导读

　　新（xīn）能（néng）源汽车退补（bǔ），磷酸铁锂卷土重（chóng）来，市（shì）场份（fèn）额越发扩大，上游材料六氟磷酸锂价（jià）格暴涨。如果没有当初（chū）的补贴政策，现在中国市场上的格局如何（hé）？比亚迪是否能维持第一？宁德（dé）时代是否还有现在的江湖（hú）？同时（shí）磷酸铁锂电（diàn）池已（yǐ）不再（zài）是当初的磷（lín）酸铁（tiě）锂电池，顺着技术进步，从磨刀霍霍的（de）刀片到喜（xǐ）气洋洋（yáng）的L600“6条”，从结构到性能上不断提（tí）升（shēng）；而三（sān）元亦非当年的523，已（yǐ）经622、811甚至955了，形态也从苗条的18650到胖乎乎的（de）4680或（huò）者从方头方（fāng）脑的VDA355到MEB590直至CTP、CTC了。仔细分析研究后发（fā）现这些技（jì）术创新大致可分两类：1、结构与系统集成的创新；2、材料（liào）创新。上一（yī）篇（piān）我们谈过结（jié）构与系统（tǒng）集（jí）成的创新，这里我们专（zhuān）门讲（jiǎng）材料的创新（xīn）发（fā）展。

　　动力电池（chí）通识

　　在描述材料技术发展路（lù）线之前，我们先说明一些通用（yòng）知识（shí），以（yǐ）方便非本专业（yè）的读者了解以及对后文表述的理解（jiě）。

　　电池主要材料为正极（jí）、负极（jí）、隔膜、电解液。正极决定（dìng）了材料体系（xì），日常提到的磷酸铁锂LFP等均是说正极（jí）材料的主要组（zǔ）成材料，比如国内企业（yè）常见的（de）NCM三元体（tǐ）系是指镍（niè）（Ni）、钴（Co）、锰（Mn）等（děng）金属元素的（de）聚合物电池，NCM523意味着（zhe）三种元素的比例关系为（wéi）50%：20%：30%；负极起着能量的储（chǔ）存与释（shì）放作用，目前主流（liú）为石墨材料（liào）；隔膜保证了锂离（lí）子正（zhèng）常穿梭、不让正负极接触而短路，同时决定着（zhe）电池（chí）的充放电（diàn）、循环寿（shòu）命、倍率等性（xìng）能；电解液是电池中（zhōng）离子传输的载体，锂电池主要使用（yòng）的电解质有高氯酸锂、六氟磷酸锂等（děng）。对车（chē）用动力电池来说（shuō），主要发展在于以保障锂电池的安（ān）全（quán）性为前（qián）提，提升能量密度、低温放电、快充、循环寿命等（děng）性能指标。

　　目前一般（bān）A级纯电（diàn）动车带电50kWh左右，未来大部分电动车一定会（huì）配备相当程度的智能系统（tǒng），推（tuī）算纯（chún）电动乘用（yòng）车Pack电量要求会提（tí）升，2025年每（měi）辆（liàng）车（chē）搭载75kWh以上（shàng），2030年每辆车搭载75-115kWh。未来汽车的智能系统部分还会提升（shēng）对电（diàn）量要求（qiú），电池（chí）成本又要（yào）在整车中占（zhàn）比下降至40%以（yǐ）下，也就是（shì）说相同的续驶里（lǐ）程，未来价格应为现有价格的一半左右。正是因为（wéi）这些商业成功（gōng）的因素左（zuǒ）右，动力电池技术一直不断在创（chuàng）新，创新将会（huì）伴随始终。市场中的各路玩家，想要走得更远，享（xiǎng）受新能源汽车市（shì）场中诱人的（de）份（fèn）额，成本（běn）控制的（de）功课（kè）时（shí）刻考验，目前头部企业（yè）也必（bì）须跟上材料体系的创（chuàng）新。仔（zǎi）细研究后发现这些年动力电池除了结构（gòu）与系统集成的创新外，材料主线依然是（shì）磷酸铁锂VS三（sān）元锂以及少钴无钴化趋势，其他钠电池、固（gù）态电池等（děng）都刚（gāng）刚从中（zhōng）试（shì）走向批量阶段，商业化成（chéng）熟还需（xū）各自的生态体系建设和市场验（yàn）证，可以做（zuò）其他专题来分解。

