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23年專注鋰電池定制

誰能掌握新一代電池技術(shù)？

鉅大LARGE  |  點擊量：880次  |  2020年04月29日  

日前，一則寧德時代計劃明年量產(chǎn)NCM811動力鋰電池的消息，將動力鋰電池行業(yè)新一輪的技術(shù)競賽擺在了人們眼前。稍早時候，比亞迪也以非官方公開發(fā)言的形式，表示其NCM811動力鋰電池會在2019年下半年投入使用。


NCM811，即正極材料中鎳鈷錳的含量比例為80%：10%：10%的三元鋰離子電池，代表目前動力鋰電池領(lǐng)域最高能量密度與最高技術(shù)含量的路線。


然而，在現(xiàn)下的語境，兩大動力鋰電池龍頭齊齊放話要上NCM811，核心用意卻不是要在此時爭出個你死我活。



兩年后，國產(chǎn)新能源車退坡、動力鋰電池產(chǎn)業(yè)放開后，在技術(shù)與產(chǎn)業(yè)布局上領(lǐng)先的外資電池將真正卷土重來，屆時，或?qū)⒂幸粓龈鼮閼K烈的動力鋰電池三國殺。國內(nèi)的動力鋰電池公司最有效的應(yīng)對方式，唯有以先進的技術(shù)回應(yīng)挑戰(zhàn)。


高鎳材料體系成動力鋰電池必由之路


假如說在2017年，動力鋰電池公司對三元鋰離子電池的正極材料選擇還有所疑慮的話，那么一年過后，兩股強大的力量：鈷的價格，以及政策和市場提出的能量密度要求，基本將公司的選擇鎖定在了高鎳三元材料。


根據(jù)倫敦貴金屬交易所的今年二月的數(shù)據(jù)，從當(dāng)時往前倒推的18個月里，作為動力鋰電池中尤為關(guān)鍵的材料，鈷的價格上漲了3倍，最高時價格達到了8萬美金/噸。根據(jù)全球第四大鈷生產(chǎn)商金川國際財報披露，其鈷平均售價上半年上升至每噸74243美元，同比上升118%。這兩天，鈷價（電解鈷）則稍稍回落到了50萬元人民幣/噸以下。然而，一噸電解鎳的價格，目前就11萬出頭。


正極材料在動力鋰電池的成本占比最高，最高可以達到30%。一路瘋漲的鈷價與相對低廉的鎳價兩相比較，動力鋰電池公司們決定pick鎳。這是高鎳三元材料崛起的第一重因素。


與此同時，電動汽車的里程焦慮，到如今仍然廣泛存在。日前蔚來ES8120公里時速續(xù)航里程200公里出頭的消息引發(fā)了廣泛關(guān)注，就是最好的例子。消費對電動汽車續(xù)航里程的期待通過車廠傳導(dǎo)到了動力鋰電池公司，必然要求電池能量密度更高，帶電量更大，能夠跑更遠。


恰好，鎳在鋰離子電池內(nèi)的重要用途就是拉高克容量，讓電池的能量密度更高。公開數(shù)據(jù)顯示，NCM811材料的克容量能夠達到190mAh/g，顯著高于鈷含量更高、國內(nèi)目前最主流的NCM523。


同樣，國家政策也在強化對動力鋰電池能量密度、成本的要求。2017年二月出臺的《促進汽車動力鋰電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動方法》》明確提出了到2020年動力鋰電池單體能量密度300Wh/kg、系統(tǒng)能量密度260Wh/kg，成本1元/Wh的目標。標準不斷走高的新能源車補貼標準，比如今年純電動乘用車系統(tǒng)能量密度達到140Wh/kg才能拿到足額補貼的條款，也在推動動力鋰電池產(chǎn)業(yè)往高鎳三元材料路線進發(fā)。


在2018年，NCM811一時成為國內(nèi)動力鋰電池產(chǎn)業(yè)的寵兒。不僅是比亞迪、寧德時代表示2019年量產(chǎn)的計劃，國軒高科、億緯鋰能等也計劃在2019年量產(chǎn)，比克、力神、鵬輝新能源更是表示，其NCM811動力鋰電池已經(jīng)實現(xiàn)了量產(chǎn)供貨。其中比克還列出了一份客戶表，北汽新能源、上汽大通、云度等均在其列。而原本計劃在NCM523基礎(chǔ)上發(fā)展、推廣的NCM622，此時聲量已經(jīng)小了下去。


