钜大LARGE | 点击量：925次 | 2018年08月05日
2020年中国动力电池能否实现300Wh/kg？
中国对新能源汽车产业从未寄予今天这样如此之大的厚望，但是我们必须认识到，中国的新能源汽车能走多远，取决于动力电池能走多远。动力电池作为新能源汽车的核心，是提高续航里程和改善整车性能的关键。动力电池技术的进步和成熟，对新能源汽车的发展有着至关重要的作用。
动力电池强，则新能源汽车强
国家对动力电池行业的殷切期望集中体现在这份《汽车产业中长期发展规划》中，《规划》明确提出到2020年国内动力电池单体能量密度达到300Wh/kg，系统比能量达到260Wh/kg，成本降至1元/Wh以下。
这两个数字可谓用意深远，因为2020年是中国新能源汽车产业发展的关键节点，这一年新能源补贴将彻底消失，意味着失去财政保护的新能源汽车将在市场上和传统燃油汽车展开贴身肉搏，白刀子进红刀子出的惨烈景象将在所难免。所以，动力电池比能量300Wh/kg的能量密度和1元/Wh的成本线，是在整个汽车生命周期中，新能源汽车的购置和使用成本能否和燃油汽车打成平手的平衡点。
而根据调查，消费者对纯电动汽车可接受的最低实际续航里程至少在300公里以上，这就需要搭载的动力电池系统跟燃油车的发动机+油箱质量和成本不要差太多，这也就要求动力电池系统的能量密度就要达到250Wh/Kg的水平，注意，是系统能量密度而不是单体，这意味着单体电池一定不能低于300Wh/kg。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
那么，到2020年我国动力电池能否达到300Wh/kg的预期水平呢?
答案是，够呛……
因为一来，事物的发展规律是不以人的意志为转移的，现有三元材料锂电池的技术体系之下，提升能量密度的最直接和有效的途径就是从电池材料本身的电化学原理出发，而化学电池的能量密度增长并不遵循摩尔定律;二来，动力电池能量密度的提升是一个系统工程，其涉及到整个上下游产业链条的所有关键环节，包括正、负极材料，电解液、隔膜，电池模组和Pack集成水平，甚至包括主机厂与电池厂的研发匹配，以及与代表着核心技术的制备工艺和生产装备水平。
下面，我们来逐一分析。
一、背景
2014年之前，国内车企大部分采用磷酸铁锂体系的电池，比能量仅为90Wh/Kg。在之后逐步采用三元材料体系的动力电池替代后，比能量就上升到了130~150Wh/Kg的水平。
磷酸铁锂电池的电化学特性决定其能量密度的天花板大概在170Wh/Kg，所以在未来短则3~5年，长则5~8年的时间里，动力电池整体能量密度的提升只能靠三元电池，具体来说是靠高镍三元电池。
镍的含量越高，电池中可储存的电量就越大，相对能量密度就越高。
目前市场上主流的NCM523材料电池比能量可以达到160-200Wh/kg，而NCM622是230Wh/kg，但都很难达到2020年的目标。所以，发展高镍的NCM811和NCA(镍钴铝多元)体系可以说只有这华山一条路。
截止今年上半年，国内三元电池出货量中，NCM111/523依旧占据80%的市场份额，NCM622占比14%。NCM811/NCA能否在未来的2年内实现大规模量产，首先就是一个不确定因素很大的事情。有市场研究乐观预测，NCM111/523的占比将在2017~2020年间有所下降，对应NCM622的份额将由2017年的11%提升至2020年的31%，而NCM811也将在今年开始有实际的装车应用，预计2018年占比将达到2%，2020年达到13%。
注意，以上已经是乐观预测了。
