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【行业焦点】比亚迪为什么坚持使用磷酸铁锂电池?

从电动汽车列入国家863高科技发展计划,到新能源汽车产业列入国家七大战略新兴产业,国家四部委从2009年开始实施两轮新能源汽车补贴政策,中国新能源汽车产业近十年来得到了快速的发展,但中国新能源汽车动力锂电池的发展一直存在方向性争议---锰酸锂、三元锂、磷酸铁锂之争始终没有平息。
抛开复杂的技术孰优孰劣之争,我们只要搞清楚中国新能源汽车产业要得到快速发展,真正能实现弯道超车的关键因素和依托点到底是什么,那么,新能源汽车动力锂电池的方向选择,就不应该是一个复杂的问题。
事实上,这些关键因素和依托点,业界早已形成了共识:一是,中国新能源汽车的发展,必须保证使用安全可靠、性能稳定和成本低廉的动力电池,其中,安全可靠是首位的,没有安全就不会有新能源汽车产业的未来;二是,在技术上应该能超越和领先发达国家和地区的,而非总是处于追赶状态,只有这样,中国新能源汽车产业才能真正实现弯道超车。
搞清楚了中国新能源汽车发展的关键因素和依托,针对我们行业的现实情况,再来比较一下三元和磷酸铁锂的现状与发展方向。
一、如果继续发展三元,我们的动力锂电池将永远处于追赶状态,不仅实现不了弯道超车,而且将丧失新能源汽车的安全性。
目前,改性锰酸锂和三元锂的核心技术,都掌握在日韩企业手中。尤其是三元锂,无论是技术、工艺还是设备,日韩行业龙头都已达到非常成熟稳定阶段。
目前,三洋、松下和三星SDI的18650三元锂电池,容量已做到3.1AH以上,而国内最知名的三元锂电池企业的18650电池,容量也不过做到2.2AH左右。三洋、松下和三星SDI批量生产的18650三元锂电池,在电压、容量、内阻、放电平台、恒流比等几项关键电池指标的一致性已超过90%,可以不用分容配档即可成组,而国内最优秀的三元锂电生产企业也无法做到。
如果中国新能源汽车动力电池的发展方向定位于发展三元锂电,不仅长期处于追赶日韩企业状态,而且因缺乏关键技术、工艺和设备,已陷入到了一个发展瓶颈。
以容量提升为例,国内最优秀的18650型三元锂电池,容量在2.2AH左右已不断出现安全问题,如果没有大的技术和工艺突破,仅在材料改性方面或提高极片压实密度来提升容量,不仅会大幅降低电池的循环性能,更严重的是,三元锂电的安全性问题会更加突出。
使用安全,是新能源汽车发展三大关键要素之首。特斯拉采用了三元锂电中最好的松下电池,也避免不了五周之内三次着火。万幸的是,有特斯拉先进的整车安全设计才没有引发人身伤亡,而中国新能源汽车企业在整车安全设计方面,又有几家能达到特斯拉的水平?
技术严重受制于日韩企业,规模也远不如日韩企业巨头。三星SDI今年一次性将18650-2.2AH的电池销售价格降至1美元/只,几乎将国内同行逼上绝境。
在国内三元动力电池性能和价格都无法与日韩巨头相比的情况下,如果我们在新能源汽车动力电池上坚持三元路线,恐怕我们还在追赶路上,就已经被国际巨头给扼杀了,更无从谈什么弯道超车。最终结果将跟传统汽车发展一样,高端车和核心技术依然源自国际巨头,即使我们让出了市场也换不回核心技术。
磷酸铁锂电池则不同。日韩企业基本没有涉足,国际主要竞争对手来自美国。虽然两个基础专利有一个在美国(A123和Valence是美国磷酸铁锂电池的主要代表),但中国与美国的技术水平相差不大,而且中国是全球在磷酸铁锂领域投入最大、产销量最多的国家。
随着万向集团收购了A123,事实上中国企业已经掌握了磷酸铁锂电池全球最高端的技术和工艺。而磷酸铁锂电池在安全性和循环寿命上相对于三元锂电的绝对优势,正是中国新能源汽车关键要素所在和发展所需。只要明确其发展地位,加大投入固化这一优势,中国新能源汽车就完全有弯道超车的可能。
二、选择三元,顶层设计缺乏前瞻性,全球镍、钴资源紧张,其大量应用将导致市场价格暴涨,尤其中国这两种元素的贮量根本无法支撑。
三元锂电的材料配方,无论是镍钴锰酸锂,还是镍钴铝酸锂,都离不开两种贵金属,即钴和镍。这两种金属在中国都很匮乏,在全球储量也有限。其中,中国钴的使用量90%以上都需要进口,镍主要用于不锈钢生产,这两种贵金属都有国际期货交易,价格不仅高且波动很大。
如果中国确定以三元锂电为主要的动力电池发展路线,按照政府规划,到2020年,新能源汽车产能达到200万辆,新能源汽车保有量达到500万辆。按每辆新能源汽车动力电池平均带电量80KWH计算,500万辆新能源汽车所需电池就达4000亿WH电池,这还不包括用于更换和备用的电池。这种需求一旦推向市场,将很快推动钴、镍期货价格暴涨,从而带动其现货市场价格暴涨,三元锂电未来的价格走势将直线上升。