多方合力之下，我國動力鋰電池技術(shù)似乎又要迎來一輪“一步到位”的跨越式發(fā)展。


高鎳動力鋰電池之戰(zhàn)：日本領(lǐng)先，國產(chǎn)已落后


然而，在我國動力鋰電池行業(yè)刮起一片NCM811之風(fēng)時，韓國那邊卻傳來了“壞消息”：


去年，韓國動力鋰電池行業(yè)的老三SKI宣布量產(chǎn)NCM811軟包動力鋰電池，將為起亞的電動汽車供貨。然而今年，SKI卻宣布推遲量產(chǎn)NCM811的計劃。


而韓國的另一動力鋰電池巨頭LG，今年初LG配套電池的現(xiàn)代KonaEV亮相時，一度被傳為是”首款使用NCM811電池的電動汽車”，而后韓國媒體卻辟謠，KonaEV采用的是NCM622三元電池。LG化學(xué)CFO在接受采訪時也表示，LG生產(chǎn)的NCM811僅限于圓柱形鋰離子電池、僅應(yīng)用在電動大巴上。


不過，技術(shù)要求稍低的NCM622技術(shù)路線，國內(nèi)的廠商也尚未實現(xiàn)大規(guī)模上量。在面向未來的技術(shù)儲備上，國內(nèi)動力鋰電池產(chǎn)業(yè)在中日韓三國中最弱勢。


三元鋰動力鋰電池的各項屬性之間，一直存在相互制約的關(guān)系——能量密度高了，溫控和安全性就更難保障；要保障電池循環(huán)壽命，能量密度就會相對受限。


三元材料中鎳含量與電池各屬性關(guān)系：左邊為失控溫度，中部為克容量，右邊為容量保持性能


NCM811中提升了鎳的占比，拉高了電池的能量密度，然而卻要付出電池循環(huán)壽命減少、電池?zé)岱€(wěn)定性變差、功率性能下降等諸多代價，這便要求在動力鋰電池的其他關(guān)鍵材料（負極材料、隔膜、電解液）以及電芯成組、成系統(tǒng)的環(huán)節(jié)予以找補。


僅有日本的松下，以圓柱形電池的形式真正解決了高鎳三元材料動力鋰電池的大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用問題。雖然松下采用的正極材料是NCA（鎳鈷鋁），三種材料配比為80%：15%：5%，但本質(zhì)上它和NCM811路線同源。在特斯拉Model3采用的21700圓柱形電池上，松下實現(xiàn)了單體電芯能量密度300Wh/kg的指標。


特斯拉所用2170電芯


松下供應(yīng)的電池超高能量密度并不只歸功于高鎳正極材料。在負極上，松下使用了碳硅材料。硅的克容量為4200mah/g，而純石墨負極克容量僅為373mah/g，摻入了硅的碳硅負極材料克容量能夠達到400-650mah/g的水平，進一步推高了電池的能量密度。


特斯拉此前更是在生產(chǎn)報告中指出，其電池的部分性能指標已經(jīng)比競爭對手下一代還強，和寧德時代的路線圖比起來，似乎確實是這樣。


看寧德時代的技術(shù)路線圖，他們使用NCM811配合碳硅負極實現(xiàn)300Wh/kg能量密度的產(chǎn)品，要在2020年才推出。


這意味著，松下在高鎳三元鋰動力鋰電池的產(chǎn)業(yè)化、應(yīng)用于乘用車的節(jié)奏上，至少領(lǐng)先了我國動力鋰電池龍頭公司2-3年。盡管寧德時代與比亞迪在去年的動力鋰電池出貨量排名上分列第一、第三，但在技術(shù)上，松下仍然是公認的第一。


而國內(nèi)雖然也有不少動力鋰電池公司推出NCM811圓柱形鋰離子電池并開始推向市場，但在規(guī)模上完全無法和松下高達數(shù)GWh的供貨量相比。


高鎳電池量產(chǎn)要全產(chǎn)業(yè)進步


據(jù)悉，寧德時代頻繁與車廠進行合資的舉動中，有較大成分是因其技術(shù)深度與國外巨頭相比并不領(lǐng)先，希望以此舉來綁定車企，分擔(dān)風(fēng)險。而比亞迪，日前也在動力鋰電池領(lǐng)域和長安合資。


