三元 VS 磷酸铁锂，谁才是国内动力电池界的“一哥”？

三元 VS 磷酸铁锂，谁才是国内动力电池界的“一哥”？

锂电前沿 前天

2018年6月份，Elon Musk在推特发表宣言，称想要从现有的NCA方向上继续减少钴的用量。

2月18日，一则关于特斯拉将使用宁德时代“无钴电池”的新闻迅速传开。在三元锂电池大行其道的当下，磷酸铁锂电池重回热点。

提到磷酸铁锂，相信大家并不陌生，但受限于当时的电池技术和国家补贴政策，磷酸铁锂一直在新能源商用车和储能领域发光发热。

近年来，是什么让磷酸铁锂又重新回到乘用车领域，与三元争“一哥”呢？下面，就让我们就来扒一扒这其中的原因。

01

什么是“磷酸铁锂”和“三元”？

两款电池的的负极、电解液及隔膜等均类似，最大的区别在于正极材料，并以此取名。

三元电池有NCM和NCA两类。NCA镍钴铝电池，主要应用于圆柱电池中，例如特斯拉。而国内绝大部分车型都采用NCM镍钴锰电池。

三元常见的表达方式还会在NCM后加一串数字，例如NCM523、NCM811等，代表了镍钴锰在材料中的大概比例。

02

两款电池在性能上有何差别？

受结构影响，磷酸铁锂和三元在性能方面各有优劣，我们从大家最关心的几个点依次分析：能量密度、快充性能、循环寿命、安全性、成本。

能量密度：

对于用户来讲，续航里程是首要关注点。在其他因素相同时，能量密度越高，意味着续航里程越长。

从电芯层面来讲，三元电池能量密度更高。磷酸铁锂正极材料的额定电压、理论比容量（mAh/g）均低于三元电池，且其能量密度已开发到“天花板”。

而三元NCM电池还可以通过提高Ni元素比例，进一步提高实际比容量（mAh/g），提高电芯能量密度。

注：电芯能量密度需结合电芯设计与工艺综合评估，表中值仅作参考。

快充性能：

快充时间，尤其是低温快充，作为制约电动汽车发展的关键因素之一，也是改善用户用车体验的关键点。

理论上，三元电池有优势。其二维的锂离子脱嵌通道与均衡的电解液设计，使得在充放电过程中，锂离子可以在一张面上快速移动脱嵌，充电速率自然就快了起来。

而磷酸铁锂结构因其一维的锂离子脱嵌通道，和侧重高温性能的电解液设计，导致其锂离子迁移速率慢，尤其是低温充电速率慢。这一特性直接影响了其在乘用车领域的应用。

循环寿命：

理论上，磷酸铁锂在寿命方面存在优势。其橄榄石晶体结构更稳定，膨胀更低、电化学反应更稳定。

安全性：

磷酸铁锂电池在安全方面具有无可比拟的优势。其正极电压低，不存在类似于三元的释氧热链式反应，热稳定温度可以达到300℃以上，而三元电池在150-200℃左右。

经济性：

价格上，目前磷酸铁锂LiFePO4有明显优势，原材料相对价格便宜，国内产业链相对成熟。

而想要降低三元NCM（LiNixCoyMn1-x-yO2）电池价格，钴元素是关键。钴主要是伴生矿，产量少且分布不均，全球钴矿主要集中在刚果（金），澳大利亚、古巴等地，约占全球储量的80%，2018上半年刚果（金）政局变动便造成钴价大幅波动，价格持续高涨。

粗略比较，磷酸铁锂要比三元价格便宜0.1~0.2元/Wh。对于一个50kWh电池包，仅电芯就可降本近0.5~1万元。这对整车生产厂商和用户都是一个不小的吸引点。

简单说，三元在能量密度、快充速度方面有优势，磷酸铁锂在循环寿命、安全、经济性上有优势。

但在电动汽车发展前期，电池包能量密度＜140Wh/kg，整车NEDC续航里程大多低于300km。当时影响电动汽车发展的瓶颈在于续航里程，且有国家补贴政策支持，可弥补经济性的不足，所以三元锂电池是首选。

03

为什么磷酸铁锂重返乘用车领域？

随着国家新能源补贴政策的退坡，新能源汽车要开始与传统燃油车赤身拼搏，各整车生产厂商都面临巨大降本压力。与此同时，磷酸铁锂电池被人诟病的能量密度和充电缺点，也在随着技术的发展得到改善。

能量密度方面：随着CTP（Cell to PACK），即是电芯直接集成为电池包技术的成熟，更高效电池包集成、更低整车能耗，磷酸铁锂车型的续航，已有能力提升至400km甚至500km以上。

充电方面：随着电芯快充、热管理、充电桩技术的发展，应用于乘用车的磷酸铁锂电池也基本可以做到与主流三元相同的快充速率。

成本方面：国家补贴政策退坡，NCM811电池虽降低了钴含量降低成本，但工艺复杂，现阶段生产成本较NCM523无明显优势。此时成本更低、寿命更长的磷酸铁锂电池，自然被更多车企选择，成为主流趋势。