更况且锂离子电池本身是一个复杂的体系，正极、负极、隔膜、电解液、集流体、粘结剂和导电剂等核心部件涉及到正负极的电化学反应、锂离子传导和电子传导等多重反应。
这些为数众多的影响锂离子电池性能的因素，无论是材料还是工艺，无论是研发还是生产，整个过程中每一个参数都会对电池最终的性能、质量和安全性产生决定性的影响。
二、现状
让我们来看看，国内电池企业在高镍三元电池领域的发展现状以及未来规划，以下全部来自于各企业官方说法：
宁德时代：2017年1月启动“新一代锂离子动力电池产业化技术开发”项目，以高镍三元材料为正极、硅碳复合物为负极，将比能量从目前的150～180Wh/kg提高至300Wh/kg以上，并将在2020年产业化应用。
比亚迪：三元电池希望在2018年做到240Wh/kg，2020年大概做到300Wh/kg。
国轩高科：2020年目标是300-350Wh/kg，采用高镍三元正极材料，硅基负极材料，5V高电压电解液。
比克：2017年比能量可以达到250Wh/kg，目前开发出了能量密度达280Wh/kg以及300Wh/kg的动力电池样品，可量产时间未知。
力神：正在开发200-250Wh/kg的产品，圆柱电池已经可以达到250Wh/kg，2020年争取达到300Wh/kg，采用第三代富锂锰基层状材料和硅负极材料。
需要注意的是措辞：预计、希望、目标、样品、争取和未知。
我们再来看一下，截止到目前工信部公布的2018年以来的动力电池装车数据，纯电动乘用车搭载电池(包括磷酸铁锂+三元锂)的平均能量密度为118.8Wh/kg，虽然较之去年提升幅度达到了10.37%，但是如果算上其他车型(新能源客车等)搭载的能量密度更低、占动力电池装机量半壁江山的磷酸铁锂电池，那么这个数字将更加不好看。
单从今年已经装车的三元电池来看，其单体能量密度跨越了136Wh/kg到230Wh/kg的区间，平均为183Wh/kg，平均系统能量密度115.4Wh/kg;而磷酸铁锂单体能量密度平均为143.9Wh/kg，系统能量密度117Wh/kg。
而动力电池能量密度实现300Wh/kg的话，就需要整个市场从当前占据绝对主流的NCM111/523经由NCM622的过渡(或直接跳过NCM622)直至NCM811/NCA成为主流，才能实现目标。而纵观锂电池产业的发展规律是，一个新体系整个上下游产业链的建立需要短则2~3年，长则3~5年的时间，而新技术的规模化应用和普及亦需要时间。
三、正极材料
决定动力电池能量密度的核心是正极材料，虽然高镍三元正极材料有着能量密度高(镍含量高)和材料成本低(钴用料少)的优势，但其劣势也更加明显，那就是高温稳定性和结构稳定性差，生产工艺难以掌控，生产设备和环境要求苛刻。
三元正极材料与磷酸铁锂或锰酸锂材料相比，原本的安全性问题就很突出，在过充和针刺条件下安全性能不过关的一直都是让业界头疼的难题，另外还有电芯胀气比较严重，高温循环性不理想等诸多问题。由于增加了镍这种化学性更为活跃的不稳定份子，这些问题变得更加严重。
目前高镍三元材料存在的主要技术问题，一是颗粒表面的相转变，极容易引起电池容量、循环性能的衰减;二是循环后颗粒碎裂，引起电池电化学性能衰减，导致热稳定性、安全性能快速下降。
另外，由于高镍三元材料技术壁垒较高，在制备工艺、设备以及生产环境、成本等方面都远远高于普通三元材料，当前国内能够实现高镍三元正极材料批量生产的厂家屈指可数，实现规模国产并走向成熟普及还有很长一段路要走。
四、负极材料