不過，技術(shù)不占優(yōu)也并非全然是寧德時代、比亞迪們不夠努力。由于動力鋰電池牽一發(fā)而動全身的屬性，對NCM811的應(yīng)用，其實要整個產(chǎn)業(yè)體系的通力配合。而國內(nèi)動力鋰電池生產(chǎn)廠商的上下游、我國的動力鋰電池產(chǎn)業(yè)乃至新能源車產(chǎn)業(yè)，本就處在追趕者的角色。


在整個產(chǎn)業(yè)上游，動力鋰電池的四大關(guān)鍵材料（正極材料、負極材料、隔膜、電解液），目前日韓公司居于技術(shù)主導(dǎo)地位，更尖端的高鎳三元材料和其配套材料更是如此。


1、正極材料


在正極材料方面，目前高鎳三元材料的成熟制備技術(shù)和批量生產(chǎn)量力重要掌握在日本住友、戶田工業(yè)和韓國的ECOpRO手中，高鎳三元材料還大量依賴進口。


電鏡下的三元材料


據(jù)CBC有色網(wǎng)的統(tǒng)計，2017年全年我國共進口三元材料9142噸，同比大幅新增288.5%。


2、負極材料


在負極材料上，國內(nèi)動力鋰電池產(chǎn)業(yè)對碳硅負極的生產(chǎn)應(yīng)用也處于相對滯后的局面。據(jù)起點研究院的數(shù)據(jù)，2017年我國鋰離子電池硅碳負極材料產(chǎn)量達到1500噸，雖然上升速度達到了130%，但在全年鋰電負極材料總產(chǎn)量中僅占比1%。


而日本方面，松下在2012年公布的NCR18650C型號電池中就應(yīng)用了碳硅負極，而后的特斯拉動力鋰電池中均有碳硅負極的存在。這意味著從2012年開始，日本的碳硅負極材料就開始了大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。


3、電解液


在電解液方面，NMC811動力鋰電池中化學(xué)活性更高的鎳含量更高，更容易與電解液發(fā)生反應(yīng)，一來會造成正極材料表面氧化，二來造成電解液分解、產(chǎn)氣，影響電池的能量、安全性能。此時，便要研發(fā)與NCM811材料配套的、化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定的電解液。


同樣，我國的電解液產(chǎn)業(yè)起步也晚于日韓。雖然在2017年拿到了70%的全球電解液市場份額，但在與高鎳三元材料配套的新一代電解液上，我國公司的進度較日韓特別是日本更慢。目前，代表最高實力的特斯拉NCA動力鋰電池中的電解液，來自有20年生產(chǎn)相關(guān)經(jīng)驗的日本三菱化學(xué)。國內(nèi)廠商普遍還處于技術(shù)攻關(guān)的階段。目前，公開宣稱與NCM811正極材料配套電解液量產(chǎn)的，僅有國內(nèi)電解液巨頭新宙邦。


4、電池隔膜


在技術(shù)含量最高的隔膜上，動力鋰電池的高鎳化、高能量密度化，要隔膜技術(shù)進行兩大改進——一是生產(chǎn)方法從干法向濕法轉(zhuǎn)變，從而獲得更好的充電倍率和能量密度性能；二是薄膜材質(zhì)從pp/pE向陶瓷材料演進，從而獲得更好的安全性能和能量密度性能。


隔膜生產(chǎn)線


2015年的數(shù)據(jù)中，世界前三大鋰離子電池隔膜生產(chǎn)商分別為日本旭化成、東燃化學(xué)、韓國SKI，前六家海外公司總市占率達到72%。2016年我國市場鋰離子電池隔膜總需求達到20億平方米，占全球市場近60%，但國產(chǎn)隔膜的產(chǎn)量僅12億平方米左右，隔膜進口率達到了40%。國內(nèi)隔膜廠商雖然近兩年的市場占有率不斷上升，但仍處于低端的干法隔膜產(chǎn)量過剩，高端濕法隔膜產(chǎn)量不足的尷尬局面。