　　磷酸铁锂电池VS三元锂电

　　从2009年新能源（yuán）汽（qì）车发展至今，12年（nián）期间，三（sān）元锂电（diàn）池和磷酸铁锂电池一（yī）直是相爱（ài）相杀。说（shuō）其相爱是因为两种技术路（lù）线一直在共同成长，说其相（xiàng）杀是因为两种（zhǒng）路线（xiàn）在成长过程中是（shì）此起彼伏的关系。今年来磷酸铁锂电池一路攻（gōng）城陷地，自7月首次交（jiāo）叉之后，磷（lín）酸（suān）铁锂与三元锂电池的装（zhuāng）机量剪刀（dāo）差就不断扩大，到2021年10月（yuè），我（wǒ）国动力电池装机量达（dá）到15.4GWh，其中三元锂装车7.0GWh，磷酸铁锂装车8.4GWh，占（zhàn）比（bǐ）分别为45.5%和（hé）54.5%，而在2020年，磷酸铁锂的占比仅有16.3%。作为动（dòng）力电（diàn）池最核心的两条（tiáo）技术路（lù）线，三元（yuán）锂（lǐ）和磷酸铁锂（lǐ）在（zài）中（zhōng）国市场已绞杀多年，并（bìng）且轮流坐庄。

　　2021年（nián）以来（lái）两（liǎng）种动力电池（chí）装（zhuāng）机量变化（huà）

　　对此有（yǒu）很多人从政策、成本等角度进行了分（fèn）析（xī）并对（duì）未来做出预判。作为动力（lì）电池（chí）行业的（de）实践（jiàn）与研究者（zhě），笔者曾经在工作经（jīng）历中使用（yòng）磷（lín）酸铁锂电池大批量（liàng）装车（chē）并负责运营，也曾经从公（gōng）司实际经营角度（dù）果断（duàn）叫停磷酸铁锂全（quán）面切换三元（yuán）锂电（diàn）池主攻乘用（yòng）车并取得很好业（yè）绩。本文尝试着从（cóng）政策、成本、电（diàn）动车发展趋（qū）势、技术进步、企业经营等多维度进行解读。

　　政策层面：磷酸铁锂电池自（zì）2008年起，就凭借其成本（běn）相（xiàng）对较（jiào）低（dī）的优势在我国动（dòng）力电（diàn）池市（shì）场中占据了主流地位（wèi），2016全年磷酸铁锂电池凭（píng）借19.98GWh的装（zhuāng）机量曾一（yī）度拿下（xià）73%的市（shì）场份额。2016年后国家颁布了新能源补贴政（zhèng）策，将能量密度（dù）纳入考核，然后（hòu）才有能（néng）量密度更高（gāo）的三元锂电池强势崛起，在2018年的动力电池装机量上（shàng），三元锂电池（chí）以58.17%的份额首次（cì）实（shí）现超（chāo）越，而磷酸铁锂该年（nián）度占比则跌落至39%。

