握的核心技術(shù)也較多;而三元電池則以日韓為代表,且更成熟一些。
所以這兩種技術(shù)路線的對決更有一種中國vs日韓的意味。
過去的一年中,我仍然每天孜孜不倦的思考這個(gè)問題,大量閱讀相關(guān)領(lǐng)域的文章,閱讀眾多對相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)專家的訪談,思考兩種動(dòng)力鋰電池技術(shù)路線的優(yōu)劣。
終于在今天我自認(rèn)為有了一個(gè)較為清晰的認(rèn)識,下決心完成這篇拖了一年多的稿子,好了,廢話不多說,決賽打擂正式開始!
決賽
評價(jià)動(dòng)力電池性能大致有以下7個(gè)維度:
1、安全性
2、能量密度
3、循環(huán)壽命
4、成本
5、充電倍率
6、電池單體一致性
7、低溫性能
作為一種合格的技術(shù)路線,在以上任何一個(gè)方面都不能有太過鮮明的缺點(diǎn),需要做到各方面的均衡才能是一種具有可行性的路線。
1、安全性
這個(gè)方面磷酸鐵鋰電池有著鮮明的優(yōu)勢:溫度達(dá)到480°以上才會分解,能通過針刺、火燒等嚴(yán)酷試驗(yàn)。
以鎳鈷鋁為代表的三元電池,則在180°就會分解并釋放出氣體,并且反應(yīng)更加劇烈。
這一局迅速有了結(jié)果,鐵鋰電池勝。
2、能量密度
磷酸鐵鋰電池由于材料的緣故,放電平臺的電壓更低,只有3.2V;且壓實(shí)密度很低,只有2.2~2.5左右,這些都導(dǎo)致了磷酸鐵鋰電池的理論能量密度不高,只有178wh/kg。
而磷酸鐵鋰的領(lǐng)先廠商比亞迪目前已經(jīng)把電芯單體的能量密度做到了147wh/kg,比亞迪電池事業(yè)部老總王文峰宣稱要在2018年把磷酸鐵鋰做到160wh/kg。
這已經(jīng)是相當(dāng)了不起的成就,但已經(jīng)逼近這一電池路線能量密度的理論上限,未來很難再有大的提升。
而反觀鎳鈷鋁(NCA)三元電池(特斯拉采用),當(dāng)前18650電池能量密度是245wh/kg,未來在model 3上使用的20700電池要把能量密度做到300wh/kg以上。
國內(nèi)很多產(chǎn)商選擇鎳鈷錳(NCM)三元鋰電池技術(shù)路線,它的理論能量密度上線是280wh/kg,大疆無人機(jī)身上的鋰電池就是使用的這種鋰電池,當(dāng)前80%的無人機(jī)鋰電池由廣東的廠商供應(yīng)。
我看了一下參數(shù),當(dāng)先規(guī)?;a(chǎn)后的鎳鈷錳鋰電池的能量密度可以做到190wh/kg的水平,距離理論密度上限還有較大距離,還有較大提升空間。
在不久的未來,理想情況下能量密度可以做到230wh/kg以上,電池組整體的能量密度依然可以做到200wh/kg以上,比磷酸鐵鋰高40%左右。
另外磷酸鐵鋰壓實(shí)密度較低,這就導(dǎo)致了同等電池容量下,磷酸鐵鋰的體積更大。
經(jīng)對比測算比亞迪e6電池組和特斯拉model s的電池組后得出結(jié)論,同等電池容量下,磷酸鐵鋰的體積要比鎳鈷鋁三元電池大48%。
把能量密度和安全性這兩個(gè)參數(shù)放在一起評價(jià)我們就可以發(fā)現(xiàn),能量密度和安全性這兩個(gè)指標(biāo)是一對天生的敵人,其實(shí)通過最簡單的物理學(xué)和化學(xué)知識我們就可以知道,能量密度越高,它就越不穩(wěn)定,越不安全。
3、循環(huán)壽命
在評價(jià)這個(gè)方面的性能時(shí),我接接觸的信息讓我頭疼。
