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范泛谈:宁德时代 VS 比亚迪,三元与铁锂的亮瑜情仇

2020-06-12 浏览次数:2,762 次 电车资源

最近比亚迪的刀片电池火了一阵子,不仅是因为磷酸铁锂刀片电池做成的电池包能量密度提高了不少,最主要的是刀片电池可以轻松完成单体针刺实验,温升都没有超过50度。这恰恰打到了宁德时代的痛点,因为三元锂电单体过不了针刺实验而备受安全性置疑与诟病。针对比亚迪刀片电池的高调出场,宁德时代回应的方式是,电池组的安全不仅是单体电芯是否安全,而更重要的是系统安全,宁德时代的电芯外壳连针都刺不穿。

一、针刺实验其实测试电芯内部短路后的热失控状态

宁德时代强调电池系统安全没有错,但用针刺不穿电芯外壳来与针刺实验相提并论就有诡辩与欺骗外行的嫌疑了。电池的针刺实验是一种破坏性实验,是模拟电芯内部短路后的温升与电池状态。尽管外力挤压、针刺、碰撞都有可能导致电池内部短路,针不穿电芯外壳,并不代表电芯内部不会出现短路的情况。在目前对电池能量密度要求越来越高,而材料技术又没有大的改进的情况下,生产电芯用的正负极片压得越来越实,铜箔、铝箔和隔膜都越用越薄,虽然电池生产工艺技术在不断提升,对水份、粉尘、极片毛刺、极片平整度控制越来越精细与严格,但谁能担保在如此大批量自动化生产中,没有例外,晶枝、粉尘、毛发、毛刺等电池内部附着物都有可能刺穿只有千分之十毫米左右厚的隔膜,从而引发电芯内部短路。只要一个单体电芯发生内部短路,就可能引起一个模组甚至一个电池包热失控,从而引发安全问题。

二、三元与磷酸铁锂二次之争,磷酸铁锂能否王者归来

宁德时代与比亚迪之争实事上就是动力锂电池领域一直以来的三元与磷酸铁锂技术路线之争。前几年第一次三元与磷酸铁锂之争,在政策的支持下,三元大获全胜,宁德时代成为最大的赢家,一直坚持磷酸铁锂的比亚迪、国轩高科很快被宁德时代反超,且被后者远远抛在后面,随着补贴即将退去,面对市场选择,磷酸铁锂能否王者归来。

宁德时代从2011年成立后迅速崛起可谓高度受益于中国新能源汽车补贴政策,补贴的技术门槛在电池能量密度上每年提出的要求都越来越高,以致于要顶格拿到政府补贴,乘用车基本上就用不了磷酸铁锂电池,只能用三元,也就是三元路线,宁德时代就是中国三元锂电的一张名片,尽管宁德时代也量产磷酸铁锂。而比亚迪则一直背负着磷酸铁锂的标签,虽然在其乘用车上配置的不少也是比亚迪自己生产的三元锂电。

动力电池性能指标主要有储能密度(即能量密度)、循环寿命、充电速度(大电流充放)、抗高低温和安全性五个维度,当然能否大量应用上还要考虑经济性这一关键指标。能量密度、循环寿命、安全性与经济性是刚需。超级电容器、镍氢电池、钛酸锂、铅酸电池因为能量密度低而难以在新能源汽车上大范围推广,钴酸锂电池因为安全性能太差,而完全跟电动车无缘,而锰酸锂因为循环寿命、高温性能及安全性问题,也被全面边缘化,只有磷酸铁锂和三元锂电池是新能源汽车动力锂电池的主打方向。

相对于磷酸铁锂,三元锂电在能量密度、生产一致性、低温性能上明显高出一头。特别是能量密度上,三元锂电池因为电压平台高(3.65V),其能量密度基本能达到240WH/kg,镍钴锰三元高镍体系(622和811)及镍钴铝三元锂电的能量密度可达270WH/kg以上,在这些年中国新能源汽车补贴政策每年都在提高能量密度技术门槛的背景下,三元锂电池如鱼得水,而作为三元锂电行业霸主的宁德时代通过直销供货和与整车厂建立合资企业的方式更是占据了全国近半的市场份额,很快将依然坚守磷酸铁锂为主要方向的比亚迪甩到了后面。

