鉅大LARGE | 點擊量：933次 | 2018年08月05日
2020年中國動力電池能否實現300Wh/kg？
中國對新能源汽車產業從未寄予今天這樣如此之大的厚望，但是我們必須認識到，中國的新能源汽車能走多遠，取決于動力電池能走多遠。動力電池作為新能源汽車的核心，是提高續航里程和改善整車性能的關鍵。動力電池技術的進步和成熟，對新能源汽車的發展有著至關重要的作用。
動力電池強，則新能源汽車強
國家對動力電池行業的殷切期望集中體現在這份《汽車產業中長期發展規劃》中，《規劃》明確提出到2020年國內動力電池單體能量密度達到300Wh/kg，系統比能量達到260Wh/kg，成本降至1元/Wh以下。
這兩個數字可謂用意深遠，因為2020年是中國新能源汽車產業發展的關鍵節點，這一年新能源補貼將徹底消失，意味著失去財政保護的新能源汽車將在市場上和傳統燃油汽車展開貼身肉搏，白刀子進紅刀子出的慘烈景象將在所難免。所以，動力電池比能量300Wh/kg的能量密度和1元/Wh的成本線，是在整個汽車生命周期中，新能源汽車的購置和使用成本能否和燃油汽車打成平手的平衡點。
而根據調查，消費者對純電動汽車可接受的最低實際續航里程至少在300公里以上，這就需要搭載的動力電池系統跟燃油車的發動機+油箱質量和成本不要差太多，這也就要求動力電池系統的能量密度就要達到250Wh/Kg的水平，注意，是系統能量密度而不是單體，這意味著單體電池一定不能低于300Wh/kg。
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那么，到2020年我國動力電池能否達到300Wh/kg的預期水平呢?
答案是，夠嗆……
因為一來，事物的發展規律是不以人的意志為轉移的，現有三元材料鋰電池的技術體系之下，提升能量密度的最直接和有效的途徑就是從電池材料本身的電化學原理出發，而化學電池的能量密度增長并不遵循摩爾定律;二來，動力電池能量密度的提升是一個系統工程，其涉及到整個上下游產業鏈條的所有關鍵環節，包括正、負極材料，電解液、隔膜，電池模組和Pack集成水平，甚至包括主機廠與電池廠的研發匹配，以及與代表著核心技術的制備工藝和生產裝備水平。
下面，我們來逐一分析。
一、背景
2014年之前，國內車企大部分采用磷酸鐵鋰體系的電池，比能量僅為90Wh/Kg。在之后逐步采用三元材料體系的動力電池替代后，比能量就上升到了130~150Wh/Kg的水平。
磷酸鐵鋰電池的電化學特性決定其能量密度的天花板大概在170Wh/Kg，所以在未來短則3~5年，長則5~8年的時間里，動力電池整體能量密度的提升只能靠三元電池，具體來說是靠高鎳三元電池。
鎳的含量越高，電池中可儲存的電量就越大，相對能量密度就越高。
目前市場上主流的NCM523材料電池比能量可以達到160-200Wh/kg，而NCM622是230Wh/kg，但都很難達到2020年的目標。所以，發展高鎳的NCM811和NCA(鎳鈷鋁多元)體系可以說只有這華山一條路。
截止今年上半年，國內三元電池出貨量中，NCM111/523依舊占據80%的市場份額，NCM622占比14%。NCM811/NCA能否在未來的2年內實現大規模量產，首先就是一個不確定因素很大的事情。有市場研究樂觀預測，NCM111/523的占比將在2017~2020年間有所下降，對應NCM622的份額將由2017年的11%提升至2020年的31%，而NCM811也將在今年開始有實際的裝車應用，預計2018年占比將達到2%，2020年達到13%。
注意，以上已經是樂觀預測了。