就以磷酸鐵鋰為例,有文章說壽命是2000次,王傳福說他的鐵鋰電池壽命能達(dá)到4000次以上,甚至還有文章說全周期壽命能達(dá)到2萬次。
差距如此之大的數(shù)據(jù)令我頭暈,需要反復(fù)仔細(xì)甄別才能有一個(gè)正確認(rèn)知;后來發(fā)現(xiàn)以上說法都“不錯(cuò)”,只不過是他們評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不同罷了。
說壽命只有2000次的,是按照1C充電倍率反復(fù)沖放,電池容量在標(biāo)定容量80%以下時(shí)即認(rèn)為壽命終止(這是一個(gè)極其嚴(yán)苛的充放電測試,1C的速率意味著1小時(shí)把電池充滿)。
王傳福口中的4000次,則更可能是通常使用條件下,根據(jù)大量已經(jīng)上路的e6運(yùn)營實(shí)測的結(jié)果。
而最后所謂2萬次則是全使用周期下的結(jié)果。
因?yàn)殡姵厝萘康陀跇?biāo)定的80%并不意味著這個(gè)電池徹底不能用了,畢竟還有80%的容量,此時(shí)的電池可以取下來梯次利用,用作儲能電站,在合理電流合理溫度合理使用環(huán)境下可以達(dá)到2萬次的反復(fù)充放電。
但無論怎樣,磷酸鐵鋰的使用壽命都明顯長于三元電池。
三元電池在1C充放倍率,反復(fù)充放800次左右,實(shí)際容量就已經(jīng)低于標(biāo)定容量的80%了,從這個(gè)角度看,鐵鋰電池甚至是三元電池壽命的三倍。
但實(shí)際使用中也并不是這樣,由于磷酸鐵鋰電池的一致性較難控制,使得鐵鋰電池電池組的整體壽命短一些,并沒有壽命可以達(dá)到三元電池3倍那么夸張。
但無論如何,循環(huán)壽命這一項(xiàng),鐵鋰勝出。
4、成本
有些人認(rèn)為磷酸鐵鋰的正極材料當(dāng)中不使用稀有金屬,而三元電池則要使用到鈷、鎳等較為貴重的金屬,所以就理所當(dāng)然的認(rèn)為磷酸鐵鋰的成本更低一些,這其實(shí)是一個(gè)認(rèn)識上的誤區(qū)。
磷酸鐵鋰的放電電壓3.2V,三元電池的放電電壓平臺在3.8V,更高的放電電壓意味著更高啊的電池容量,這就意味著同等材料消耗情況下,三元電池的容量更大。
或者反過來說也一樣:同等容量的電池,三元電池消耗原材料更少。
尤其是當(dāng)鋰電池必不可少的碳酸鋰價(jià)格從去年4萬元飆漲到當(dāng)前的15萬元后,碳酸鋰材料消耗量更大的鐵鋰電池的成本問題就凸現(xiàn)出來,根據(jù)國軒高科董事長李縝的數(shù)據(jù),當(dāng)前國軒高科三元電池的成本反倒比鐵鋰電池低10~15%。
現(xiàn)在三元電池走向了高鋁高鎳、低鈷的技術(shù)路線,對昂貴的稀有金屬消耗量降低。
去年全球鈷產(chǎn)量9.8萬噸,其中40%用于鋰電池,消耗量并不算非常大。而且鈷資源依然處于供過于求的狀態(tài),當(dāng)前20萬/噸的價(jià)格處于歷史上的低位。
去年鋰電池產(chǎn)業(yè)的火爆也沒有帶動(dòng)鈷資源的飆漲,多種因素導(dǎo)致當(dāng)前鐵鋰電池的成本要高于三元電池。
但我們要以動(dòng)態(tài)的眼光看待二者的成本對比,要認(rèn)識到,在碳酸鋰價(jià)格大漲之前,磷酸鐵鋰的成本是略低于三元電池的。
反過來思考,如果明年“鈷”資源供不應(yīng)求,也出現(xiàn)類似于碳酸鋰一樣的4倍甚至5倍的飆漲,那么三元電池的成本也就水漲船高。
總之,兩種技術(shù)路線的成本不分伯仲,具體到某一時(shí)間點(diǎn),和上游原材料價(jià)格有很大關(guān)系。