在產(chǎn)業(yè)中游，動力鋰電池生產(chǎn)商這邊，國內(nèi)對動力鋰電池封裝路線的選擇，也對量產(chǎn)NCM811動力鋰電池帶來了考驗。


松下采用的是封裝路線為圓柱形鋰離子電池，其外殼硬度較大、單枚電芯體積小，這帶來的優(yōu)勢是，高硬度外殼可以更好抑制碳硅負極體積膨脹問題以及電池內(nèi)產(chǎn)氣的問題。同時，單枚體積較小的圓柱形電池的熱失控問題也更好管理，不易蔓延。動力鋰電池走向高鎳三元方向后，安全問題變得最為尖銳，而圓柱形鋰離子電池的形態(tài)較好地緩解了這一問題。


而以寧德時代、比亞迪為龍頭的國內(nèi)動力鋰電池生產(chǎn)廠商，選擇的大多是方形硬殼封裝路線，在保障安全性的優(yōu)勢上不如圓柱形電池明顯，方形硬殼NCM811動力鋰電池在全球也還沒有大規(guī)模應(yīng)用的案例，無相關(guān)經(jīng)驗可循


另外，國內(nèi)動力鋰電池廠商的電芯一致性，也與日韓公司尚有差距。


而在產(chǎn)業(yè)下游，車企對動力鋰電池進行配套應(yīng)用的能力，也是一道阻礙NCM811普及的難關(guān)。依然從松下的動力鋰電池舉例，松下與特斯拉其實是相互成就的關(guān)系。


松下雖然為特斯拉供應(yīng)了單體能量密度達到300Wh/kg的21700NCA電芯，但事實上，松下并未徹底解決高鎳和碳硅負極帶來的負面影響，其電芯的循環(huán)壽命并未達到目前主流三元材料電池2000次+的水準。


然而，特斯拉通過將電池系統(tǒng)容量提升到100KWh的方式，降低單枚電芯的單次放電深度，從而變相延長了動力鋰電池的使用壽命。同時，特斯拉的電池液冷系統(tǒng)、能夠管理7000枚電芯的BMS，也在為電池正常工作保駕護航。


而國內(nèi)車企與動力鋰電池廠商進行深度合作，打造一個深度定制的電池管理系統(tǒng)從而對電池工作情況進行深入優(yōu)化的能力，還有待驗證。


此外，國內(nèi)動力鋰電池行業(yè)里還存在生產(chǎn)設(shè)備依賴進口、原有產(chǎn)線無法復(fù)用過渡到NCM811生產(chǎn)等問題要解決。


四、國外巨頭虎視眈眈國內(nèi)公司迅速追趕


從目前的行業(yè)態(tài)勢來看，面向下一代的高鎳三元動力鋰電池，日本由于有松下-特斯拉這一激進的跨國組合，以及其背后強大完善的產(chǎn)業(yè)鏈支持，目前在技術(shù)與應(yīng)用上均處于領(lǐng)先態(tài)勢。


而韓國公司雖然在技術(shù)專利、歷史相關(guān)經(jīng)驗相較于國內(nèi)公司仍有一定優(yōu)勢，但從LG與SKI皆推遲NCM811電池生產(chǎn)計劃的局面來看，國內(nèi)公司有希望在近期快速拉近和韓國公司的差距。


但現(xiàn)實情況是，在2020年新能源車補貼將全面退出，政策進一步放開后，假如國內(nèi)動力鋰電池廠商無法供應(yīng)在性能和價格上與日韓公司至少平齊的產(chǎn)品，那么整車廠將會用腳投票，轉(zhuǎn)向采購?fù)赓Y電池。


事實上，無論是國外的電池巨頭還是國內(nèi)的車廠，都已經(jīng)在為這一可能的局面未雨綢繆。


今年七月十七日，LG化學(xué)與南京江寧濱江開發(fā)區(qū)政府正式簽約，LG化學(xué)將在濱江開發(fā)區(qū)投資20億美元建設(shè)總產(chǎn)量達到32GWh的動力鋰電池廠。在此之前，吉利則是接手了LG化學(xué)之前的南京電池廠，以LG化學(xué)的電池技術(shù)，為沃爾沃和領(lǐng)克的新能源車生產(chǎn)、供應(yīng)電池。



