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【奇亿招商】三元之后再出四元锂电池 未来将是多种电池技术路线并行?

在三元锂、磷酸铁锂占据主流的动力电池领域,新锐四元锂电池技术开始崭露头角。

11月18日,凯迪拉克旗下首款纯电动汽车LYRIQ开启预售,该车也成为首款配装LG新能源四元锂电池的电动车型。此前,LG新能源亚洲营销总经理朴镇庸在接受媒体采访时称,公司开发的新一代四元锂电池将在LG新能源南京基地投产。事实上,早在今年6月就有人透露,LG新能源将向特斯拉供货四元锂电池。看起来,比起不知何时才能量产的固态电池,四元锂电池已经蓄势待发。

四元锂电池到底是怎样的电池?具备哪些优势?前景几何?近来,这些问题引发了业界的广泛关注。

是创新还是过渡性技术?

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“与现有的镍钴锰(NCM)811、523、622以及镍钴铝(NCA)三元锂电池等动力电池产品相比,镍钴锰铝(NCMA)的四元锂电池有自己的特点。”中国电池工业协会锂电池应用专业委员会顾问苏南峰向《中国汽车报》记者表示,一是在材料上,四元锂电池不仅比三元锂电池多一元,而且在镍钴锰三元电池的材料中加入了更多的镍,比例接近90%,还使用了部分铝元素,降低了钴元素,从而可以抑制钴元素的不稳定杂质生成,克服了三元锂电池的部分缺陷,也被称为“高镍低钴”电池;二是在性能上,与三元锂电池相比,四元锂电池在一定程度上可以实现提升电池能量密度、改善充放电性能和循环寿命等多维度的平衡,续驶里程可达到650公里左右;三是在价格上,由于钴的价格相对较高且资源紧张,而镍和铝的价格较低且供应充足,因此成本也有所降低。

对于四元锂电池的未来发展,业内有不同看法。“从降低钴含量,提升电池性能的角度看,高镍低钴的四元锂电池是未来的发展趋势之一。”江苏新能源汽车行业发展研究院研究员厉建平在接受记者采访时认为,四元锂电池技术能改善三元锂电池的一些缺陷,而且LG新能源将价格较贵的钴用量减少了70%左右,在原材料涨价的背景下大幅降低了电池成本。同时,在国内新能源汽车产销量持续增长、追求更高续驶里程的情况下,四元锂电池具有较强的市场竞争力,在相当长一个阶段内都会有较强的生命力。

当然,也有人持不同的观点。“四元锂电池的优势与短板都十分明显,很难成为将来的长期发展方向,充其量只是一种过渡性产品。”广东工业大学新能源材料研究中心研究员陈新彤向记者表示,目前,固态电池、半固态电池以及氢燃料电池等多种动力电池都在紧锣密鼓地研发之中,即使四元锂电池在短期内能占领一定的市场份额,但几年后随着全固态电池的产业化,很可能会被淘汰。

特斯拉或随通用“上车”

实际上,早在通用汽车采用LG新能源的四元锂电池之前,特斯拉一直被盛传有望成为第一家使用其四元锂电池的汽车制造商。虽然通用捷足先登,但一直在尝试多种电池方案的特斯拉可能会很快跟上。

“理论上看,四元锂电池的主要优势是其能提供较长的续驶里程,成本却较低。”浙江新能源技术应用研究院研究员陆安程在接受《中国汽车报》记者采访时表示,特斯拉有理由选择四元锂电池解决方案。一是目前特斯拉也在寻求降低Model3和ModelY长续驶版的动力电池成本。为此,甚至国产特斯拉已经舍弃了多年的电池供应商松下;二是由于添加了铝,四元锂电池的循环寿命大幅提升。试验表明,四元锂电池充放电1000次后电池仍可充到95%,相比三元锂电池有显著优势,这应该也是特斯拉所看重的;三是由于特斯拉使用了线控底盘和自研的接近中央域控制器的架构,使得从软件和硬件方面提升电源管理系统相对容易,有利于四元锂电池“上车”。