更況且鋰離子電池本身是一個復雜的體系，正極、負極、隔膜、電解液、集流體、粘結劑和導電劑等核心部件涉及到正負極的電化學反應、鋰離子傳導和電子傳導等多重反應。
這些為數眾多的影響鋰離子電池性能的因素，無論是材料還是工藝，無論是研發還是生產，整個過程中每一個參數都會對電池最終的性能、質量和安全性產生決定性的影響。
二、現狀
讓我們來看看，國內電池企業在高鎳三元電池領域的發展現狀以及未來規劃，以下全部來自于各企業官方說法：
寧德時代：2017年1月啟動“新一代鋰離子動力電池產業化技術開發”項目，以高鎳三元材料為正極、硅碳復合物為負極，將比能量從目前的150～180Wh/kg提高至300Wh/kg以上，并將在2020年產業化應用。
比亞迪：三元電池希望在2018年做到240Wh/kg，2020年大概做到300Wh/kg。
國軒高科：2020年目標是300-350Wh/kg，采用高鎳三元正極材料，硅基負極材料，5V高電壓電解液。
比克：2017年比能量可以達到250Wh/kg，目前開發出了能量密度達280Wh/kg以及300Wh/kg的動力電池樣品，可量產時間未知。
力神：正在開發200-250Wh/kg的產品，圓柱電池已經可以達到250Wh/kg，2020年爭取達到300Wh/kg，采用第三代富鋰錳基層狀材料和硅負極材料。
需要注意的是措辭：預計、希望、目標、樣品、爭取和未知。
我們再來看一下，截止到目前工信部公布的2018年以來的動力電池裝車數據，純電動乘用車搭載電池(包括磷酸鐵鋰+三元鋰)的平均能量密度為118.8Wh/kg，雖然較之去年提升幅度達到了10.37%，但是如果算上其他車型(新能源客車等)搭載的能量密度更低、占動力電池裝機量半壁江山的磷酸鐵鋰電池，那么這個數字將更加不好看。
單從今年已經裝車的三元電池來看，其單體能量密度跨越了136Wh/kg到230Wh/kg的區間，平均為183Wh/kg，平均系統能量密度115.4Wh/kg;而磷酸鐵鋰單體能量密度平均為143.9Wh/kg，系統能量密度117Wh/kg。
而動力電池能量密度實現300Wh/kg的話，就需要整個市場從當前占據絕對主流的NCM111/523經由NCM622的過渡(或直接跳過NCM622)直至NCM811/NCA成為主流，才能實現目標。而縱觀鋰電池產業的發展規律是，一個新體系整個上下游產業鏈的建立需要短則2~3年，長則3~5年的時間，而新技術的規模化應用和普及亦需要時間。
三、正極材料
決定動力電池能量密度的核心是正極材料，雖然高鎳三元正極材料有著能量密度高(鎳含量高)和材料成本低(鈷用料少)的優勢，但其劣勢也更加明顯，那就是高溫穩定性和結構穩定性差，生產工藝難以掌控，生產設備和環境要求苛刻。
三元正極材料與磷酸鐵鋰或錳酸鋰材料相比，原本的安全性問題就很突出，在過充和針刺條件下安全性能不過關的一直都是讓業界頭疼的難題，另外還有電芯脹氣比較嚴重，高溫循環性不理想等諸多問題。由于增加了鎳這種化學性更為活躍的不穩定份子，這些問題變得更加嚴重。
目前高鎳三元材料存在的主要技術問題，一是顆粒表面的相轉變，極容易引起電池容量、循環性能的衰減;二是循環后顆粒碎裂，引起電池電化學性能衰減，導致熱穩定性、安全性能快速下降。
另外，由于高鎳三元材料技術壁壘較高，在制備工藝、設備以及生產環境、成本等方面都遠遠高于普通三元材料，當前國內能夠實現高鎳三元正極材料批量生產的廠家屈指可數，實現規模國產并走向成熟普及還有很長一段路要走。
四、負極材料
