鉅大LARGE | 點擊量：273次 | 2023年03月03日
動力鋰電池全面爆發(fā)時刻，誰將引領下一次產(chǎn)業(yè)革新？
最近幾年，隨著電動汽車普及率大幅提高，動力鋰電池迎來全面爆發(fā)時刻。電動汽車中最重要的零部件非動力鋰電池莫屬，CATL、比亞迪、容百科技等多家上市公司大漲，一級市場也頻現(xiàn)巨額融資，甚至最上游的鋰、鈷、鎳等金屬原材料也因需求大而暴漲。
經(jīng)歷了多年技術革新，動力鋰電池經(jīng)歷了多條技術路線混戰(zhàn)，最終磷酸鐵鋰和三元勝出，過度依賴政府補貼的電池公司都難再生存，也推動整個行業(yè)步入了新的階段。
但動力鋰電池沒有摩爾定律，不會像半導體那樣飛速迭代。動力鋰電池的技術基礎是電化學，元素周期表在100多年前就已經(jīng)基本定下，它要通過排列組合不同的化學元素，以及解決一個又一個工程學問題，來漸進式升級迭代。
這種迭代重要分為材料升級和結構革新，其中正極是決定動力鋰電池能量密度的核心。目前的技術格局中，正極材料成熟且優(yōu)化空間較小，短時間突破點聚焦在負極材料上，而對固態(tài)電池顛覆式創(chuàng)新的期望，正推動很多冒險者激流勇進。
在材料升級上，正極已形成磷酸鐵鋰和三元材料并行的局面，離理論極限還有空間，這個局面中短時間不會改變；負極處于突破期，正在從石墨向硅基演進。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
在結構革新上，則是對電芯、模組、封裝方式等改進和精簡，以提升電池的系統(tǒng)性能，例如比亞迪的刀片電池、CATL的CTP和TSLA的4680等等。
其他技術路線：例如鈉離子電池、氫燃料動力電池等等，各自有優(yōu)劣勢，可能會覆蓋適合的應用場景。
固態(tài)電池的可能性：固態(tài)電池相比于液態(tài)電池，在能量密度和安全性方面都更好，但這項技術并不容易突破，量產(chǎn)時間越推越久，還有待觀察。
我們在此刻，想結合歷史梳理和對未來的展望，來全面分析動力鋰電池。如今動力鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)形成了專業(yè)化程度高、分工明確的產(chǎn)業(yè)鏈，鋰、鈷、鎳礦等等在上游，隔膜、電解液、正負極等等廠商在中間（比如做正極的容百科技），匯聚到下游的電池廠（比如CATL、比亞迪），以及配套服務商例如電池回收（比如西恩科技）等等。
動力鋰電池是一個長坡厚雪的大賽道。今天，我們這篇文章重要分析動力鋰電池的兩大技術迭代路徑正負極的材料升級和結構創(chuàng)新。
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第一種升級用更合適的材料
正極材料混戰(zhàn)，最終還是堅定技術路線的人勝出
在2019年諾貝爾化學獎的頒獎臺上，來自美國、英國和日本的三位科學家獲得了這一年的化學獎，以表彰他們對開發(fā)鋰電池的貢獻。
其中斯坦利威廷漢在70年代首次采用金屬鋰作為負極材料，制作出了首個鋰電池。而約翰B古迪納夫更是被稱為鋰電池之父，他使鋰電池體積更小、容積更大、使用方式更穩(wěn)定，也是鈷酸鋰、磷酸鐵鋰正極材料的發(fā)明人，他們令電動汽車進入新能源時代。
如今，動力鋰電池正極呈現(xiàn)了磷酸鐵鋰和三元材料并行的局面。假如看演進史，你會發(fā)現(xiàn)電池的技術升級周期比較長。這是因為電池屬于電化學行業(yè)相對穩(wěn)定，更多是漸進式創(chuàng)新。
這就意味著，這個行業(yè)的推動力并不是依靠有人突然間合成了原來沒有的東西，而是通過對不同元素間的排列組合，或是加入一些輔助手段，來發(fā)現(xiàn)更好的性能。