長期來看,我認(rèn)為碳酸鋰15萬/噸的價(jià)格不具有可持續(xù)性,因?yàn)殇嚥⒉皇窍∪辟Y源,國內(nèi)天齊鋰業(yè)、贛鋒鋰業(yè)等眾多廠家碳酸鋰每噸生產(chǎn)成本約為2.9萬~3.5萬元之間,而鹽湖股份的子公司藍(lán)科鋰業(yè)更是宣稱成本只有1.9萬元/噸。
當(dāng)前碳酸鋰行業(yè),可謂是暴利行業(yè),3萬元的成本,15萬元的價(jià)格,整整翻了5倍。
巨大的利潤誘惑自然便是瘋狂的擴(kuò)產(chǎn),全產(chǎn)業(yè)鏈上的公司都在成倍的擴(kuò)充產(chǎn)能,藍(lán)科鋰業(yè)更是成數(shù)十倍的擴(kuò)充產(chǎn)能,雖然需求也會繼續(xù)跟著增長,但產(chǎn)能的擴(kuò)張更瘋狂。
當(dāng)不久的將來,上游原材料的價(jià)格發(fā)生變動(dòng),碳酸鋰和三元的成本孰高孰低還未可知。
這一項(xiàng),二者平手。
5、充電倍率
先說結(jié)論吧,在充電倍率方面磷酸鐵鋰大幅度的領(lǐng)先。
其實(shí)前年在闡述電池壽命的時(shí)候就已經(jīng)能得出結(jié)論:磷酸鐵鋰電池在高充電倍率下,壽命明顯好于三元電池。
美國a123公司(現(xiàn)在為萬向子公司)甚至在實(shí)驗(yàn)室里做出了25C倍率充電的磷酸鐵鋰電池(25C倍率充電意味著60÷25=2.4分鐘把電池充滿)。
充放電倍率方面,鐵鋰大幅度勝出。
6、電池單體一致性
使用鎳鈷鋁三元的特斯拉model s的電池組中有7000節(jié)小電池串聯(lián)、并聯(lián)在一起,如果電池的一致性存在問題,那么后果就是災(zāi)難性的,因?yàn)榇?lián)電池有一個(gè)木桶原理,性能最差的那一個(gè)電池影響電池組整體性能。
但使用磷酸鐵鋰的2014款秦混動(dòng)車卻出現(xiàn)了讓人焦頭爛額的問題,標(biāo)定13kwh的電池,使用一年多以后很多車主就在反映只能充進(jìn)去8kwh的電量,衰減厲害。
前面我不是說磷酸鐵鋰壽命更長嗎?怎么會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象,這其實(shí)就是電池單體一致性的問題。
其實(shí)比亞迪2014款"秦"電動(dòng)車所使用的電池,單個(gè)拿出來絕大部分可能沒有什么問題,電池返廠均衡后也能恢復(fù)原先的性能,但唯獨(dú)電池成組后就出問題了。
其實(shí)電池一致性問題并不是沒有辦法,辦法主要有兩個(gè),一個(gè)是升級工藝,提升工廠自動(dòng)化水平以及控制精度。
另外一個(gè)就是做大單體電池容量,2014秦使用的是27AH的電池單體,而比亞迪K9則使用270ah單體容量的電池單體,相比于秦,K9的問題就少很多甚至不存在電池一致性問題。
最后就是改進(jìn)電池管理系統(tǒng)(BMS),這一方面我們也確實(shí)落后于歐美日。
相比于2014款秦,2015年推出的秦由于使用了全新的電池管理系統(tǒng),在每一個(gè)小節(jié)的電池上都加裝了控制器方便更好的操控并且額外多出8節(jié)電池(就是說實(shí)際容量大于標(biāo)稱)。
電池一致性的問題已經(jīng)解決很多,但無論如何,在一致性方面,磷酸鐵鋰落后于三元電池。這一局:三元?jiǎng)佟?br />
7、低溫性能
這一項(xiàng)結(jié)論很清晰:磷酸鐵鋰低溫性能差,三元更優(yōu)。
冬天里,電動(dòng)車的續(xù)航里程都要變短,但磷酸鐵鋰電池問題更嚴(yán)重一些。但到底縮減多少呢?