　　综合成本层（céng）面：在价格方面，当（dāng）下NCM811三元（yuán）锂（lǐ）电池的未税价要0.9-1.0元/Wh，而磷酸铁锂电池未税价是（shì）0.6-0.7元（yuán）/Wh。能量密度方面，三元锂电池是170-200Wh/kg，而磷酸铁（tiě）锂电池是130-150 Wh/kg，按（àn）照（zhào）“续航里程-能量（liàng）密（mì）度-成本”公（gōng）式计算（suàn），在单（dān）车续航里程相同的情况下，磷酸铁锂电池比三元锂电（diàn）池有很大的经济（jì）性优势。在性能（néng）方面，两（liǎng）者各有（yǒu）千秋。三元锂（lǐ）电池的优势是低温下性能稳定，但循环（huán）寿命较短，安全性较差，尤其是（shì）高镍（niè）三（sān）元（yuán）锂电池，不乏起火事件。磷酸铁锂电（diàn）池在低温下性能衰退（tuì）快（kuài），但循环寿命长，安（ān）全性好。

　　技术进步与电（diàn）动车销售层面（miàn）：从去年（nián）开始随着（zhe）宁德时代（dài）CTP方（fāng）案、比亚迪（dí）与蜂巢能（néng）源的LCTP方案的推（tuī）出，使（shǐ）得磷酸铁锂电池包（bāo）的（de）整（zhěng）体能量密度得到（dào）了提高，在中高端乘用车的（de）使用已经没（méi）有（yǒu）障碍，从公告来看，各（gè）品牌车型都推出了磷酸铁锂版（bǎn），业（yè）内（nèi）笑称集体放（fàng）弃高寒地区市（shì）场主攻目标（biāo）市场（chǎng）。今（jīn）年以五菱宏光（guāng）MINI EV为代表的（de）微车销售（shòu）大增，五菱单一型（xíng）号的（de）年产销就将达到45万台，单此就消耗5GWh磷（lín）酸铁锂电池，造成（chéng）特别有趣的现（xiàn）象：今年磷酸（suān）铁锂比三元最后增加（jiā）的量可能就是五菱宏光MINI EV的消耗（hào）量。可预见的未来几年中（zhōng），微车销量（liàng）增速会远高（gāo）于（yú）中高端电（diàn）动（dòng）乘用车，我（wǒ）预判2025年微车年销量将突破500万辆，2030年（nián）前将突破1000万辆。所以磷酸铁锂（lǐ）电（diàn）池销量上涨增速仍（réng）然不减。

　　企（qǐ）业经营层面：三（sān）元电池的投入产出比要远高（gāo）于（yú）磷（lín）酸铁锂（lǐ）电池，按笔者实际经营（yíng）过（guò）的1.5GWh锂电产线对比计算：固定投（tóu）入与人员（yuán）投入都是（shì）相同的，在设备的（de）生产（chǎn）节奏（zòu）固定的（de）前提下，每年磷酸铁锂电池的产值只有三元（yuán）电池的60-65%。因此单（dān）体电池做大容量是磷酸（suān）铁锂路线的必然选择，这样可以提（tí）升（shēng）经（jīng）营效率。

　　蔚来的三元（yuán）铁锂综合（hé）应用方案可能成为主流

　　蔚来的“三元铁锂”方案（àn）是一（yī）种有创意的有效综合方案，对此有借鉴作用：电池（chí）包以（yǐ）磷（lín）酸铁锂电芯为主，但在电池包的四（sì）角，则（zé）换装了三元锂电芯。既然磷酸铁锂「怕低温」，那么（me）就（jiù）把容易（yì）处于低温的位置换成「不怕低温」的三元锂。为了校准（zhǔn）全新电（diàn）池包（bāo）的整（zhěng）体SoC，蔚来用三元锂作为标尺，实时校准磷酸铁锂在平台段（duàn）的SoC；在高低（dī）段利用磷酸铁锂的优势，校准（zhǔn）三元锂的SoC，为此（cǐ）开发了双体系（xì）SoC算法，充（chōng）分利用（yòng）三元铁锂双体系的优势。