然而,如果抛开补贴因素,就动力电池本身而言,磷酸铁锂电池事实上更有市场前景。虽然磷酸锂酸在能量密度、生产一致性和低温性能上稍逊于三元,但如果没有补贴因素,这些差别不大且不是致命的,磷酸铁锂在动力电池安全性、循环寿命和经济性三个方面的优势将在未来将三元锂电远远甩在后面。

首先在安全性方面。因为磷酸铁锂电池热失控氧化燃点,也就是着火点温度近600度,而三元锂电池则低于300度,一些高镍电池热失控氧化燃点甚至低于200度,这就是为什么装配三元锂电池的电动车冒烟之后马上燃起熊熊烈火,而磷酸铁锂电池冒烟之后,着明火则有相当长一段时间。

工信部最近要求电池安全测试,冒烟后到着明火至少不低五分钟,给车上乘客以最短的逃生时间,这一要求磷酸铁锂肯定能满足,而三元锂电则难矣。所以自2016年香港装配三元锂电双层大巴测试着火事件后,国内新能源客车装配的电池基本上都是磷酸铁锂电池,主要就是安全考虑,客车人多,一旦车辆冒烟,需要有足够的时间让乘客逃离,如果是三元电池大多就会是悲剧。单体电芯安全性三元远不如磷酸铁锂,所以特斯拉和宁德时代这些三元锂电系统生产商非常强调电池的系统安全。特斯拉的电芯是松下和LG化学供的,但电池管理系统(BMS)及成组技术是自己的,也是最早实现对圆柱型18650三元锂电(现在是21700)实现单体采集与保护和液冷的电池系统集成商,宁德时代作为后起之秀,生产的是方形电池,在单体和系统保护方面比小圆柱电池更好实现,自然会紧跟特斯拉这一行业龙头与标杆,这就是宁德时代强调系统安全的所在。

其次就是循环寿命。电池循环寿命直接影响车辆后期使用续航里程问题,如果循环寿命短,车辆充电后续航进程就会越来越短,直接影响用户的使用体验。动力锂电池的循环寿命事实上跟很多因素有关,除电池本身材料外,是否深充深放,是否持续用大电流充电都是重要影响因素。但电池本身材料是基础因素,在容量保持率不低于80%情况下,三元锂电循环寿命一般不到磷酸铁锂的一半,也就是新车装配三元锂电和磷酸铁锂前一两年续航差不多,但三年以后续航里程差距就会越发明显,如同燃油车装配的发动机一样,时间一长高低立现。而换电池成本将是新能源汽车售后维护成本中最高的。

对于商用车,电池的循环寿命更加致命,车辆计划五年折旧,结果三年后续航里程大幅缩减而无法正常使用,就更不用说希望五年拆旧后,车辆能否0折旧成本再用五年,这一点三元锂电根本做不到,而磷酸铁锂则问题不大。

第三就是经济性。三元锂电无论是镍钴锰(NCM)还是镍钴铝(NCA),都有贵金属钴和镍,在最疯狂的“钴奶奶”时代,金属钴一吨从20几万炒到了70多万,而镍也从几万炒到了十几万一吨。钴这种贵金属还主要出产在非洲刚果金,我国90%以上需进口,所以现在三元锂电都在想办法走高镍体系,622和811,将钴的使用占比降下来,同时可以继续提升三元锂电的能量密度,但高镍体系下对负极及生产工艺提出了更高的技术要求,目前811高镍三元能大规模量产的就少之又少,宁德时代提出要生产无钴锂电,其中一个重要的原因就是少用贵金属,降低锂电的生产成本。