比如三元鋰電池的正極材料，重要是鎳鈷錳酸鋰，以鎳鹽、鈷鹽、錳鹽為原料，其中鎳鈷錳的比例根據(jù)要調(diào)整。我們常聽到的8系NCM811，NCM就是鎳鈷錳的化學元素符號，811是指鎳、鈷、錳的配比按照8：1：1。
三元材料的技術演進，就是從3系到5系（5:2:3）再到6系（6:2:2）、8系（8:1:1），直至現(xiàn)在的9系高鎳。這個演進的本質(zhì)就是鎳的比例不斷提升、鈷的比例不斷下降、能量密度不斷提高的過程。
我們在投資容百科技時，行業(yè)主流正處于3系和5系，一些廠商在布局6系，那時容百押注技術變革，想直接跨越到8系，因為8系是相對終極的解決方法。容百的創(chuàng)始人白厚善是行業(yè)老兵，并且有足夠大的視野和格局。
容百還在很早就押注了動力鋰電池的高鎳化，高鎳化是近幾年里出現(xiàn)的新趨勢。高鎳也就意味著去鈷，最早之所以要加鈷，是為了防止電池自燃、爆炸。在動力鋰電池沒有普及之前，鈷是夠用的，重要用在手機等消費電子電池里。但一輛新能源車，動力鋰電池的用鈷量，相當于上千臺手機，導致對鈷的需求激增。
但鈷的產(chǎn)量嚴重不足，鈷在地球上的總儲量不是很大，且重要集中在非洲剛果等地。如今鈷已經(jīng)成為限制動力鋰電池成本下降的重要原因。馬斯克就曾表示，鈷的比例必須下降，不然電動汽車的成本永遠降不下來。
在車企和電池廠商的推動下，2020年成為了高鎳元年，CATL高鎳電池開始起量，而容百作為正極材料供應商，綁定了寧德成為該領域絕對龍頭。隨著高鎳技術越來越成熟，2021年高鎳在CATL的總裝機量中，占比提升至30%。
高鎳在工程上并不容易做到。像NCM811等高鎳三元正極材料，其工藝流程關于窯爐設備、匣缽、反應氣氛等均有特殊要求，且往往涉及二次甚至更多次的燒結，成本較高。比如所需的氫氧化鋰原料，要在氧氣氛圍燒結，還要去離子水洗滌。但常規(guī)三元正極材料則只要碳酸鋰原料，空氣氛圍燒結，也無需去離子水洗滌。
另一方面，和三元材料的優(yōu)缺點互換，幾乎就是另一條技術路線磷酸鐵鋰。如今磷酸鐵鋰和三元并駕齊驅(qū)，成為當下動力鋰電池的另一大帝國。
磷酸鐵鋰電池的優(yōu)缺點十分明顯，優(yōu)點包括安全性高、高溫性能好、使用壽命長、原材料成本低等。
磷酸鐵鋰的橄欖石結構，非常穩(wěn)定。本身磷酸根就能構成一個三維結構，鋰脫出去之后，它自身還能保持結構的穩(wěn)定性，不會坍塌。但很多三元材料，在鋰脫出去之后，自身的結構穩(wěn)定性會受到一定程度的破壞。所以磷酸鐵鋰的循環(huán)壽命很長，在2000次以上，而三元一般在1000次。
磷酸鐵鋰正極材料的分解溫度，高達700℃，非常安全；且其原材料不含金屬鈷，這就讓成本低于三元近20%。
和優(yōu)點相對，磷酸鐵鋰的兩大缺點也十分明顯，首先是能量密度天花板低，理論能量密度在190Wh/kg，遠低于三元的350Wh/kg。
并且在低溫下的性能衰減很大，那些一到冬天電量就瘋狂掉的電動汽車，多數(shù)用的都是磷酸鐵鋰電池。一塊容量為3500mAh的電池，假如在-10℃的環(huán)境中工作，經(jīng)過不到100次的充放電循環(huán)，電量將急劇衰減至500mAh，因此鐵鋰電池不適合北方的冬天。
不過當鐵鋰電池連在一起，成組效率高達85%以上，如今Pack后的能量密度在130-140wh/kg。而三元雖然單體能量密度在200-250為主，但成組效率低一些，只有75-80%左右，Pack后的能量密度普遍在140-160wh/kg，高鎳三元在180wh/kg左右。