不只是正極材料，負極材料的比容量和工作電壓也直接決定了動力電池的能量密度。由于動力電池電芯中正、負極材料用量的多少，直接決定整個電芯電量容量的大小，因此負極材料的比容量亦是決定整個電芯能量密度的決定性因素。
所以，在提升正極材料比容量的同時，還需要提升負極材料的比容量才能與之相匹配。
例如，當正極材料材料從NCM523(比容量180mAh/g)提升到NCM811(比容量205mAh/g)的時候，負極材料能量密度提升至500mAh/g，就可提升12.5%的電芯整體能量密度，提升至800mAh/g，就可提升26.2%的電芯整體能量密度。而要滿足動力電池比能量達到300Wh/kg，負極材料的能量密度就必須達到600mAh/g以上才能達到整體要求。
可以說，正極材料的高鎳化的同時，負極材料能量密度的提升對整個動力電池能量密度的提升的貢獻更加有效且明顯。
而目前的人造石墨負極材料體系，是無法達到如此之高的比容量的。這就需要在石墨中添加硅基材料，因為硅具有更高的比容量潛力。硅基材料的理論能量密度可以高達4000mAh/g，硅碳復合材料可以達到800mAh/g，是當前石墨材料的3~4倍，在能量密度方面具有壓倒性優勢。而要實現電池整體比能量達到300Wh/kg，在石墨負極材料中添加硅基材料的比例就至少要達到25%以上。
這就造成另一個難以調和的矛盾，就是添加的硅越多，電池的安全性和倍率性就越差，當放電電流稍大些時，整個電池的容量就下降地非常快。
硅基材料在充電時會嚴重膨脹，其膨脹系數高達300%(一般石墨材料則只有10%)。并且膨脹破碎后無法復原，導致材料最終粉末化，直接結果就是影響整個動力電池的循環使用壽命。且當前硅基負極材料的充電循環壽命只有400~600次，遠遠不能達到動力電池使用8年以上循環2000次以上的使用要求。據說裝配松下電池的特斯拉Model3可以做到1000次以上，按320公里的續航里程，平均3~4天充一次電來計算，其壽命可以達到4~6年，且仍舊需要時間來驗證。
而即使從全球范圍內來看，硅基材料仍處于小規模產業化階段，并且核心技術仍舊掌握在外國公司手中，如日本信越、日立化成、吳宇化學和美國的安普瑞斯等。國內在硅基材料方面研究和應用，大部分電池企業與材料企業均處于實驗階段，在材料本身技術與產品應用領域都要落后國外不少。
就目前已知的是，國內在硅碳負極材料上有所突破的只有國內最大負極材料生產商貝特瑞，據稱可實現規模量產，比容量據說可以達到650mAh/g，實現小批量量產的杉杉所產的硅碳負極材料，其比容量也僅為380~450mAh/g。
整個2017年中國硅碳負極材料的產量剛過1000噸，僅占整體負極材料產量的1%。
核心技術研發缺失之外，硅基材料的制備工藝也更加復雜，且制備工藝尚未形成標準化，直接導致硅碳負極材料成本高昂，其市場價格在20萬元/噸以上，與之相對應的普通石墨負極材料通常是中端產品價位是7～8萬元/噸，低端產品是3～4萬元/噸。
另外，國內未能廣泛使用硅碳負極材料的一個重要原因就在于電池企業應用技術工藝還不夠成熟。
所以綜上所述，硅碳負極材料雖然有著極高的能量密度，但是卻先天存在著成本高、安全性和倍率性能差，循環穩定性差，循環壽命不足等劣勢，且在短期內克服的可能性不大。
五、電解液
在鋰電池正、負極之間起傳導作用的電解液，作用也不容小覷。因為其在鋰電池的能量密度、功率密度、寬溫應用、循環壽命、安全性能等方面，同樣扮演著至關重要的角色。不同材料體系需要匹配不同電解液配方，如果電解液不能隨著正、負級材料同步升級，高鎳三元體系也很難實現其設計初衷。
這是因為隨著動力電池能量密度的提升，電壓也會隨之提高，電壓越高，電解液的分解能力就越強，這就對電解液的化學穩定性提出了更高的要求。因為如果電解質的化學穩定性不好，就很容易在正極材料表面氧化分解，影響電導率。
