被特斯拉、比亚迪“抛弃”,三元锂电池“末路”已来?

2022-01-06 16:10:26
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2022-01-06

如今的动力电池市场,正面临更多选择。

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文/苑晶铭 编辑/林泽玲 陈俊一 常亮

来源/亿欧网

2021年12月23日,日经中文网报道指出,纯电动汽车(EV)蓄电池使用的电池金属价格高涨。除了锂的价格创出历史新高之外,钴也处于3年来的高位。在脱碳潮流下,面向纯电动汽车的需求猛增,但供应却一直跟不上。有观点预测,供应要等到2022年秋季以后才会增加,预计高价状态仍会持续一段时间。

钴是三元锂电池的主要原材料之一,占据三元锂电池原材料成本近90%。作为稀有矿物,钴的开采条件极不稳定且价格昂贵,导致供应链十分脆弱,极易影响下游产业。这在很大程度上造成三元锂电池原材料成本居高不下,也给三元锂电池厂商带来了很大的成本压力。

钴元素价格昂贵直接导致三元锂电池的装机量和市场份额下降。相关统计数据显示,2020年,国内动力电池累计销量达65.9GWh,其中,三元锂电池共装车38.9GWh,占比61.1%,累计下降4.1%;磷酸铁锂电池装车24.4GWh,占比38.3%,累计增长20.6%,也是唯一实现销量同比增长的动力电池类型。

值得注意的是,近一年来,三元锂电池的装机量和市场份额不理想状态还在继续,且差距进一步拉开的迹象愈发明显。

根据中国汽车动力电池产业创新联盟数据,2021年前11个月,磷酸铁锂电池的产量与装机量均反超三元锂电池。2021年1-11月,国内三元锂电池装车量累计63.3GWh,占总装车量49.3%,磷酸铁锂电池装车量累计64.8GWh,占总装车量50.5%。

长期以来,在动力电池市场上,三元锂电池和磷酸铁锂电池“此起彼伏”的角逐从未停止过。发展至今,唯一可以确定的是:目前的动力电池市场,三元锂电池和磷酸铁锂电池还缺一不可,但最终谁会落跑,是可以判断的趋势。

当三元锂电池中的钴元素价格不断攀升,其生产成本在长时间内居高不下,三元锂电池装机量逐步下降的情况将难以避免。我们可以认为,在动力电池市场,三元锂电池正在面临被逐步替代的危机。

为何需要三元锂电池?

随着新能源汽车在我国资本市场发展起步,自2009年至2015年,磷酸铁锂电池凭借成本低、循环寿命高和安全性高等品质吸引了众多汽车厂商和动力电池厂商“押宝”。相关数据显示,高峰时期,磷酸铁锂电池最高市场份额占比达到70%(受限于能量密度,当时的纯电动乘用车主要以小型和微型为主)。

磷酸铁锂电池“好日子”的首次“暂停”发生在2017年,彼时,政策补贴开始朝着鼓励追求高能量密度转变,三元锂电池凭借高能量密度特质反客为主,短时间内将市场份额提升到67%,改写了磷酸铁锂电池的“神话”。

2016年底,财政部、科技部、工信部和发改委联合发布了新能源汽车补贴新政:自2017年起,新能源汽车按照能量密度进行差异化补贴,能量密度高于120Wh/kg的按照1.1倍补贴。

2017年3月,中央四部委印发了《促进汽车动力电池产业发展行动方案》(以下简称《方案》)通知,明确指出了“将提高电池比能量作为今后的重点发展目标之一”。

《方案》提到的关键指标和时间节点包括:到2020年,锂离子动力电池单体比能量>300Wh/kg;系统比能量争取达到260Wh/kg;成本<1元/瓦时;使用环境达-30℃到55℃;具备3C充电能力;到2025年,单体比能量达500Wh/kg;力争实现单体电池350Wh/kg、系统260Wh/kg的锂离子电池产品产业化和整车应用。

彼时,鲜有磷酸铁锂电池的能量密度能到达120Wh/kg,但三元锂电池轻而易举就能拥有该性能。对于广大需要动力电池的车企而言,如果将三元锂电池装载在续航250公里以上的车型里,可以多获得4400元的补贴。

