最近幾年，隨著電動(dòng)車普及率大幅提高，動(dòng)力電池迎來(lái)全面爆發(fā)時(shí)刻。但動(dòng)力電池沒(méi)有摩爾定律，不會(huì)像半導(dǎo)體那樣飛速迭代。動(dòng)力電池的技術(shù)基礎(chǔ)是電化學(xué)，元素周期表在100多年前就已經(jīng)基本定下，它需要通過(guò)排列組合不同的化學(xué)元素，以及解決一個(gè)又一個(gè)工程學(xué)問(wèn)題，來(lái)漸進(jìn)式升級(jí)迭代。
這種迭代主要分為材料升級(jí)和結(jié)構(gòu)革新，其中正極是決定動(dòng)力電池能量密度的核心。目前的技術(shù)格局中，正極材料成熟且優(yōu)化空間較小，短期突破點(diǎn)聚焦在負(fù)極材料上，而對(duì)固態(tài)電池顛覆式創(chuàng)新的期望，正推動(dòng)很多冒險(xiǎn)者激流勇進(jìn)。
正極材料的混戰(zhàn)
如今，動(dòng)力電池正極呈現(xiàn)了磷酸鐵鋰與三元材料并行的局面。
其中，三元鋰電池的正極材料主要是鎳鈷錳酸鋰，以鎳鹽、鈷鹽、錳鹽為原料，其中鎳鈷錳的比例根據(jù)需要調(diào)整。三元材料的技術(shù)演進(jìn)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(guò)程。
以我們投資的容百科技為例，容百科技還在很早就押注了動(dòng)力電池的高鎳化，高鎳化是近幾年里出現(xiàn)的新趨勢(shì)。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。
然而，鈷在地球上的總儲(chǔ)量不是很大，且主要集中在非洲剛果等地。如今鈷已經(jīng)成為限制動(dòng)力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(dòng)車的成本永遠(yuǎn)降不下來(lái)。
在車企和電池廠商的推動(dòng)下，2020年成為了高鎳元年，寧德時(shí)代高鎳電池開始起量，而容百科技作為正極材料供應(yīng)商，綁定了寧德時(shí)代成為該領(lǐng)域的龍頭。隨著高鎳技術(shù)越來(lái)越成熟，2021年高鎳在寧德時(shí)代的總裝機(jī)量中，占比提升至30%。不過(guò)高鎳在工程上并不容易做到。
與三元材料的優(yōu)缺點(diǎn)互換的另一條技術(shù)路線是磷酸鐵鋰。磷酸鐵鋰電池的優(yōu)點(diǎn)十分明顯，包括安全性高、高溫性能好、使用壽命長(zhǎng)、原材料成本低等。
比如，磷酸鐵鋰的循環(huán)壽命很長(zhǎng)，在2000次以上，而三元鋰電池一般在1000次;磷酸鐵鋰正極材料的分解溫度，高達(dá)700℃，非常安全;磷酸鐵鋰原材料不含金屬鈷，這就讓成本比三元鋰電池低了近20%。
與優(yōu)點(diǎn)相對(duì)的是，磷酸鐵鋰的缺點(diǎn)也十分明顯。磷酸鐵鋰?yán)碚撃芰棵芏仍?90Wh/kg，遠(yuǎn)低于三元鋰電池的350Wh/kg，尤其是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(dòng)車，多數(shù)用的都是磷酸鐵鋰電池。
不過(guò)，這些能量密度的損失在某些場(chǎng)景下也可以接受，比如磷酸鐵鋰漲價(jià)后才60～70元/公斤，三元鋰電池價(jià)格約180～190元/公斤，是磷酸鐵鋰的3倍，所以說(shuō)可以接受。
2017～2018年，當(dāng)國(guó)家補(bǔ)貼高能量密度材料時(shí)，三元鋰電池是很有優(yōu)勢(shì)的。但自補(bǔ)貼退坡以后，磷酸鐵鋰的價(jià)格優(yōu)勢(shì)就完全體現(xiàn)了出來(lái)。從2021年開始，磷酸鐵鋰的裝機(jī)量一直在增加，從幾年前的市場(chǎng)只剩20%左右，增長(zhǎng)到今天的50%，足以與三元分庭抗禮。
如果從整個(gè)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)看，當(dāng)下還有很多不夠成熟的地方。從理論上講，一個(gè)成熟行業(yè)會(huì)是下游最賺錢，就可能是整車的利潤(rùn)率大于電池，大于材料，大于礦。但現(xiàn)在的實(shí)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(zhǎng)，一時(shí)間供給跟不上需求，現(xiàn)在鋰礦、鎳礦價(jià)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(shù)路線選擇。
負(fù)極材料的探索
隨著正極材料的磷酸鐵鋰與三元材料已經(jīng)逐漸優(yōu)化到極致，人們把目光投向負(fù)極。目前，我們廣泛使用的負(fù)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(lái)突破。
下一步，我們想用的材料是硅。硅的理論容量高達(dá)4200mAh/g，是石墨的十倍多。但硅有一個(gè)問(wèn)題，就是在電池的充放電循環(huán)過(guò)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(dá)300%，這會(huì)引起電解液的消耗，進(jìn)而導(dǎo)致電池使用壽命的急劇下滑。
石墨之所以好用，就是因?yàn)樗捏w積膨脹率比較低，只有10%～13%左右。目前，產(chǎn)業(yè)界想到的折中方案是，用5%～20%的硅來(lái)形成石墨+硅的復(fù)合負(fù)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(guò)，目前硅碳負(fù)極出貨量還不高，一方面一些技術(shù)難題還沒(méi)有被攻克，比如說(shuō)石墨本來(lái)可以循環(huán)3000次，但加了硅就減半到1500次，同時(shí)硅碳的成本也居高不下。
人們對(duì)負(fù)極材料曾經(jīng)做過(guò)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(原珠海銀隆)的控股股東，而這家2008年成立的公司致力于探索鈦酸鋰技術(shù)路線。
鈦酸鋰是優(yōu)劣勢(shì)都非常明顯的材料。優(yōu)勢(shì)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(wú)限的，非常適合公交車等營(yíng)運(yùn)時(shí)間長(zhǎng)，需要考慮循環(huán)壽命和成本的應(yīng)用場(chǎng)景。
但鈦酸鋰的電壓平臺(tái)太高了，導(dǎo)致能量密度太低。這些問(wèn)題決定了鈦酸鋰很難大規(guī)模商用，只能在一些特殊的場(chǎng)合，比如零下40度的超低溫，需要特別高的功率。在政府補(bǔ)貼時(shí)代，鈦酸鋰紅極一時(shí)，但當(dāng)補(bǔ)貼退坡后，還是很難自負(fù)盈虧。
一項(xiàng)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向大規(guī)模商用并不容易，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)技術(shù)路線之爭(zhēng)，無(wú)論是磷酸鐵鋰和三元材料，還是石墨、硅、鈦酸鋰等等，但從結(jié)果來(lái)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(xì)分賽道。
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