不只是正极材料，负极材料的比容量和工作电压也直接决定了动力电池的能量密度。由于动力电池电芯中正、负极材料用量的多少，直接决定整个电芯电量容量的大小，因此负极材料的比容量亦是决定整个电芯能量密度的决定性因素。
所以，在提升正极材料比容量的同时，还需要提升负极材料的比容量才能与之相匹配。
例如，当正极材料材料从NCM523(比容量180mAh/g)提升到NCM811(比容量205mAh/g)的时候，负极材料能量密度提升至500mAh/g，就可提升12.5%的电芯整体能量密度，提升至800mAh/g，就可提升26.2%的电芯整体能量密度。而要满足动力电池比能量达到300Wh/kg，负极材料的能量密度就必须达到600mAh/g以上才能达到整体要求。
可以说，正极材料的高镍化的同时，负极材料能量密度的提升对整个动力电池能量密度的提升的贡献更加有效且明显。
而目前的人造石墨负极材料体系，是无法达到如此之高的比容量的。这就需要在石墨中添加硅基材料，因为硅具有更高的比容量潜力。硅基材料的理论能量密度可以高达4000mAh/g，硅碳复合材料可以达到800mAh/g，是当前石墨材料的3~4倍，在能量密度方面具有压倒性优势。而要实现电池整体比能量达到300Wh/kg，在石墨负极材料中添加硅基材料的比例就至少要达到25%以上。
这就造成另一个难以调和的矛盾，就是添加的硅越多，电池的安全性和倍率性就越差，当放电电流稍大些时，整个电池的容量就下降地非常快。
硅基材料在充电时会严重膨胀，其膨胀系数高达300%(一般石墨材料则只有10%)。并且膨胀破碎后无法复原，导致材料最终粉末化，直接结果就是影响整个动力电池的循环使用寿命。且当前硅基负极材料的充电循环寿命只有400~600次，远远不能达到动力电池使用8年以上循环2000次以上的使用要求。据说装配松下电池的特斯拉Model3可以做到1000次以上，按320公里的续航里程，平均3~4天充一次电来计算，其寿命可以达到4~6年，且仍旧需要时间来验证。
而即使从全球范围内来看，硅基材料仍处于小规模产业化阶段，并且核心技术仍旧掌握在外国公司手中，如日本信越、日立化成、吴宇化学和美国的安普瑞斯等。国内在硅基材料方面研究和应用，大部分电池企业与材料企业均处于实验阶段，在材料本身技术与产品应用领域都要落后国外不少。
就目前已知的是，国内在硅碳负极材料上有所突破的只有国内最大负极材料生产商贝特瑞，据称可实现规模量产，比容量据说可以达到650mAh/g，实现小批量量产的杉杉所产的硅碳负极材料，其比容量也仅为380~450mAh/g。
整个2017年中国硅碳负极材料的产量刚过1000吨，仅占整体负极材料产量的1%。
核心技术研发缺失之外，硅基材料的制备工艺也更加复杂，且制备工艺尚未形成标准化，直接导致硅碳负极材料成本高昂，其市场价格在20万元/吨以上，与之相对应的普通石墨负极材料通常是中端产品价位是7～8万元/吨，低端产品是3～4万元/吨。
另外，国内未能广泛使用硅碳负极材料的一个重要原因就在于电池企业应用技术工艺还不够成熟。
所以综上所述，硅碳负极材料虽然有着极高的能量密度，但是却先天存在着成本高、安全性和倍率性能差，循环稳定性差，循环寿命不足等劣势，且在短期内克服的可能性不大。
五、电解液
在锂电池正、负极之间起传导作用的电解液，作用也不容小觑。因为其在锂电池的能量密度、功率密度、宽温应用、循环寿命、安全性能等方面，同样扮演着至关重要的角色。不同材料体系需要匹配不同电解液配方，如果电解液不能随着正、负级材料同步升级，高镍三元体系也很难实现其设计初衷。
这是因为随着动力电池能量密度的提升，电压也会随之提高，电压越高，电解液的分解能力就越强，这就对电解液的化学稳定性提出了更高的要求。因为如果电解质的化学稳定性不好，就很容易在正极材料表面氧化分解，影响电导率。