值得注意的是,三元锂电池的利好政策还在继续。

2021年11月,《锂离子电池行业规范条件(2021年本)》(征求意见稿)和《锂离子电池行业规范公告管理办法(2021年本)》要求,能量型动力电池项目单体能量密度应≥180Wh/kg,电池组能量密度应≥120Wh/kg。不过,目前主流的磷酸铁锂电池单体能量密度处于160Wh/kg附近,对于规范中对单体能量密度的要求,大部分磷酸铁锂电池尚无法满足。

毋庸置疑,高能量密度和政策补贴的加持,是三元锂电池显而易见的优势。对比来看,磷酸铁锂电池在单体能量密度上可以突破的空间不大,而三元锂电池的潜力还未充分挖掘出来。实际上,也正是锂离子电池的高能量密度的发展导向为三元锂电池带来了真正的“春天”。

然而,政策补贴和利好趋势也不能代替市场真正的需求,正如众多企业家挂在嘴边的话一样:消费者会用脚投票,选出真正适合发展的产品。

补贴给不了永久“话语权”

2019年,天际汽车CEO张海亮曾预言:未来3-5年,三元锂电池将会遭遇技术瓶颈。

如今2022年已来,三元锂电池的技术难关何时能真正突破尚未可知,但三元锂电池正在慢慢退出政策照顾的行列已然成为事实。

实际上,三元锂电池的政策补贴正在“退坡”。

2019年3月,财政部、工业和信息化部、科技部和发展改革委四部委联合发布《关于进一步完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》(以下简称为《通知》)。

《通知》表示,国补力度大幅退坡,补贴基数综合下降程度超50%,且2019年3月26日至2019年6月25日为过渡期,期间按2018年补贴的0.1倍和0.6倍进行补贴。此外,过渡期后地补(地方补贴)取消,转为支持充电等配套设施。

换言之,自2019年6月26日起,新能源汽车国家补贴标准降低约50%,地方补贴则直接退出,2019年综合补贴退坡幅度超70%。

2020 年 4 月,财政部、工信部、科技部、发改委发布《关于完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》提出,将新能源汽车推广应用财政补贴政策实施期限延长至 2022 年底,平缓补贴退坡力度和节奏,原则上 2020-2022 年补贴标准分别在上一年基础上退坡 10%、20%、30%。

补贴退坡的力度远超预期,车企继续采用三元锂电池,在不涨价的情况下,已经很难覆盖成本,降低成本成为车企的主要目标。而降低成本最快的方式就是切换电池种类。

彼时,在技术层面的双重进步推动下,磷酸铁锂电池的能量密度已经大幅提升。以国轩高科为代表的动力电池厂商已经将磷酸铁锂电池的能量密度提高达到210Wh/kg。

长期以来,降低成本一直是新能源车企关注的话题,动力电池的价格牵动着新能源车企的心。当三元锂电池的政策补贴热潮退去,不含钴元素的磷酸铁锂电池就成为了新能源车企的新选择。

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图源:123RF

乘用车市场信息联席会秘书长崔东树认为,新能源汽车补贴退坡,使各新能源车企逐渐转变经营方向,在部分车型上放弃追求更高能量密度的电池,改用相对更廉价的磷酸铁锂电池以降低成本。

此外,除了能量密度提升外,2019年以来,前期搭载三元锂电池的车辆频繁起火,三元锂电池的安全性再次引发广泛关注。

尽管探寻电动汽车起火原因是一个非常复杂的过程,将三元锂电池归为“罪魁祸首”也不完全妥当。但不得不承认的是,接连不断的新能源汽车自燃事件已经让消费市场的神经高度紧绷,这也无疑会成为动力电池市场选择的一大顾虑。

2020年,比亚迪总裁王传福曾表示,在国内的新能源乘用车领域,多个企业间存在续航攀比的现象,而提升续航的主要方法就是提升动力电池的能量密度,这导致电池行业的发展跑偏。当车企普遍选择能量密度更高的三元锂电池,并且还在持续增加电池的能量密度,这必然导致电动汽车自燃事件频频发生。