但相比于成本優(yōu)勢，磷酸鐵鋰漲價了才60-70元/公斤，三元幾乎貴了三倍，要在180-190元/公斤，是它的3倍了，這些能量密度的損失在某些場景下也可以接受。
2017-2018年，當國家補貼高能量密度材料時，三元是很有優(yōu)勢的。但自補貼退坡以后，磷酸鐵鋰的價格優(yōu)勢就完全體現(xiàn)了出來。從2021年開始，磷酸鐵鋰的裝機量一直在新增，從幾年前的只剩20%左右，上升到今天的一半一半，和三元分庭抗禮。
假如從整個動力鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈來看，當下還有很多不夠成熟的地方。從理論上講，一個成熟行業(yè)會是下游最賺錢，就可能是整車的利潤率大于電池，大于材料，大于礦。但現(xiàn)在的實際情況是，由于整車發(fā)展速度很快，但上游礦的投資周期很長，一時間供給跟不上需求，現(xiàn)在鋰礦、鎳礦價格飆升，反而擠壓了下游，在一定程度上影響了正極材料的技術路線選擇。
負極突破有限已成拖累，從石墨到硅基？
隨著正極材料的磷酸鐵鋰和三元已經(jīng)逐漸優(yōu)化到極致，人們把目光投向負極。
目前，我們廣泛使用的負極材料是石墨，但石墨的理論能量密度是372mAh/g，現(xiàn)在已經(jīng)優(yōu)化到了350-360mAh/g，急需用新的材料來突破。
負極材料的工作原理是在電池中起到儲鋰的用途，鋰離子在充放電過程中嵌入和脫出負極，充電時正極鋰被氧化為鋰離子，通過隔膜到達負極，鋰離子嵌入負極中；放電時鋰離子脫出負極，在正極被還原為鋰。
下一步，我們想用的材料是硅。硅的理論容量高達4200mAh/g，是石墨的十倍多。但硅有一個問題，就是在電池的充放電循環(huán)過程中，隨著鋰離子的嵌入和脫出，硅的體積膨脹率非常大，純硅高達300%，這會引起電解液的消耗，進而導致電池使用壽命的急劇下降。
石墨之所以好用，就是因為它的體積膨脹率比較低，只有10%-13%左右。目前，產(chǎn)業(yè)界想到的折中方法是，用5%-20%的硅來形成石墨+硅的復合負極材料，在可以接受的體積膨脹率之下，盡可能去提升容量。
不過，目前硅碳負極出貨量還不高，一方面一些技術難題還沒有被攻克，比如說石墨本來可以循環(huán)3000次，但加了硅就減半到1500次，同時硅碳的成本也居高不下。
人們對正負極材料曾經(jīng)做過很多探索，其中最典型的非鈦酸鋰莫屬。2021年格力電器成為格力鈦新能源（原珠海銀?。┑目毓晒蓶|，而這家2008年成立的公司，就致力于探索鈦酸鋰技術路線。
鈦酸鋰是優(yōu)劣勢都非常明顯的材料。優(yōu)勢是倍率性能、循環(huán)性能特別好，電池的循環(huán)壽命幾乎是無限的，非常適合公交車等營運時間長，要考慮循環(huán)壽命和成本的應用場景。
但鈦酸鋰的電壓平臺太高了，導致能量密度太低。這些問題決定了鈦酸鋰很難大規(guī)模商用，只能在一些特殊的場合，比如-40度的超低溫，要特別高的功率。在政府補貼時代，鈦酸鋰紅極一時，但當補貼退坡后，還是很難自負盈虧。
一項技術從實驗室走向大規(guī)模商用并不容易，經(jīng)常會出現(xiàn)技術路線斗爭，無論是磷酸鐵鋰和三元，還是石墨、硅、鈦酸鋰等等，但從結果來看，最終格局不一定是一邊倒的局面，而是各自找到了最適合的細分賽道。
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第二種升級不相同的電池結構
當人們不斷嘗試新材料的同時，電池結構也是升級的另一大重點。
如何改進底盤電池包的設計？如何提升空間利用率？如何降低零件數(shù)量、降低電池包成本？都是提高動力鋰電池綜合表現(xiàn)的重要手段。
