特斯拉玩高鎳,比亞迪選“去鎳”,磷酸鐵鋰的技術極限在哪?

特斯拉玩高鎳,比亞迪選“去鎳”,磷酸鐵鋰的技術極限在哪?

鎳這種元素你可能聽說過,但不知道它與你生活有什麼直接關係,鎳最近漲價的事兒可能你更不關心。而且由於當下俄烏局勢,持續數月的衝突再加上西方國家的制裁因素,導致包括鎳原材料在內的多種能源、原材料、晶片等全球供應不足,原本每噸2萬美元的鎳現在已經漲到3。3萬美元。

這種原材料級別的產品,如果你不是專業領域可能根本不在乎它是什麼,它又能做什麼。然而我們日常使用的不鏽鋼、電動車的動力電池,都需要這種鎳元素的參與;而且現在動力電池的鎳含量還比較高,例如NCM811、523電池,鎳佔比成分分別為80%和50%。

現在高價位的鎳元素有人很早就開始佈局,例如特斯拉與多方簽訂了鎳餓的供貨協議。但像特斯拉這樣的企業還是少數,對於那些手裡沒掌握鎳資源,能不能把電池中的鎳成分降低或者說,把鎳成分取消?

未來動力電池格局,多種電池並行?

特斯拉玩高鎳,比亞迪選“去鎳”,磷酸鐵鋰的技術極限在哪?

鎳的比例越高就代表電池的能量密度越大,現在的主流發展路線如果想提高電池能量密度、提升車輛續航里程,就是把鎳的佔比拉高,例如811、523電池,還有LG將為特斯拉提供的鎳含量90%的NCMA新電池。這些電池,都在向著高鎳這個趨勢發展,但鎳的成本越來越高,也就有了另外一種發展路線。

無鎳或者低鎳電池的解決方案,其實也有現成的,例如一直在使用的磷酸鐵鋰電池(LFP)、新研發的鈉電池等,但以上提到的兩種電池,在能量密度上都不如使用了鎳元素的三元鋰電池(NCM)。

特斯拉玩高鎳,比亞迪選“去鎳”,磷酸鐵鋰的技術極限在哪?

結合實際情況來看,目前我們還沒能找到能夠在化學性上能夠提到鎳元素在電池中起到高能量密度的元素,所以理論上現在的三元鋰電池依舊走著高鎳,或者以後全鎳的路線。那麼未來的新能源汽車領域,電池的應用也會逐漸多樣化,短期內應該會以三種類型組成:鈉電池、磷酸鐵鋰電池以及三元鋰電池。

鈉電池由於無法在同等體積下達成與磷酸鐵鋰同樣的能量密度,所以將會更適用於低成本的電動車;磷酸鐵鋰電池將會成為一大部分新能源汽車所使用的主流電池,也會和鎳含量不算高的鋰電池形成競爭;那麼高鎳電池,有可能將成為高階電動車的專屬,例如811、特斯拉的90%鎳元素新電池。

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那麼高鎳電池的應用,雖然能量密度提升,但鈷和錳元素的降低也就意味著使用壽命和化學穩定性會有一定的削減,同時還得做好電池的熱管理系統;另外,高鎳還涉及著電池配方與鋰元素的比例混合,鎳與鋰元素的價格現在都居於高位,背後的成本考量也同樣重要。

如果不用鎳,能不能有高密度?

特斯拉玩高鎳,比亞迪選“去鎳”,磷酸鐵鋰的技術極限在哪?

在沒有新型材料、新化學結構出現之時,鈉電池更適用於儲能領域的前提下,要想真正實現無鎳電池,我們還得把目光看像磷酸鐵鋰電池。隨著電池技術發展,磷酸鐵鋰一直受到能量密度低的問題困擾。

特斯拉玩高鎳,比亞迪選“去鎳”,磷酸鐵鋰的技術極限在哪?

像寧德時代、國軒高科、比亞迪等一批做電池的企業,給出瞭解決磷酸鐵鋰電池短板的解決方案。

寧德時代的磷酸鐵鋰電池單體能量密度可達174Wh/kg,麒麟電池搭載磷酸鐵鋰時的能量密度能超過160Wh/kg;

比亞迪現在裝車的磷酸鐵鋰電池單體能量密度最大140Wh/kg,比亞迪還預計在2022年,推出第二代刀片電池,能量密度將會達到180Wh/kg;

國軒高科今年底實現230Wh/kg磷酸鐵鋰電芯的量產,今年還對磷酸鐵鋰能量密度目標突破260Wh/kg。

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這些磷酸鐵鋰電池已經比發展初期的能量密度有著很大提升,基本上已經能達到與NCM523三元鋰電池一樣的能量密度165Wh/kg。

先說寧德時代是怎麼實現磷酸鐵鋰電池的高能量密度,寧德時代是將磷酸鐵鋰電池應用在麒麟電池中,所謂麒麟電池就是一個新的電池模組方案,在尺寸不變的情況下透過技術手段實現內部能容納更多的電芯。比亞迪第二代刀片電池大機率也會採用這種思路,來實現磷酸鐵鋰電池的高能量密度。

除了以上的方案之外,國軒高科給出了第二種思路。

正極材料克容量很少有人提及,磷酸鐵鋰正極材料的克容量上限是170mAh/g,現行的主流電池配方在146mAh/g左右。實際上磷酸鐵鋰正極材料容量還有一定的提升空間,在電池容量整體保持不變的前提下,減少負極材料容量來增加正極材料容量,這樣一來電池的能量密度就得以提升。

之後的負極材料國軒高科選擇了矽基負極材料,也是一種高能量密度的必需元素,矽的容量理論上是4200mAh/g,比石墨烯高10倍,這也是最近幾年矽基負極材料得到廣泛應用的原因。但需要面臨的問題是,矽的膨脹率非常高,充放電膨脹率可以達到300%左右,過大的膨脹率也就導致了電池迴圈使用壽命的縮減,普通石墨烯基負極也就10%左右的膨脹率。

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所以加大正極材料容量、採用矽基材料作為負極,確實能夠提升磷酸鐵鋰電池的能量密度,但在使用壽命上仍然是一個難點。國軒高科給出的解決方案是在負極中摻入少量的矽元素,才找到了在高能量密度和使用壽命之間的平衡。

預計今年底,230Wh/kg的磷酸鐵鋰電池將會得到量產。個人認為,210Wh/kg的能量密度已經是磷酸鐵鋰電池的極限容量,如果還能提高能量密度,無非是以上提到的兩位那麼操作,在電池模組空間利用率上下文章。

總結

動力電池領域正面臨著核心原材料價格的上漲,此時手握原材料資源的企業就相當於握著未來高階電動車核心零部件的入場券。在沒有新型電池出現之前,高鎳比例就代表著高能量密度,也代表著高階車型“標配”。

那麼此時無鎳的磷酸鐵鋰電池能不能達到與其三元鋰電池同樣的能量密度,至少現在我們看到了透過改變模組空間利用率、改變正極容量、負極材料的多種解決方案,能讓磷酸鐵鋰達到與523等配比的三元鋰電池同等的能量密度。

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