中国新能源汽车推广没有达到政策预期目标的一个很大的原因,就是价格居高不下。其中,最重要的原因,就是占据新能源汽车成本近50%的动力锂电池价格居高不下。三元路线的结果,就是新能源汽车价格更高,要求政府的补贴也要更多,永远无法实现市场化推广。
磷酸铁锂电池则刚好相反,不含任何贵金属,而且生产正极材料的主要原料氧化铁、碳酸锂在中国储量非常丰富。如果下游新能源汽车市场需求放大,其上游材料在规模效应的推动下,成本将直线下降,占据磷酸铁锂电池成本超过30%的正极材料价格的下降,将促使磷酸铁锂电池价格的迅速下降。
三、整车安全设计上,中国新能源汽车使用三元锂电作为动力电池,会存在巨大安全隐患。
特斯拉三次着火中,其中一次为金属片划破电池引发的,但因特斯拉整车安全设计完善,三次着火并没有引起人员伤亡。三元材料的脱氧温度是200℃,放热能量超过800J/g,三元锂电无法通过针剌实验,表明了三元电池在内部短路的情况下,很容易引发安全事故。
目前,中国新能源汽车整车安全设计,短期内根本无法达到特斯拉的水平,使用三元锂电作为新能源汽车动力电池存在巨大安全隐患。事关乘客人生安全,这种安全隐患哪怕是十万分之一的发生概率,也是不能接受的。
磷酸铁锂电池在高温下的稳定性,可达390℃以上,保证了电池内在的高安全性,不会因过充、温度过高、短路、撞击而产生爆炸或燃烧,可以轻松通过针剌实验。这一安全性特点,对中国还处于幼稚期的新能源汽车产业来说,是最合适的。
四、从中国新能源汽车使用对象的消费特点和习惯来看,三元锂电并不适合做中国新能源汽车动力电池。
特斯拉被称为“富人的玩具”,装配电池容量设计续航里程为400KM,但大多时候,实际运行也就200KM左右,属浅充浅放,因而循环寿命有所保障。但中国新能源汽车大多用于公交、政府公务、专用车和居民乘用车,其使用特点是,每天大多有固定线路和频次要求,属深充深放,三元锂电在DOD95%以上的条件下,容量衰减速度很快,循环寿命仅为磷酸铁锂电池的一半不到。
新能源汽车平均使用8年以上,动力锂电池如果处于深充深放的条件下,维持80%以上的容量,三元锂电使用寿命将不到三年,而磷酸铁锂电池基本可以满足8年的使用要求。
在目前国家相关补贴政策的条件下,首次购买新能源汽车有政府相应补贴,但二次采购电池并无补贴。三元锂电池在新能源汽车使用周期内,需要更换两次电池,将极大增加使用者的经济负担,而不会为终端使用者所接受。
如果三元锂电要获得与磷酸铁锂一样的使用寿命,其只能浅充浅放,需增加至少50%以上的电池容量。如此,其能量密度较高的优势将丧失,体积将比同性能磷酸铁锂电池大,电池重量也会更重,其价格更是远高于磷酸铁锂电池。
2011年5月,装配了韩国LG化学三元动力锂电池的美国通用最经典混合动力汽车沃蓝达,在美国进行碰撞测试。第二次测试发生了浓烟和明火,第三次测试七天后发生了自燃,因此受到美国国家公路交通安全管理局NHTSA的调查,加上投入市场仅一年的近6000台沃蓝达,因批量出现电池容量衰减至80%以下而大量召回。LG化学作为全球三元锂电的领导者,其生产的三元锂电的安全性和容量保持率尚且如此,正说明了三元锂电事实上并不适合装配于新能源汽车。
五、磷酸铁锂电池将最适合未来电动车的发展。
可以预见的是,未来纯电动乘用车、专用车的发展,将具有如下特点:一是形成三类车型,即1.3吨以下,1.3~1.7吨和1.7吨以上。对应每度电,分别实现续航里程10KM、8KM和6KM,对应装配电池重量,也分别为300KG、500KG和800KG左右。二是所有电池都装配直流快充和交流慢充两类充电方式。三是无论车身还是底盘都将使用新材料,走轻型化复合材料路线,如铝合金、碳纤维复合材料等。
因而,中国未来电动车的发展,对动力电池要求其能量密度高一点低一点都不再是主要问题,因为整车从安全性、重心稳定性设计,需要保持一定的重量。车身和底盘轻一点,电池重一点,将是一种全新的汽车系统设计---车身和底盘进行轻量化设计,磷酸铁锂电池组进行配套设计,来保证车身重量和车身重心稳定。
新能源汽车能否大规模普及推广的关键,是使用安全、性能稳定可靠和成本低廉,只有如此,才能为市场所接受和大众所喜欢。
磷酸铁锂电池, 能保证组合能量密度达到100~120WH/KG,加上其最好的安全性和可预见的经济性,必将是中国新能源汽车动力电池发展的最佳选择。
我们只有不怀疑、不懈怠和不折腾,相信二十年后,中国的新能源汽车已是大行其道,而其心脏一定是磷酸铁锂动力电池。


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