目前,头部电池企业中只有LG新能源宣布量产四元锂电池。“四元锂电池虽然看上去并不复杂,只是提高了镍含量、增加铝元素,但中试、验证与生产工艺上有很多技术难题,LG新能源应是突破了一系列难题。”广东新能源汽车发展研究中心研究员林森告诉记者,一是在材料体系上,与现有三元锂电池相比,四元锂电池在镍含量较高的情况下,铝元素的添加比例及精准控制是量产的难题之一;二是在生产工艺上,由于四元锂电池“高镍低钴”的特点,高镍材料容易膨胀,对设备精度和耐腐蚀性、温度控制等量产条件都有很高的要求,需要做大量试验;三是在相关配套设施上,由于四元锂电池比三元锂电池有更高的充电倍率、更高能量密度,为控制热失控,对车上的电池管理系统提出了更高的要求,需要改进或优化电池管理系统才能适配。

在行业人士看来,拥有了订单并不意味着四元锂电池就会一路畅通一方面,四元锂电池量产工艺比三元锂电池复杂,电池企业需要多长时间才能实现降本提效、达到利润平衡点,尚不明确;另一方面,多家电池企业在探索多种技术路线,对四元锂电池的市场是否存在影响,尚未可知。目前,包括松下、三星、SDI等电池企业在探索固态电池,宁德时代正在研发无稀有金属电池,还有比亚迪已经量产的磷酸铁锂刀片电池等,都有可能是四元锂电池潜在的竞争对手。

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三元锂电池和磷酸铁锂电池,是双雄并行还是一家独大?

关于电池,投资者们并不陌生,因为一个好的电池所能呈现出来的特点是一目了然的:充电速度快、使用安全、电池容量高、使用寿命长、成本低廉。这也对应着电池性能的五个关键指标:充放电表现、高低温表现(物理冲撞后的安全性)、能量密度、寿命、成本。

锂电池因为化学构成不同,而呈现出不同的特征,从而决定了其在应用中的适用场景。

锂电池可以分为磷酸铁锂电池、三元锂电池还有钛酸锂电池。三元锂电池包含三个金属(镍、钴、锰或铝),因此锂电池可以根据不同的化学组成,可以得到不同的稳定性和能量密度的结合,用于不同的场景。

先说钛酸锂,钛酸锂可以做到大功率输出,但是能量密度低、成本高,不能够应用于日常的电动汽车,但可以用于某些需要高强度输出的军用运输设备。

磷酸铁锂的最大优势就是成本低。磷酸铁锂目前是比较常见的电池材料,循环性能很好,电池材质稳定安全性高,并且耐高温,但是在低温环境下电池的工作性能就会下降,多用于轻型电动设备中,因为其能量密度相对有限。

三元锂电池则以续航能力见长。三元锂电池兼顾了能量密度高、循环性能好、耐低温,是消费级电动汽车的首选,不过安全性上相对于磷酸铁锂稍弱,尤其是在高温和撞击上,容易发生事故。特斯拉初期在电池上会发生自燃事故,就是因为使用了能量密度高的三元锂电池,而放弃了一定的安全性。

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两者也有一些不足。磷酸铁锂的主要缺点在于能量密度相对低,这意味着同样的里程数需要更重的磷酸铁锂电池。而三元锂电池的能量密度相对于磷酸铁锂要有优势,不过缺点有两个,一个是电池包含钴这些贵金属会使成本上升,另外一个是该电池的安全性能比不上磷酸铁锂,在包装工艺上需要下功夫,否则可能引发自燃或者其他事故。

磷酸铁锂和三元锂电池各有优势和缺点,对于电动汽车来说目前使用得比较多的是三元锂电池。不过,在《新能源汽车推广应用推荐车型目录》中,搭载磷酸铁锂电池的车型占新能源乘用车的比例也在增多,从2020年的第一批仅占18%到现在2021年第三批可以和三元锂电池持平。

由此可见,磷酸铁锂的装机量和产量的增长幅度越来越大,可以推测出目前的市场的风向更多是向着磷酸铁锂的方向倾斜。

不过笔者认为,因为双方都互有优劣,最终谁将获得市场的最终青睐还有待商榷,大多数新能源汽车的新老玩家都开发不同电池的车型,来满足市场的需求以及适应政策的方向。为什么磷酸铁锂的需求量越来越大的情况下,依然无法判断三元锂电池和磷酸铁锂到底谁能笑到最后呢?这个问题通过产业的大环境的发展来进行分析或许可以发现一些端倪。

电池:续航,安全,还是降成本?