還是要拿出清晰的數(shù)據(jù)來說話,就以新款400公里續(xù)航的比亞迪e6為例,進(jìn)入冬天后車主紛紛反映續(xù)航只能做到原先的60%,也就是240公里。
但這不能全怪罪于電池,根據(jù)熱脹冷縮的簡單原理,我們就知道進(jìn)入冬天后,汽車的胎壓會降低,而胎壓低則是導(dǎo)致續(xù)航縮短的重要原因,當(dāng)車主注意胎壓以及腳法后,續(xù)航可以恢復(fù)到標(biāo)稱的70%~75%,達(dá)到近300公里的續(xù)航,比標(biāo)稱的400公里少100公里。
問題是這100公里的續(xù)航哪里去了呢?答案在于空調(diào)。
傳統(tǒng)燃油車能量轉(zhuǎn)換效率只有不到30%,剩余70%的能量以廢熱的形式散發(fā),進(jìn)入冬天以后,汽車打開暖風(fēng)并不需要額外消耗汽油,只需要把發(fā)動(dòng)機(jī)散發(fā)出的廢熱吹送到駕駛室即可。
但電動(dòng)車電機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了90%,并沒有額外的廢熱,如果冬天要開空調(diào),就只能額外消耗電池里的能量。所以續(xù)航里程的縮減并不能完全怪罪于磷酸鐵鋰的低溫性能差。
使用三元電池的北汽ev200在冬天里一樣明顯縮減,而且由于電池整體容量更低,本來續(xù)航只有200公里,打七折之后更只剩下140公里了,司機(jī)們叫苦不迭。
針對冬天,磷酸鐵鋰電池也有很多應(yīng)對辦法,例如材料納米化以及碳包覆,還有一個(gè)更簡單有效的辦法,就是給電池組安裝加熱裝置。
綜合來看,低溫對磷酸鐵鋰電池組對整體性能的影響<10%。另外,由于三元電池也或多或少要收到低溫的影響,所以兩者在低溫下的性能實(shí)際差別其實(shí)就更小了。
但無論如何,低溫性能成為磷酸鐵鋰的一個(gè)短板,這一局三元?jiǎng)伲?br />
以上7個(gè)方面的分析,幾乎覆蓋了動(dòng)力電池新能指標(biāo)的各個(gè)方面,在七場對決中,三元和鐵鋰慘烈廝殺,痛苦角逐,互有勝負(fù),也有平手。
那么這7場對決后,我這個(gè)裁判能給出最終的結(jié)論嗎?或是你們這些讀者、觀眾更給出自己內(nèi)心的判斷嗎?到底誰才是當(dāng)之無愧的冠軍?
作為裁判的我,通過這么多分析論述后,只能遺憾地告訴大家,我無法下一個(gè)誰更優(yōu)的結(jié)論,所以本場打擂沒有冠軍或者都是冠軍。
決議
聽到這個(gè)結(jié)果有些人可能要生氣了,洋洋灑灑7000字,浪費(fèi)大家這么多時(shí)間和感情,讀到這里竟然只得到了平局結(jié)論,我這豈不是欠揍?!且慢,我們接著看下去。
雖然我不能給出一個(gè)簡單的結(jié)論,直接說出誰優(yōu)誰劣,但是結(jié)合具體應(yīng)用環(huán)境,就會有清晰的答案,因?yàn)橐恍┚唧w的應(yīng)用環(huán)境,會彰顯某一方面的有點(diǎn),遮蔽某些方面的劣勢。
1、儲能應(yīng)用情境
這還用說嗎!這個(gè)應(yīng)用情景磷酸鐵鋰獲得壓倒性的勝利。
儲能電站動(dòng)輒上數(shù)千千瓦甚至數(shù)萬千瓦的電池堆放在一塊,如果使用三元電池,等同于把成噸的炸彈堆放在一起。
磷酸鐵鋰的長壽命也符合儲能的應(yīng)用需求,儲能電站往往會在偏郊建設(shè),土地以及空間不成問題,遮蔽了磷酸鐵鋰能量密度低的劣勢。
尤其作為電網(wǎng)調(diào)頻的儲能電站,經(jīng)常需要大倍率的充放,鐵鋰的充電倍率也滿足這一需求。在儲能應(yīng)用的場景下,磷酸鐵鋰的劣勢不再是劣勢,優(yōu)勢卻又十分突出。
所以,當(dāng)我們考慮這一應(yīng)用場景,磷酸鐵鋰是無可辯駁的冠軍。
2、無人機(jī)電池
這還用說嗎,你見過使用鐵鋰電池的無人機(jī)嗎?