　　蔚来三元铁（tiě）锂（lǐ）电（diàn）池包中电（diàn）芯布局

　　无钴电池技术进展（zhǎn）

　　无钴电（diàn）池的发展，要（yào）从（cóng）“少钴”入手。钴元素在正极（jí）材料里起（qǐ）到结构稳定（dìng）剂的（de）作用，但根据特斯拉（lā）Jeff Dahn团队的研究，高镍含钴电池中钴的作用较小并（bìng）可以被替代（dài）：(1)当镍含（hán）量超过90%时，钴对容量保（bǎo）持率几乎没有贡献；(2)用铝或者猛替代钴也（yě）是可以起到稳定剂的作用；(3)掺入铝或者锰也（yě）可（kě）以（yǐ）抑制相变，改善循环性能。用（yòng）以代替（tì）钴元素（sù）的其他化学元素引入主要是通过离子掺杂等方式实现的，在多种开发路径中有如下几个主要尝试：

　　以LG化学（xué）NCMA四元锂电池（chí）为（wéi）例，LG化（huà）学遵循去钴提（tí）镍研发思路，将NCM和NCA掺杂（zá）而（ér）成四元锂电池，正极材料镍含（hán）量约（yuē）为85%，钴、锰（měng）、铝的含量（liàng）皆（jiē）为（wéi）5%，减少钴用量的同时添加铝（lǚ）提高安（ān）全性（xìng）、增加（jiā）材料结构（gòu）的稳定性。

　　松下的目标是提（tí）高动力（lì）电池材料的（de）可持（chí）续性（降低正极（jí）中的钴含量）并降低成（chéng）本。目前（qián）松（sōng）下NCA电池的钴含（hán）量低于（yú）5%，该公司正在开（kāi）发无钴版（bǎn）本，基于（yú）原有的NCA和NCM两条路线（xiàn）都在（zài）往前走。

　　在中国企（qǐ）业中以蜂巢能源NMx无钴电池为例（lì），基于已（yǐ）有的正极材料进行改（gǎi）性实现（xiàn）无（wú）钴化（huà），通（tōng）过（guò）多项改（gǎi）性技术提升LNMO性能。目前已经在层状LNMO材料的商业推广上已（yǐ）经取得关键（jiàn）进（jìn）展，2021年7月16日，蜂（fēng）巢（cháo）能源在（zài）江苏举行（háng）了首款无钴电池量（liàng）产（chǎn）下线仪式，这意味着（zhe）全球首款无钴电池走出（chū）实验室, 正式实（shí）现量产, 蜂巢能源由此成为全球首家突破无钴电池技术难关, 成（chéng）功实现产品量产的动力电池企业。

　　在前几天（tiān）刚结束的广州国（guó）际车展上，蜂巢能源的无钴电池装在了长城（chéng）高端轿车品牌沙龙的（de）机（jī）甲龙（lóng）全球限量版（bǎn）上面，展（zhǎn）示了蜂巢对于无钴电池的坚定信心，也表现了长（zhǎng）城汽（qì）车对于无（wú）钴电（diàn）池内部长（zhǎng）期测试（shì）后的全面（miàn）认可（kě）。

　　蜂巢能源（yuán）相关人士透露，相比NCM811电池，无（wú）钴电池材料成本降（jiàng）低8%-10%，电芯循环超过（guò）3000次，理（lǐ）论（lùn）能量密度可（kě）以与三元材料（liào）持平，无钴（gǔ）电（diàn）池还（hái）有抗过充和（hé）热（rè）稳（wěn）定性的天然（rán）优势，安全（quán）性比（bǐ）三元锂电池有明显提高。此外（wài），无钴材料（liào）合成（chéng）工艺与常规三（sān）元（yuán）的合（hé）成可以（yǐ）共线生（shēng）产，加上去掉“钴”元素，降本（běn）空间也很可观。

　　蜂（fēng）巢（cháo）能（néng）源后续（xù）还会从以下六个方面继续改进无钴电池：

　　尝试采用其他金属元素（sù）掺杂、替代钴金属（shǔ）以及包覆（fù）改（gǎi）性无钴正极材料，提升无（wú）钴电池的容量和（hé）充放电倍率性能；

　　优化材（cái）料晶体结构（gòu）提升无钴（gǔ）正极材（cái）料性能；

　　对传统的尖晶石锰酸锂材料、磷酸铁锂进行掺杂和改性，或者将（jiāng）多种不（bú）同微观结构的正极材料混合使用进一步（bù）提升正（zhèng）极材（cái）料（liào）综合充放电性（xìng）能；