曾有电解液企业专门针对高镍三元体系做过漏电流和过渡金属离子溶出的测试。测试结果表明，提高电压会明显增大漏电流，而随着正极材料中镍含量的增加，过渡金属离子的溶出就会增加，而溶出的过渡金属离子在负极被还原析出后，会破坏负极表面的SEI膜，影响整个电池的循环性能。
就这样，动力电池一旦高镍化，电解液的安全性能就必然下降，而一旦处于高温环境下，其存储性能和循环性能也都会受到很大影响。所以，要配合高镍电池就需要更为优化的电解液配方，就需要电芯厂家和电解液生产商联合攻关去研发适合于各种正、负极材料配比和生产工艺的电解液。
但是不好意思，以目前国内情况来看，高镍三元正极和硅碳负极材料的电解液匹配方案，至今仍旧是一大难题。
六、车间、环境和设备、工艺
高镍三元材料在前驱体烧结和材料生产的环境方面要求苛刻，产品在存储使用过程中容易吸潮成果冻状，从而加大了调浆和极片涂布的难度。因此高镍正极材料对车间环境，以及窑炉设备等生产设备的各项性能要求都相当之高，但目前国内的生产设备还无法完全满足高镍三元材料的制备要求。
此外，高镍材料必须在纯氧气氛中高温合成，这就要求窑炉材质必须耐氧气腐蚀;高镍正极材料必须用氢氧化锂做锂源进行高温合成，而氢氧化锂容易挥发且碱性很强，这就要求窑炉材质必须耐碱腐蚀。当前，高镍材料的生产主要采用密封辊道窑，国内能生产这种设备的企业凤毛麟角。
即使是搞定了正极材料、负极材料和电解液，实现高镍三元电池的产业化还存在着一个关键隘口，就是负责把这些材料组装成一块完整动力电池电芯的电池厂。
高镍三元电池的生产和制备工艺难度之大，对技术创新和产线改造的要求之高，是以往动力电池企业从未有遇到之挑战。
由于高镍三元材料在电池组装时不能接触空气，需要纯氧氛围，而由于国内的动力电池企业一般都是从NCM111起步，生产环境并不需要纯氧氛围，所以国内电池厂几乎没有氧烧工艺。不论是磷酸铁锂电池还是NCM111甚至NCM523产线，都不能够直接切换成NCM811或NCA产线，所以为了量产高镍三元电池，电池厂就必须重新设计厂房和引进设备。
且更加矛盾的是，当前国内电池装备制造又比较落后，这将成为制约高镍三元动力电池规模化量产的一大难题。
这是由于高镍三元电池的高技术壁垒，在制备工艺、设备以及生产环境等方面的要求都远远高于普通三元材料。动力电池本就属于高端制造业，需要极高的制造精度，而电池技术水平的升级和品质要求的提高，就会相应的提升对设备的效率、精度、稳定性、自动化等方面要求。
而目前国内的锂电设备制造产业，已跟不上脚步。形成这种局面的原因除了国内相关产业的起步时间比较短之外，还在于整体大环境的急功近利：电池厂和设备制造商没有提前研发的意识，都是在产能无法满足订单需求的时候才临时抱佛脚地采购生产设备，双方都长期忽略了共同研发适合自己的生产线;电池厂处于生产工艺的技术和商业机密的考虑，不愿意与设备制造商紧密合作，也不愿对设备开发投入太多的新技术。
而反观日韩的电池厂，一般都保持着与设备制造商的紧密合作，通常都是共同开发、共同生产，甚至于自己研发、制造核心锂电生产设备与工艺。
而当前在我国，无论是上游正极材料生产商还是电池厂，就只能从国外引进更高端的自动化设备，其核心设备很多都是从日本、韩国和德国等国进口，这就更拉大了与外国，特别是日韩在电池自动化生产线设备和电池测试设备的整体技术差距。
但是，处于国际对中国的技术封锁，以及那些与国外电池厂紧密合作甚至有资本关系的锂电设备制造商，会把最高精尖的设备卖给中国的电池厂吗?