在材料上，比如從3系減少了鈷，加了更多鎳，材料的變化導致理論容量出現(xiàn)了變化，從300mAh/g變到了500mAh/g，但這只是理論容量，在生產(chǎn)成最終安裝在車上的電池包時，要各種結構設計，其中又會造成一些損耗，實際做完可能會從500降到400，這就變成了一個工程問題。
各家紛紛亮出了自己的，比亞迪研究出了刀片電池、CATL拿出了CTP/CTC技術、TSLA祭出了4680當然本質(zhì)上，封裝路線其實只有三種：圓柱、方形和軟包。
比亞迪和CATL都走的方形封裝路線，TSLA的4680則屬于圓柱型。圓柱型是最為成熟的技術路徑，從消費電子開始，采用鋼鋁把圓柱的電池包裝起來，一直是生活中最常見的電池。這種工藝成熟，良品率很高，但BMS復雜，使用門檻較高。而方形電池采用鋼鋁外殼，成組效率最高；軟包則是能量密度最高，但經(jīng)歷了一系列安全事故和價格高昂，曾經(jīng)遭遇挫折，但在2020年后隨著歐洲市場的放量滲透率大幅回升。
TSLA的4680電池要面對什么難題？
2020年九月，馬斯克在TSLA電池日上公布了第三代4680電芯。之所以叫4680，是因為它的直徑為46mm，高度為80mm。
4680的亮點是，相比于上一代2170，能量提升了5倍、續(xù)航里程提升16%、功率提升6倍、在電池組層面每千瓦時成本降低14%。
這意味著更少電芯數(shù)量，更高成組率。比如同樣用于75kWh的電動汽車里，要4400個2170的電芯，若換為4680電芯僅要950個；同時，更少的電芯數(shù)量降低了組裝時間，提升成組效率，帶來了成本優(yōu)勢。
TSLA4680電池
不過大家明了解電池尺寸大的好處，卻不敢往大了做，是因為要解決很多非常難的挑戰(zhàn)。
第一，顯而易見的是當電池尺寸越大，發(fā)熱就越多，散熱也越難，從而影響充電速度和循環(huán)使用壽命。
這一次，TSLA試圖通過全極耳技術，來搞定這個問題。極耳，是指從電芯中將正負極引出來的金屬導電體，是電池充放電時的接觸點。極耳間距越短，電池輸出功率越高。
傳統(tǒng)電池只有兩個極耳，分別連接正極和負極，而4680電池實現(xiàn)了全極耳，直接從正極/負極上剪出極耳，大大縮短了極耳間距，進而大幅提升了電池功率（6倍于2170電池）。而且電子更容易在電池內(nèi)部移動，電流倍率提高，因此充放電速度更快。
第二，電池容量提升還會帶來電芯一致性的問題。電池組由一個一個電芯單體組成，它遵循的是木桶原理，即電池組的容量、壽命取決于容量最低、壽命最短的那根電芯。假如每個電芯的容量差別很大，會導致電池組整體的容量損失。
而內(nèi)阻的不一致性，也會導致單個電芯的發(fā)熱量不同，相同的電流，大內(nèi)阻電芯的發(fā)熱量更大，因此劣化速度更快，折損整個電池組的壽命。
第三，是生產(chǎn)工藝問題。全極耳電池生產(chǎn)起來并不容易，通俗理解就是如何把極耳折在一起的工藝。目前有揉壓極耳、切跌極耳、多極耳三種。揉壓極耳時，極耳形態(tài)不受控，容易短路，制造時兩段封閉，電解液滲入阻礙大。而假如切跌極耳，斜切成片卷起，比無規(guī)則擠壓好一些，占空間較小，但表面起伏度較大。多極耳很難折疊整齊，極耳位置誤差在外圈易被放大。TSLA目前用的是切跌極耳路線。
全極耳也對焊接技術提出了更高要求。在傳統(tǒng)雙極耳中，和集流盤或殼體連接時，只要點焊即可，但4680的全極耳要求面焊，激光強度和焦距都不容易控制，容易焊穿燒到電芯內(nèi)部或者沒有焊到。所以以往2170電池只要脈沖激光器點焊，但4680要求激光點陣焊接，要持續(xù)激光器，在生產(chǎn)上也要全面提升。