毫無疑問,這又是另一個(gè)應(yīng)用場景的極端,這個(gè)領(lǐng)域,三元鋰電池占據(jù)著100%的市場份額。
能量密度的天生劣勢這一點(diǎn),就判定了鐵鋰電池永遠(yuǎn)不可能應(yīng)用于無人機(jī)。
無人機(jī)鋰電池領(lǐng)域,三元電池完勝。
3、電動(dòng)大巴以及電動(dòng)商用車
這些車自重大、空間大,對重量敏感度低,公交車、大巴車由于乘客眾多,對安全性要求高;
這些車運(yùn)營時(shí)間長,對電池壽命要求高,這些特點(diǎn)都恰好發(fā)揮了磷酸鐵鋰的優(yōu)勢,遮蔽了磷酸鐵鋰的劣勢;
所以磷酸鐵鋰技術(shù)領(lǐng)先的比亞迪率先敢把純電動(dòng)車應(yīng)用于公交車以及電動(dòng)叉車、電動(dòng)卡車等。就是憑著對鐵鋰電池安全、高充放倍率、長壽命的自信。
前段時(shí)間,國家暫停了三元電池大巴車的目錄申報(bào),其實(shí)這在某種程度上宣告了三元電池在這一領(lǐng)域沒有應(yīng)用未來,電動(dòng)公交大巴以及商用車領(lǐng)域,磷酸鐵鋰完勝。
4、插電式混合動(dòng)力車
這個(gè)領(lǐng)域的爭議其實(shí)也很小,雖然現(xiàn)在的插電車都以磷酸鐵鋰為主,但比亞迪自己卻準(zhǔn)備開始拋棄這一技術(shù)路線了。
從秦唐100開始,比亞迪的插電式混合動(dòng)力車將全面轉(zhuǎn)向鎳鈷錳三元電池,我認(rèn)為這種轉(zhuǎn)變背后最核心的原因就在于磷酸鐵鋰小單體電池一致性問題。
這個(gè)領(lǐng)域,三元?jiǎng)佟?br />
5、純電動(dòng)乘用車
這又是一個(gè)膠著的戰(zhàn)場。首先純電動(dòng)乘用車使用的磷酸鐵鋰是大單體,每個(gè)單體容量高達(dá)0.82千瓦時(shí),比在插電混合動(dòng)力車?yán)锩媸褂玫膯误w大十倍。
以秦ev300為例,整臺車僅僅只有58塊電池,這比起model s的7000節(jié)電池,真是個(gè)零頭。
由于電池單體少,給每一個(gè)單體上安裝一個(gè)控制單元從成本角度也劃得來,進(jìn)而最大程度地解決一致性問題,再之,大單體電池的一致性問題也不是那么突出。
但這并不意味著磷酸鐵鋰在純電動(dòng)乘用車領(lǐng)域獲勝,情況遠(yuǎn)比這個(gè)復(fù)雜。
由于磷酸鐵鋰密度低,同等容量下重量更大,這就導(dǎo)致使用磷酸鐵鋰電池的純電動(dòng)車自重大,能耗高。比起北汽ev200百公里電耗14kwh,比亞迪e5百公里電耗要高一些在16kwh左右。
除此之外,乘用車日均行駛里程為46公里,比起公交車日均230公里,出租車日均400公里的行駛里程短太多,這就使得磷酸鐵鋰長壽命的特性發(fā)揮不出來,而三元電池壽命先對較短的劣勢也不那么致命;
再就是安全性,私人乘用車對安全性要求不如公交車那么嚴(yán)苛,但這也并不是說可以對安全性不管不顧,特斯拉model s的三元電池組之所以重達(dá)900kg,就是因?yàn)樾枰~外的保護(hù)裝置保護(hù)電池組。
總之,在純電動(dòng)乘用車,兩種電池路線又是一種膠著的狀態(tài)。
由于百公里平均電耗大家日常都能感受到,降低能耗又是國家的要求和方向,所以,兩種技術(shù)路線可能長期在純電動(dòng)領(lǐng)域長期并存,三元略占優(yōu)。
總結(jié)以上五大應(yīng)用場景,我們可以知道鐵鋰電池和三元電池在各自特定領(lǐng)域有著不同的優(yōu)勢:鐵鋰適合用儲能和商用車;三元適合于插電混動(dòng)車、乘用車、無人機(jī)等領(lǐng)域。
由于我國新能源車率先在商用車領(lǐng)域爆發(fā),前些年使用鐵鋰電池更多一些;隨著電動(dòng)車革命的深入,乘用車銷量的爆發(fā),三元電池的占比會逐步提高。
但無論如何兩者將長期共存,國內(nèi)領(lǐng)先的電池企業(yè)也必將選擇兩條腿走路(同時(shí)生產(chǎn)三元電池和鐵鋰電池)的戰(zhàn)略。