七、车企匹配
把高镍三元动力电池批量生产出来，下一个难关就是规模装车了，这个难关，更难。
而按照行业惯例，越是采用更先进技术的高端动力电池，整车企业的态度越是小心审慎，对动力电池的供应就有着更高的门槛要求和更为复杂的长时间的认证和严格的检测检验程序。
电动汽车在平台开发初期，就要与动力电池供应链进行对接研发和匹配，小批量生产和测试，以及经历反复的测试和验证过程。车企推出一款全新的新能源车型，从论证、研发、设计至最终量产，至少需要3~5年时间。
正是因为车企对动力电池的认证时间成本如此之高，所以在车型生命周期内车企几乎是不会轻易更换电池供应的。
所以我们判断，就算是在2020年之前，国内的高镍电池能够实现规模量产，也很难大规模普及到新能源汽车上来。据称，2020年之前国内上市的纯电动乘用车，在研发设计之时都参考的是动力电池能量密度150~160Wh/kg，且前期技术方案也大多冻结。
更何况要更换高镍三元电池，整车就要研发与之相匹配的全新的Pack和BMS系统，并且电控和电机系统都需要重新匹配和验证，这又是一个漫长的过程。君不见，在电池控制和管理系统领域走在全行业前列，牛×如特斯拉者在高镍NCA电池的热管理系统上，尚且费劲了心思绞尽了脑汁。影响Model3规模化量产的最主要问题，就出现在如何把这7000多枚圆柱形电池通过自动化设备高效组建成一个电池包整体。
所以虽然被普遍看好，但高镍三元电池产品在汽车领域实现规模化应用可以说依旧是任重而道远，目前无论是NCM811还是NCA的动力电池产品，在新能源汽车上的应用都只是少数个案，且安全性和耐久性都还需要时间上的进一步验证。
另一方面，由于宁德时代和比亚迪等龙头一直都坚持方形电池路线，以至于当前我国动力电池市场上方形占据有绝对份额的市场。今年上半年，国内15.58GWh的锂电池总装机量中，方形电池就占了76%(11.81GWh)，软包占12.5%，剩下的份额才归圆柱形电池。
这就尴尬了。
因为从全球范围内来看，圆柱形电池的技术才是最为成熟的。所以从技术层面来看，高镍三元电池在圆柱形上应用的问题已基本得到解决，反而是在方形、软包电池上仍存在诸多问题，离真正产业化还有相当长一段时间。这就意味着，想要匹配高镍三元动力电池的车企就不得不选择圆柱形电池，而要放弃之前投入巨量研发资源和时间成本的方形和软包电池的设计匹配。前面提到，通常车企和电池厂从沟通、研发、到适配，到装车成功，这段时间少说也要2~3年时间。
高达90%比例的车企或车型，若要转型高镍，就要彻底从方形、软包调头转向圆柱。
八、结论
最后结论就是，理想很丰满，而现实却很骨感。
国家对于2020年能够推广普及高能量密度动力电池的愿景是好的，但事物发展的规律却是路要一步一步地走，谁也不能一口吃个胖子。
2020年的时候，失去了补贴支持的新能源汽车即使是晚个一到两年装配不上300Wh/kg的动力电池也不打紧，因为这不会动摇新能源汽车产业生存和发展的根基。但是，我们必须清醒地认识到这一点，国内的动力电池企业不能大规模生产出高镍三元动力电池，但我们不能阻止国外公司生产出来。
千万亿级别的动力电池市场，无论是日韩还是欧美，都早已垂涎三尺，在家门口虎视眈眈。
中国本土电池产业前景不容乐观，因为在未来的一段时期之内，日韩的松下、三星、LG、SK等电池巨头，无论是上游正负极材料、电解液等核心材料的产业链布局，还是生产制造的工艺和设备，乃至下游的Pack、BMS、电机、电控领域的研发和技术优势，都要领先于中国公司。
例如早在去年，松下为特斯拉配备的NCA21700圆柱形动力电池就已经实现规模量产，且能量密度达到300Wh/kg，价格170$/kWh，折合人民币约1.1元/Wh，基本已经实现我国2020年的目标。
松下使用的NAC正极材料是由日本住友金属矿山提供的，而后者是目前全球最大的NCA正极材料生产商，且只为松下一个客户供货。
再例如，三星、SK都已经掌握生产高镍三元动力电池的相关核心技术，且都在大力布局之中。
从高镍三元正极材料的供应上，目前具备成熟制备技术和批量生产能力主要掌握在日本住友、户田工业、ECOPRO等几家日韩企业手中，国内高端高镍三元材料主要依赖进口。而上述几家，又都与日韩的几家电池巨头有着千丝万缕的联系，一旦中国市场对高镍三元电池的需求放量，那国内电池厂被卡脖子，是大概率事件。
从更长远看，掌握电池材料和核心技术专利的欧美企业虽然在当下这一代的锂电池产业格局中输了一城，但他们把未来的希望寄托在能量密度更高的锂电池(如全固态锂离子电池)或下一代电池(如锂硫电池和空气电池等)的身上，希望通过在这些电池技术上的突破扳回一局，甚至实现大翻盘。
但归根结底，无论是未来的高镍三元电池，还是更未来的固态电池或其他技术路线，作为新能源汽车产业的核心命脉的动力电池，都不应该再交到别人手里。
下一篇：新材料可用来制造更快充电电池