所以4680的量產(chǎn)還面對難度。一般來說，90%的良品率是實現(xiàn)量產(chǎn)的要求，但在初期，4680的良品率只有20%，在經(jīng)過不斷的技術改良后，才提高至70%-80%。
另一方面，TSLA還為4680準備了CTC技術電池既是能源設備，也是結構本身。
CTC（CelltoChassis）直接將電池集成在電動汽車底盤上，取消了原來的電池蓋板，電池上表面的零件，通過一種兼顧結構膠+耐火阻燃膠的新型多功能膠，直接和車身結構連接，集成了座椅固定及車身橫梁的功能，同時承擔電池密封，新增了空間利用率。
綜合來說，4680是一款有潛力成為行業(yè)標準品的電池，它的材料體系應用激進，采取了超高鎳低鈷正極+硅碳負極的方法，疊加CTC提升布置效率，節(jié)省了370個零部件，為車身減重10%，將每千瓦時的電池成本降低7%，新增14%的續(xù)航，彰顯了TSLA的野心。
比亞迪刀片電池和CATLCTP技術如何？
比亞迪刀片電池和CATLCTP電池，都是一種基于方形鋁殼的疊片電池。
CTP（CelltoPack）技術，可稱為無模組設計，其靈感是直接將多個電芯布置于箱體，而無需先把多個電芯組裝成模組。這使得零部件數(shù)量大幅減少，底盤空間利用率也提高了很多，進一步降低了制造成本。
比亞迪的刀片電池在無模組設計上更加徹底，一刀片一電池，單塊刀片電池是由多個并聯(lián)的電芯組組成，兩個相鄰的極芯組之間設置有隔板，將電芯的空間分隔成若干個容納腔，形成類似的蜂巢結構，空間利用率極高。
比亞迪刀片電池陣列
當然，刀片電池也有其局限性。這種設計適用鐵鋰體系，三元比較難。原因是三元高鎳正極存在氣體膨脹，硅碳負極存在固體膨脹問題，而刀片電池導電路徑長，阻抗大不利于散熱，磷酸鐵鋰的失控溫度高，產(chǎn)氣量少，整體更加安全，但用不了三元導致能量密度天花板較低。
所以比亞迪重要走性價比路線，在便宜的同時令其最終產(chǎn)品的能量密度，不比三元電池包差太多。2021年比亞迪旗下電動汽車切換刀片電池，出貨量在快速提升。
CATL的CTP電池，和比亞迪刀片電池類似，不同點在于其仍保留了部分模組，但是通過減少模組的使用，新增電芯數(shù)量或體積，提升集成效率。
這種不那么激進的策略，令CATLCTP電池可以應用鐵鋰或三元，例如TSLA的鐵鋰電池就是采用CATLCTP技術，成組能量密度達150-160wh/kg，成本方面低于三元電池15%左右。此外三元電池中CTP也逐步切換，北汽、大眾等很多車企，采取了高鎳三元811大模組方法。
CTP的技術難點，在于怎么把它們整合在一起，怎么保持電池的一致性。在生產(chǎn)過程中，每家電池廠的CTP技術也不完全相同，各自有各自的專利布局，模仿難度很高。
在繼2019年提出CTP后，2020年CATL公布了電池結構的開發(fā)路線圖，除了第二代、第三代CTP電池系統(tǒng)以外，和TSLA類似，還提出了從電芯直接跨越到底盤的集成化CTC電池系統(tǒng)，計劃在2025年左右推出。
從以上的技術細節(jié)中，我們不難看出動力鋰電池的提升，是一種工程化的步步為營。無論是4680從多功能膠的使用、激光點陣焊接、全極耳的切跌、新型硅碳負極的應用，再到刀片電池富有創(chuàng)意的排布、CTP向CTC電池越來越集成化，每個環(huán)節(jié)都缺一不可，是現(xiàn)代工程學的結晶。
動力鋰電池更強調(diào)步步為營，把每一步技術做扎實；這個行業(yè)也不喜歡投機者，過度依賴政策補貼是行不通的。
所以這個行業(yè)最終還是要公司家，要有對技術路徑的嗅覺、要有解決一個又一個工程細節(jié)的執(zhí)著，以及穿越產(chǎn)業(yè)周期的格局，才能在隘口突圍。