松下在大連的動力鋰電池廠，今年三月正式量產(chǎn)，在尚不能打開國內(nèi)市場的情況下，計劃向先通用配套方形動力鋰電池。


而位于西安的三星環(huán)新，則仍在“潛伏”中。


強敵在側(cè)，也就不難理解國內(nèi)動力鋰電池公司為何紛紛要朝NCM811躍進。


稍顯安慰的信息是，雖然在技術(shù)上相對滯后，但國內(nèi)公司仍然有一些獨特的優(yōu)勢。依托政策紅利以及我國新能源車市場規(guī)模的紅利，國內(nèi)動力鋰電池產(chǎn)業(yè)可以在NCM811方向快速上量，形成規(guī)模。國內(nèi)動力鋰電池公司們的2019年推出NCM811或者高鎳三元材料電池的目標也并非空中樓閣——國內(nèi)動力鋰電池整個產(chǎn)業(yè)鏈都在朝高鎳三元體系轉(zhuǎn)向。


在上游，正極材料方向。行業(yè)數(shù)據(jù)顯示，2018年一季度，國內(nèi)三元材料產(chǎn)量31670噸，同比上升64.26%。其中NCM811/NCA占比8%，NCM811產(chǎn)量大幅激增。正極材料重要的國內(nèi)公司中，寧波容百在2018年規(guī)劃了數(shù)萬噸產(chǎn)量的高鎳產(chǎn)線，同時其表示有500噸的NCM811材料月銷量；杉杉能源今年末將有1萬噸高鎳產(chǎn)線投入試生產(chǎn)；巴莫有5000噸高鎳產(chǎn)線已經(jīng)投入生產(chǎn)；當(dāng)升科技也宣稱實現(xiàn)了NCM811量產(chǎn)，目前供應(yīng)給下游客戶測試；廈門鎢業(yè)、天力鋰能，也均有萬噸級的高鎳材料規(guī)劃產(chǎn)量。


負極材料領(lǐng)域，貝特瑞的碳硅負極，則打入了特斯拉的供應(yīng)鏈，為松下的動力鋰電池電芯配套部分負極材料。杉杉股份、紫宸等具備了小量試產(chǎn)量力，國軒高科、比亞迪等則在研發(fā)、建設(shè)產(chǎn)量過程中。



電解液方面，除了新宙邦已經(jīng)推出了配套NCM811的電解液，另外兩大電解液巨頭天賜材料與江蘇國泰，也在加緊配套電解液的研發(fā)。


而在隔膜方向，2017年國內(nèi)濕法隔膜的產(chǎn)量占比已經(jīng)達到了56%，而以中鋰新材、星源材質(zhì)、上海恩捷為代表的國內(nèi)隔膜行業(yè)頭部公司，均有2億平米以上的濕法隔膜新規(guī)劃產(chǎn)量。


在國內(nèi)，圓柱形電池應(yīng)用NCM811材料的條件已經(jīng)相對成熟，多名行業(yè)人士均表示，NCM811或高鎳三元材料，明年有望先行在圓柱行電池上爆發(fā)。


結(jié)語：下一代動力鋰電池生死時速競賽


眼下，隨著新能源乘用車產(chǎn)量的進一步上升，車輛續(xù)航里程與人們期望里程之間的矛盾正在擴大。


高鎳三元材料體系幾乎成為全球重要動力鋰電池公司欽定的“救命道路”。


而技術(shù)層面，眼下存在日本-韓國-我國的層級。但我國公司正在依托市場優(yōu)勢，嘗試快速拉近這一差距。其中既有學(xué)習(xí)松下路線的圓柱形鋰離子電池已經(jīng)部分投入使用，又有國內(nèi)更主流的方殼電池或在明年取得突破。


不過，正如文章所說，相較于排頭兵松下，國內(nèi)公司在高鎳三元體系動力鋰電池的技術(shù)和應(yīng)用上落后了至少2-3年。而現(xiàn)在，距離新能源補貼退出的時間已經(jīng)只有兩年。


關(guān)于國產(chǎn)動力鋰電池產(chǎn)業(yè)來說，這是一場生死時速。


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