一般而言,三元锂电池和磷酸铁锂电池的材料在到达一定温度时都会发生分解,但三元锂电池的材料在200度左右的环境下就会发生分解,而磷酸铁锂电池的材料分解则发生在800度左右的环境下。并且三元锂电池材料的化学反应更加剧烈,会释放氧分子,在高温作用下电解液迅速燃烧,发生连锁反应。

为此,2020年5月,工信部颁布了一系列电动汽车强制标准,其中就包括一条“要求电池单体发生热失控后,电池系统在5分钟内不起火不爆炸,为乘员预留安全逃生时间”。这条强制标准也被业内认为是针对三元锂电池,从之前发生的自燃事件来看,多款搭载了三元锂电池的电动汽车从自燃到着火的时间在几十秒内。

市场选择,巨头转身

根据亿欧数据,从国内整个动力电池赛道来看,中国前十动力电池厂商总市值/估值约为2.55万亿元,其中一半厂商分布在生产制造行业,共计市值/估值为5788.27亿元,约占中国前十动力电池厂商总市值/估值的22.70%。

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从一定程度上来说,起初宁德时代能够迅速占领市场是因为恰到好处地乘上了政策补贴的“东风”。2012年,宁德时代率先获得了来自宝马汽车真正意义上的大订单;2014年,宁德时代再次拿到了来自宝马另一款纯电动汽车530Le的供应商订单。这两笔让动力电池厂商垂涎已久的大订单,使得宁德时代在动力电池市场内迅速变得火热起来。

值得注意的是,彼时的宁德时代兼顾了三元锂电池和磷酸铁锂电池两种技术路线。在对续驶里程敏感的乘用车领域,宁德时代主要选择了能量密度更高的三元锂电池;在商用车领域,则主要选择了磷酸铁锂电池。

2016年,补贴政策引入能量密度要求后,以宁德时代为代表的三元锂电池厂商市场份额不断扩张。2017年,宁德时代动力电池的配套车型和供货车企数量分别达到390款和64家。于是,借着补贴政策的东风,宁德时代登上全球出货量冠军的宝座,一举奠定了其在动力电池市场的地位。

如今,动力电池市场格局再次发生变动,当三元锂电池的发展势头较磷酸铁锂电池逊色,补贴政策的“东风”也动力不足,很多观望者在思考宁德时代将会如何面对此次“动荡”。

实际上,宁德时代一直在居安思危,已经开始在技术路线发展战略上进行转移,加大对磷酸铁锂电池的投入。

2021年11月,据《科创板日报》报道,针对“宁德时代已在韩国设立分部,为向现代汽车供货提供支持”的传闻,有接近宁德时代的知情人士透露:“情况属实,三元、磷酸铁锂电池都有在供给。”

相关数据显示,2021年宁德时代磷酸铁锂电池装机量为30.2GWh,三元铁锂电池装机量为35.7GWh,仅为磷酸铁锂电池装机量的1.2倍。行业预计,2022年宁德时代的磷酸铁锂电池装机量会大幅超过该企业的三元锂电池装机量,整个发展重心会发生变化。

2020年5月,工信部发布了第333批《道路机动车辆生产企业及产品》,其中申报信息显示,特斯拉Model 3的电池换成了磷酸铁锂电池。

此外,彼时有媒体报道,特斯拉的磷酸铁锂电池将会由宁德时代提供。报道称宁德时代的磷酸铁锂电池模组度电成本已经降到了500元以内,电池组的成本将会在600元以下。对比此前特斯拉所用的高镍三元锂电池度电成本在1000元左右。

2021年7月,特斯拉推出配备磷酸铁锂电池的Model Y标准续航版;2021年10月,特斯拉CEO马斯克透露,未来全球范围内的标准续航版Model 3和Model Y,将全部改用磷酸铁锂电池。

实际上,在动力电池市场内,选择磷酸铁锂电池的头部企业并不在少数。

2020年3月,比亚迪发布刀片电池,刀片电池通过结构创新,在成组时可以跳过“模组”,大幅提高了体积利用率,最终达成在同样的空间内装入更多电芯的设计目标。

相较传统的有模组电池包,“刀片电池”的体积利用率提升了50%以上,续航里程已经达到了高能量三元锂电池的同等水平。刀片电池让磷酸铁锂电池有了低成本、安全性高、使用寿命长和体积能量密度大等优势,这让磷酸铁锂电池重回一线又有了更多的加持。