1）磷酸铁锂电池，充分发挥其在成本、寿命及安全方面优势主打中低端的车型和运营车，续航在400km左右。

2）三元依赖于其高的能量密度、更快的快充速度、更长的续航里程，主打中、高端车型，续驶里程≥500km。

根据市场端需求定位规划，为用户购车提供了更多的选择，不存在谁替代谁。相信今年一定陆续会有很多经济型的磷酸铁锂和高续航的三元车型上市。

至于特斯拉，在国内大概率会采用CATL的磷酸铁锂电芯，而“cobalt free”是否是要进一步减低三元电池中钴元素含量，研发新一代电池，还耐人寻味，让我们拭目以待！

固态电池产业化之路多艰

目前几乎所有大型车企、领先的电池生产商都在持续推进固态电池的研发和产业化探索。部分企业研发的固态电池也表现出比锂离子电池更明显的优势。但很多成果实际上仍停留在实验室阶段，实现产业化还为时尚早。固态动力电池在安全性、生产工艺以及与汽车配套后的一致性上都有更高的要求，这些都是企业必须攻克的难题。

作为被业界看好的下一代新型电池技术，固态电池近年来热度不断攀升，在业内形成了一股新的投资热潮。

日前，固态锂电池技术公司辉能科技（下称“辉能科技”）对外宣布已完成近亿美元D轮融资，投资方包括中银投资和一汽产业基金，本轮融资将用于固态锂电池的商业化落地和工厂建设。“我们今年预计完成1GWh车载固态电池产线的试车，2021年开始量产，将比同行早4—5年时间。”辉能科技表示。

深受企业追捧

记者了解到，辉能科技成立于2006年，在2013年实现了固态锂电池的商业化量产，早期应用于消费电子领域，近年来应用于新能源汽车领域。今年3月，辉能科技对外发布了全新堆叠式固态锂电池（SSB）。资料显示，与平常使用的液体或凝胶聚合物不同，SSB电池采用的是氧化物陶瓷电解质，可延长电池寿命，缩短充电时间，而且更加安全，不会发生火灾或爆炸。

“与目前使用的电动汽车锂离子电池相比，SSB电池重量更轻、更节能、更安全，总能量密度提高了29%—56%。”辉能科技公布的数据显示，目前，该企业的车载固态电池包能量密度已达190Wh/kg，预计在2022年可达270Wh/kg。

“我们研究固态氧化物路线已经超过13年，克服了材料瓶颈与量产工艺制备的挑战，创造出固态锂陶瓷电池芯、多轴双极电池包等独家专利技术，可同时解决电动车的安全问题和里程焦虑，而且使用寿命比传统锂电池长、可5C快充、耐高低温。”辉能科技创始人杨思枏强调。

事实上，辉能科技并不是唯一一个推进固态电池的企业，目前几乎所有大型车企、领先的电池生产商都在持续推进固态电池的研发和产业化探索，其中包括宝马、奔驰、松下和三星等跨国企业，以及国内的宁德时代、比亚迪、国轩高科、江苏清陶等企业。

“没有一个厂商是完全不关注固态电池的。对于下一代新技术方向，每个有实力的厂商都会关注、研究，以保持竞争力。”中国化学与物理电池行业协会秘书长刘彦龙坦言。

技术和成本等难题待攻克

虽然从技术和性能方面来看，固态电池都极有可能成为三元电池之后电动汽车的主流选择，但从目前进展来看，由于其产业化条件仍未成熟，发展仍然面临着很多困难。

“在固态电池的开发上，我们应该考虑四个因素——电解质与电极之间的稳定化学界面、用于表征的有效工具、可持续的制造过程，以及可回收性设计。”作为从事固态电池研究的机构之一，加利福尼亚大学圣地亚哥分校近日发布了一篇论文，重点探讨了固态电池技术发展面临的四大挑战。

“需要注意的是，我们应该考虑如何同时应对这些挑战，因为它们都是相互关联的。如果我们要确保全固态电池的技术是可靠的，那就必须找到同时解决这些挑战的方案。”加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的纳米工程学教授ShirleyMeng指出。

除了技术难关需要攻克，业内还普遍认为，由于固态电池成本过高，如果想要实现批量化生产，与锂离子电池同台竞争，恐怕尚需不少时日。

“比如固态电解质能否实现快充这个问题，我认为如果用双核心技术，辉能科技的固态电池在能量密度上基本是等同于采用了相同的活性材料，即能够达到快充状况。”杨思枏举了个例子来描述固态电池的高成本问题。“唯一的问题就只有固态电解质本身的价格了。”

多项进展尚停留在实验室阶段

记者注意到，为能够在下一代电池技术更迭时抢占先机，目前已有很多动力电池企业在积极研发与固态电池相关的技术，同时也获得了一定的突破。然而在产业化的问题上，业内普遍认为还是为时尚早。

“固态电池要想产业化还很难。”刘彦龙表示，目前很多企业的固态电池试验样本是做出来了，但大部分还处于实验阶段，能否达到车规级应用还有待考证。

比如三星日前发布了关于固态电池研究的最新进展，在困扰全固态电池量产的锂枝晶与充放电效率问题上提出了解决方案。资料显示，使用该技术的电池在体积上会比相同容量传统锂离子电池缩小50%，单次充电可达800公里续航，循环次数高达1000次。但记者注意到，这项技术目前仅在实验室中得到验证，短期内还无法投放市场。

同样表示无法量产的还有其他企业。辉能科技日前坦言，新研发出来的SSB电池，目前还难以实现大规模量产和应用。而宁德时代的一位电池开发负责人此前更是直言：“宁德时代的全固态电池还在开发中，也制作了样品，但要实现商品化，恐怕要到2030年以后。”