对于电动车的市场参与者来说,电池性能其实是一个博弈并取得平衡的过程。

在电视上经常可以看到一些媒体报道新能源汽车会发生自燃的现象,其实就是使用了三元锂电池所带来的负面作用。这也就是从侧面反映出一些电动车玩家为了在续航能力上取得优势,而放弃了部分的安全性能,从而导致了一些悲剧。

政策面看,2020年以前,政策方向上对于新能源汽车产业端是相对比较宽松的,并且对于按照某些特定的标准和要求设定不同的补贴,其中能量密度就是一个重要的考量因素。根据相关资料,2017年工信部公布的8批共296新能源乘用车中,采用三元锂电池的车型有221款,磷酸铁锂仅有33款。

当然,新能源乘用车使用三元锂电池比较多的原因不仅仅是因为政策补贴所带来的成本下降,另外还是因为充电桩数量有限(根据中国电动汽车充电基础设施促进联盟(充电联盟)统计,2017年底充电桩保有量仅45万,2020年规划的充电桩保有量480万),所以对于续航能力的要求是很高的。

但日前随着新能源汽车的销售的不断增加,以及充电桩的大幅度普及,政策风向上开始减少对于新能源车的补贴。

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这也意味着整个行业更加接近市场竞争的考验,那么成本就成为了更加重要的考量因素。磷酸铁锂电池虽然能量密度比三元锂电池稍弱,但是安全性能更强,并且充电桩的持续增加,也弱化了对于能量密度的需求。因此,可以看到磷酸铁锂电池的应用开始逐步增加,当然这也进一步推升了相关原材料的价格,例如说锂。

不过目前虽然有一些倾斜,但是市场需求还处于动态调整的状况,廉价虽然可以抢占市场,但是市场或许更加需要续航能力更强的汽车来进行远距离的行驶。因此目前市场依然是较不成熟的,这也意味着对于电池的要求可能会随着行业的发展不断地进行调整和变化。

多种技术路线竞相争艳

目前,在国内动力电池市场,三元锂电池、磷酸铁锂电池是市场争夺的两大主角。中国汽车动力电池产业创新联盟发布的数据显示,2021年10月,国内磷酸铁锂电池装车量达8.4GWh,同比上升249.5%,超过三元锂电池的7GWh,且已连续数月领先三元锂电池。

四元锂电池或许能扭转当前三元锂电池市场份额下降的不利局面。四元锂电池与三元锂电池相比具备一定优势,但与磷酸铁锂电池相比却是互有参差。一是在能量密度上,四元锂电池具有一定优势,磷酸铁锂电池尽管接近追平三元锂电池,但与四元锂电池相比仍稍逊色;二是在安全性能上,磷酸铁锂电池占据上风;三是在工作温度上,四元锂电池的耐高温极限不如磷酸铁锂电池,但磷酸铁锂电池的耐低温极限不如四元锂电池;四是在加工工艺上,磷酸铁锂电池有较为成熟的生产工艺,而四元锂电池即使有LG新能源这样的企业实现量产,但在生产工艺上仍有难题待解,而且尚没有形成相关的工艺技术标准。

此外,量产风声渐近的半固态电池也将加剧动力电池领域的竞争。“目前出现的新趋势,似乎是韩国电池企业趋向四元锂电池,国内部分企业则在积极筹备半固态电池。”陆安程表示,相比之下,半固态电池在能量密度、安全性、寿命、轻便性上更有优势,但四元锂电池目前在成本方面占据优势,不过双方在加工工艺上都还存在没有彻底解决的问题。

即使还有一些技术难题尚未完全解决,但已有一些电池企业出于市场利益的考虑在布局四元锂电池。在国外,除了LG新能源已经开始量产,还有三星SDI、韩国SKI等电池企业正在积极布局四元锂电池。SKI方面表示,将于2023年为福特F-150电动皮卡提供其首款非常接近四元锂电池的高镍低钴NCM9电池。

国内也有多家企业在布局四元锂电池。其中,长城汽车旗下的蜂巢能源已发布了四元锂电池样品,在提高安全性的同时,能做到较高的能量密度;锂电池材料企业格林美已完成了四元前驱体量产的技术准备;另一家原材料供应商华友钴业也在积极布局相关材料项目。

在动力电池发展技术路线方面,除了走‘3+1’路线的四元锂电池之外,目前业界还在探索多种技术路线,例如石墨烯电池、固态电池、氯离子电池、钠离子电池、无钴电池等。究竟谁能成为下一代动力电池的主流路线,目前尚难以断言。最核心的是要看动力电池的性能、安全、寿命、成本、便利性等方面,更具优势者将脱颖而出,成为未来的爆款动力电池。

文章来源: 中国能源报,格隆汇

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