而磷酸铁锂没有任何贵金属,而且中国锂辉石储量占全球60%,盐湖资源也丰富,虽然现在盐湖提锂技术还不成熟,磷酸铁锂材料的原材料成本不会高到哪去。只是正极材料制备相对复杂,导致材料制备成本较高,一致性较差,随着行业规模的扩大,材料制备这类工艺技术问题会很快得到解决。所以磷酸铁锂的经济性优势是显而易见的,所谓动力锂电池实现0.6元/WH,三元难,磷酸铁锂只有一步之遥了。而新能源汽车目前产销增长受阻,主要的原因就在于补贴快速退坡后,新能源汽车价格上涨,而燃油车价格在大幅下降,一升一降,新能源汽车使用上的经济性优势也很难突显了。老百姓是实在的,没有经济性就没有大市场和大未来,在这一点上磷酸铁锂远胜三元。

三、闲谈1:电池能量密度与安全性、循环寿命的关系

说说能量密度的问题,电池的能量密度的高低基础决定因素就是材料,氢、汽油的能量密度高,这是无论哪种锂电池材料做成的电池也无法比肩的。对同一种锂电材料来说,电池的能量密度与安全性、循环寿命往往还成反比,要想动力电池性能好,寿命长,极片就不能压得太实,叠/卷得就不能太紧。尤其是过了一定临界位后,就是一跷跷板的两端,一高就必有一低,要两高就只能中间折断,这就不是动力电池了。我们历年发布的补贴政策,每年对电池能量密度都提高了要求,在这种政策诱压下,电池企业材料进步很少,只能在生产工艺上做文章来提高电池能量密度,无非就是如何增加单位体积电池附料量的问题,如极片压得更实,铜箔、铝箔和隔膜用得更薄,极片叠片或卷绕时叠/卷得更紧,单体能量密度是上去了,但牺牲的是电池的安全性与循环寿命,所以这些年不断有车充电着火,有车静置自燃,有车行驶自燃,原因可能有很多,但电池安全性的问题肯定必有其一,而补贴政策一味强化电池能量密度难道不是诱因吗?

四、闲谈2:是不是大家都需要长续航车辆?

既然扯闲篇说到电池能量密度,也就随便说说续航里程问题。因为电池能量密度越高,同样车体空间可装配的电池的容量就越大,续航里程也就越远。政府的补贴政策也是极力支持长续航车辆的。2019年对200公里以下纯电车辆不再补贴,基本快消灭了A00级纯电动车辆,2020年对250公里以下纯电车辆不再补贴,估计又将消灭一批A0级纯电车辆。现在各类新能源新品上市都在强调续航里程,从原来的300公里,到现在的700公里以上。

续航里程是否重要,是重要,但到底谁才需要续航里程达500公里以上的车辆。一个出租车司机一天跑下来,也不过350公里到400公里。在航空和高铁高度发达的今天,长距离开车跨城跑的概率越来越低,百姓买车主要还是在工作和生活周边运行,一天下来平均有个百八十公里就已然不错,买个续航500公里以上的,或续航700公里以上的,无非就是可以更长时间不用充电而已。在目前充电设施越来越多,越来越方便的情况下,所谓的里程焦虑,更多的是自己吓自己。长续航意味着车辆装配了更多的电池,而电池是新能源汽车成本构成中最贵的部件,消费者为此就得花更多的钱,车辆也得背负更重的电池一直在路上跑。

所以,新能源汽车关于续航里程的设计应该给消费者更多的选择,那些买来做网约、巡游出租运营用的,或充电不方便,或每天用车频率极高有远程运营需求的,可以选择长续航车辆;而大多数消费者买车仅是为了自己或家人出行方便或代步,150到200公里续航则足矣,经济又环保,而我们的补贴政策对适用于大多数人的车辆相反不给补贴,这很耐人寻味,所以A0和A00新能源汽车越来越少,而没有正式身份,也不用驾照驾驶,装铅酸电池,便宜的低速车却在全国大行其道无法治理,这中间难道没有补贴之误?

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