曾有電解液企業專門針對高鎳三元體系做過漏電流和過渡金屬離子溶出的測試。測試結果表明，提高電壓會明顯增大漏電流，而隨著正極材料中鎳含量的增加，過渡金屬離子的溶出就會增加，而溶出的過渡金屬離子在負極被還原析出后，會破壞負極表面的SEI膜，影響整個電池的循環性能。
就這樣，動力電池一旦高鎳化，電解液的安全性能就必然下降，而一旦處于高溫環境下，其存儲性能和循環性能也都會受到很大影響。所以，要配合高鎳電池就需要更為優化的電解液配方，就需要電芯廠家和電解液生產商聯合攻關去研發適合于各種正、負極材料配比和生產工藝的電解液。
但是不好意思，以目前國內情況來看，高鎳三元正極和硅碳負極材料的電解液匹配方案，至今仍舊是一大難題。
六、車間、環境和設備、工藝
高鎳三元材料在前驅體燒結和材料生產的環境方面要求苛刻，產品在存儲使用過程中容易吸潮成果凍狀，從而加大了調漿和極片涂布的難度。因此高鎳正極材料對車間環境，以及窯爐設備等生產設備的各項性能要求都相當之高，但目前國內的生產設備還無法完全滿足高鎳三元材料的制備要求。
此外，高鎳材料必須在純氧氣氛中高溫合成，這就要求窯爐材質必須耐氧氣腐蝕;高鎳正極材料必須用氫氧化鋰做鋰源進行高溫合成，而氫氧化鋰容易揮發且堿性很強，這就要求窯爐材質必須耐堿腐蝕。當前，高鎳材料的生產主要采用密封輥道窯，國內能生產這種設備的企業鳳毛麟角。
即使是搞定了正極材料、負極材料和電解液，實現高鎳三元電池的產業化還存在著一個關鍵隘口，就是負責把這些材料組裝成一塊完整動力電池電芯的電池廠。
高鎳三元電池的生產和制備工藝難度之大，對技術創新和產線改造的要求之高，是以往動力電池企業從未有遇到之挑戰。
由于高鎳三元材料在電池組裝時不能接觸空氣，需要純氧氛圍，而由于國內的動力電池企業一般都是從NCM111起步，生產環境并不需要純氧氛圍，所以國內電池廠幾乎沒有氧燒工藝。不論是磷酸鐵鋰電池還是NCM111甚至NCM523產線，都不能夠直接切換成NCM811或NCA產線，所以為了量產高鎳三元電池，電池廠就必須重新設計廠房和引進設備。
且更加矛盾的是，當前國內電池裝備制造又比較落后，這將成為制約高鎳三元動力電池規模化量產的一大難題。
這是由于高鎳三元電池的高技術壁壘，在制備工藝、設備以及生產環境等方面的要求都遠遠高于普通三元材料。動力電池本就屬于高端制造業，需要極高的制造精度，而電池技術水平的升級和品質要求的提高，就會相應的提升對設備的效率、精度、穩定性、自動化等方面要求。
而目前國內的鋰電設備制造產業，已跟不上腳步。形成這種局面的原因除了國內相關產業的起步時間比較短之外，還在于整體大環境的急功近利：電池廠和設備制造商沒有提前研發的意識，都是在產能無法滿足訂單需求的時候才臨時抱佛腳地采購生產設備，雙方都長期忽略了共同研發適合自己的生產線;電池廠處于生產工藝的技術和商業機密的考慮，不愿意與設備制造商緊密合作，也不愿對設備開發投入太多的新技術。
而反觀日韓的電池廠，一般都保持著與設備制造商的緊密合作，通常都是共同開發、共同生產，甚至于自己研發、制造核心鋰電生產設備與工藝。
而當前在我國，無論是上游正極材料生產商還是電池廠，就只能從國外引進更高端的自動化設備，其核心設備很多都是從日本、韓國和德國等國進口，這就更拉大了與外國，特別是日韓在電池自動化生產線設備和電池測試設備的整體技術差距。
但是，處于國際對中國的技術封鎖，以及那些與國外電池廠緊密合作甚至有資本關系的鋰電設備制造商，會把最高精尖的設備賣給中國的電池廠嗎?