王传福表示,刀片电池将改变行业对三元锂电池的依赖,让动力电池的技术路线回归正道,并重新定义新能源汽车的安全标准。2021年4月,比亚迪宣布旗下全系纯电乘用车型将搭载磷酸铁锂刀片电池。

此外,亿纬锂能、国轩高科等国内厂商也在加码磷酸铁锂电池,专注于三元锂电池的LG化学、SKI等韩国电池厂商,也在投身磷酸铁锂路线。

在国轩高科工研总院副院长张宏立看来,磷酸铁锂电池占比逐渐提升并不意外,这是市场选择的结果。

动力电池技术革命进行时

动力电池技术正在发生一场深远的变革。

独立汽车分析师张翔表示,在三年内,从三元锂电池切换到磷酸铁锂电池是一个趋势,2022年三元锂电池的份额大概率会进一步降低。

但这并不是动力电池市场的最终结果,专注于研发动力电池多条技术路线的厂商们希望可以给市场提供更多选择。

在动力电池赛道中,除了三元锂电池、磷酸铁锂电池和氢燃料电池外,还有四元锂电池。

2020年3月,通用与LG化学推出一款电池产品Ultium,且该电池电芯使用LG化学最新研发的NCMA四元锂电池。在NCMA四元正极材料中,钴元素含量从NCA/NCM 622中的20%下降至5%,成本进一步降低。

彼时,LG与通用表示,此前LG化学NCM 622的量产成本约为148美元(约合人民币1027元),但NCMA四元锂电池的量产成本为100美元(约合人民币694元),成本下降32.4%。

更重要的是,NCMA四元锂电池正极材料的热稳定性更高。

四元锂电池的技术原理是通过向NCM三元锂正极材料,混入少量的铝元素,使原本性质活跃的高镍三元正极材料在保持高能量密度的同时,也能维持稳定状态。研究表明,NCMA四元锂电池的正极材料放热峰值反应温度为205摄氏度,高于NCA正极材料的202摄氏度与NCM正极材料的200摄氏度。

四元锂电池能够在高能量密度的基础上,兼顾实现高安全性和低成本,这无疑像动力电池厂商们所期待看到的那样,兼顾了磷酸铁锂电池和三元锂电池的优质特性。

降低钴元素的含量,是降低生产成本的关键因素之一。为此,动力电池厂商们不断在钴元素上做“减法”,甚至干脆剔除钴元素,推出无钴电池。

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2020年5月,长城汽车的动力电池公司蜂巢能源发布彻底去除钴元素的L6薄片无钴长电芯。该款电池能量密度提高,成本降低,使用寿命更长,电芯寿命也比多晶高镍三元高出70%。

还有一部分电池企业在研究固态电池。

本质上,固态电池是三元锂电池的升级。两者的区别在于固态锂电池采用了不可燃、无腐蚀、不挥发、不漏液、高温下表现良好的固态电解液,安全性更高。同时,在能量密度和充放电性能上,固态锂电池可以达到500-600Wh/kg,充放电速率可达5C以上,核心参数比目前的三元锂电池高出一倍多。

2021年,宁德时代获得两项固态电池相关专利,并表示已经可以做出固态电池的样品,2020年预计实现大规模量产;同年9月,国轩高科表示将在2025年后量产固态电池;蜂巢能源与中国科学院宁波材料技术工程研究所共同成立了固态电池技术研究中心,计划在2025年量产装车。

此外,2021年9月,国内铁锂正极材料行业头部企业德方纳米和当升科技相继公布其磷酸铁锂技术升级产品—磷酸锰铁锂(LMFP)的产业化进展。

德方纳米表示,已成立“年产10万吨新型磷酸盐系正极材料生产基地项目”。该项目的落地被业内认为LMFP的产业化进程正在加速,预计在未来两年之内会量产装车。

随着四元锂电池、无钴电池、固态电池和磷酸锰铁锂电池的先后入局,如今的动力电池赛道上已经林立各路选手。在下一波技术路线之战中,或许攻守之势的转换不只是发生在三元锂电池和磷酸铁锂电池之间,更多的玩家、更多的力量和更多的选择会让动力电池市场拥有更多的出口。


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