七、車企匹配
把高鎳三元動力電池批量生產出來，下一個難關就是規模裝車了，這個難關，更難。
而按照行業慣例，越是采用更先進技術的高端動力電池，整車企業的態度越是小心審慎，對動力電池的供應就有著更高的門檻要求和更為復雜的長時間的認證和嚴格的檢測檢驗程序。
電動汽車在平臺開發初期，就要與動力電池供應鏈進行對接研發和匹配，小批量生產和測試，以及經歷反復的測試和驗證過程。車企推出一款全新的新能源車型，從論證、研發、設計至最終量產，至少需要3~5年時間。
正是因為車企對動力電池的認證時間成本如此之高，所以在車型生命周期內車企幾乎是不會輕易更換電池供應的。
所以我們判斷，就算是在2020年之前，國內的高鎳電池能夠實現規模量產，也很難大規模普及到新能源汽車上來。據稱，2020年之前國內上市的純電動乘用車，在研發設計之時都參考的是動力電池能量密度150~160Wh/kg，且前期技術方案也大多凍結。
更何況要更換高鎳三元電池，整車就要研發與之相匹配的全新的Pack和BMS系統，并且電控和電機系統都需要重新匹配和驗證，這又是一個漫長的過程。君不見，在電池控制和管理系統領域走在全行業前列，牛×如特斯拉者在高鎳NCA電池的熱管理系統上，尚且費勁了心思絞盡了腦汁。影響Model3規模化量產的最主要問題，就出現在如何把這7000多枚圓柱形電池通過自動化設備高效組建成一個電池包整體。
所以雖然被普遍看好，但高鎳三元電池產品在汽車領域實現規模化應用可以說依舊是任重而道遠，目前無論是NCM811還是NCA的動力電池產品，在新能源汽車上的應用都只是少數個案，且安全性和耐久性都還需要時間上的進一步驗證。
另一方面，由于寧德時代和比亞迪等龍頭一直都堅持方形電池路線，以至于當前我國動力電池市場上方形占據有絕對份額的市場。今年上半年，國內15.58GWh的鋰電池總裝機量中，方形電池就占了76%(11.81GWh)，軟包占12.5%，剩下的份額才歸圓柱形電池。
這就尷尬了。
因為從全球范圍內來看，圓柱形電池的技術才是最為成熟的。所以從技術層面來看，高鎳三元電池在圓柱形上應用的問題已基本得到解決，反而是在方形、軟包電池上仍存在諸多問題，離真正產業化還有相當長一段時間。這就意味著，想要匹配高鎳三元動力電池的車企就不得不選擇圓柱形電池，而要放棄之前投入巨量研發資源和時間成本的方形和軟包電池的設計匹配。前面提到，通常車企和電池廠從溝通、研發、到適配，到裝車成功，這段時間少說也要2~3年時間。
高達90%比例的車企或車型，若要轉型高鎳，就要徹底從方形、軟包調頭轉向圓柱。
八、結論
最后結論就是，理想很豐滿，而現實卻很骨感。
國家對于2020年能夠推廣普及高能量密度動力電池的愿景是好的，但事物發展的規律卻是路要一步一步地走，誰也不能一口吃個胖子。
2020年的時候，失去了補貼支持的新能源汽車即使是晚個一到兩年裝配不上300Wh/kg的動力電池也不打緊，因為這不會動搖新能源汽車產業生存和發展的根基。但是，我們必須清醒地認識到這一點，國內的動力電池企業不能大規模生產出高鎳三元動力電池，但我們不能阻止國外公司生產出來。
千萬億級別的動力電池市場，無論是日韓還是歐美，都早已垂涎三尺，在家門口虎視眈眈。
中國本土電池產業前景不容樂觀，因為在未來的一段時期之內，日韓的松下、三星、LG、SK等電池巨頭，無論是上游正負極材料、電解液等核心材料的產業鏈布局，還是生產制造的工藝和設備，乃至下游的Pack、BMS、電機、電控領域的研發和技術優勢，都要領先于中國公司。
例如早在去年，松下為特斯拉配備的NCA21700圓柱形動力電池就已經實現規模量產，且能量密度達到300Wh/kg，價格170$/kWh，折合人民幣約1.1元/Wh，基本已經實現我國2020年的目標。
松下使用的NAC正極材料是由日本住友金屬礦山提供的，而后者是目前全球最大的NCA正極材料生產商，且只為松下一個客戶供貨。
再例如，三星、SK都已經掌握生產高鎳三元動力電池的相關核心技術，且都在大力布局之中。
從高鎳三元正極材料的供應上，目前具備成熟制備技術和批量生產能力主要掌握在日本住友、戶田工業、ECOPRO等幾家日韓企業手中，國內高端高鎳三元材料主要依賴進口。而上述幾家，又都與日韓的幾家電池巨頭有著千絲萬縷的聯系，一旦中國市場對高鎳三元電池的需求放量，那國內電池廠被卡脖子，是大概率事件。
從更長遠看，掌握電池材料和核心技術專利的歐美企業雖然在當下這一代的鋰電池產業格局中輸了一城，但他們把未來的希望寄托在能量密度更高的鋰電池(如全固態鋰離子電池)或下一代電池(如鋰硫電池和空氣電池等)的身上，希望通過在這些電池技術上的突破扳回一局，甚至實現大翻盤。
但歸根結底，無論是未來的高鎳三元電池，還是更未來的固態電池或其他技術路線，作為新能源汽車產業的核心命脈的動力電池，都不應該再交到別人手里。
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