　　结构创（chuàng）新层面（miàn）（参考《动力电池结构创新（xīn）研究》了解详情）

　　从系统（tǒng）设计层面，不同材料类型（xíng）电芯混用，综合提升电（diàn）池包（bāo）的能量密度和倍（bèi）率（lǜ）性（xìng）能；

　　进一步开（kāi）发低镍高（gāo）锰的层状无钴材料，进一步降低镍的含量，降低材料成（chéng）本，打造成本接近磷酸（suān）铁锂的无钴层状材料，来进一步扩大层（céng）状无（wú）钴家（jiā）族（zú）成员。

　　钴（gǔ）的影响与无钴族系（xì）

　　“钴”在全（quán）球存（cún）储量越（yuè）有限，意味着被替代的可能性越大（dà），这正是（shì）无钴电（diàn）池加速（sù）发展的契机。根据美国地（dì）质（zhì）勘（kān）探（tàn）局（jú）统计，2018年全（quán）球（qiú）钴矿储（chǔ）量（liàng）为690万公吨。超过70%的（de）钴资源分布在刚（gāng）果金、澳（ào）大利亚两个国家，中国钴（gǔ）资（zī）源储量仅为全球的1.12%，大约7.1万吨，属于钴资源匮（kuì）乏的（de）国家。从（cóng）国家层面来看，如果要彻底完成交通电动化（huà）转型（xíng），发展可替（tì）代产品，“去钴”已经迫（pò）在（zài）眉睫。

　　落（luò）地到电池企（qǐ）业的生产上，对“钴”有强感知的是上游材料价格。近几年中国钴的（de）产（chǎn）量随着开采而逐渐枯竭，进口的比例逐年增加，使得电池（chí）企业得到（dào）“钴（gǔ）”的（de）成本越来越高。“钴”价居高不下，与动力电池企（qǐ）业（yè）降本的大方向背道而驰（chí）。以（yǐ）50kWh的A级车来计算（suàn），如果（guǒ）按NCM523体（tǐ）系，一辆车大约需要11公（gōng）斤（jīn）钴，如果按（àn）年销2000万辆计算的话，需要22万吨钴；换成高镍（niè）811体系的话就只需（xū）要（yào）一半，必须先“少（shǎo）钴”，然后“无钴”。无钴电池（chí）家（jiā）族（zú）或者叫做（zuò）广义的无钴正极材料大致包括：层状无钴、尖晶石镍锰酸锂、富锂锰基、磷酸（suān）铁锂、磷酸锰酸锂、锰酸锂等，今（jīn）后我们统称“泛无钴家族”，如（rú）下（xià）表：

　　作为主机（jī）厂（chǎng），虽（suī）然（rán）在电池技术路线上有所偏好，但是不（bú）排斥（chì）任何的技（jì）术路（lù）线，前（qián）提（tí）是满足主机（jī）厂对于安全（quán）的核心诉求下，平（píng）衡成本、续航、长寿命等等商业（yè）化因素。随着（zhe）搭载无钴电池的整车面（miàn）世，无钴材料各项性（xìng）能得（dé）到用户认可，更多的玩家和上下游企业加入（rù）该技（jì）术路线（xiàn），行业（yè）协同效应显现，无钴电（diàn）池大规（guī）模应用一定是趋势与方向！

　　图示为中国（guó）电动车电（diàn）池的发展（zhǎn）路线（xiàn）图（tú）（资料来自清华大学锂离子电池实验室）

　　总结

　　三元锂选择高镍无钴，磷酸铁锂选择CTP、LCTP，都在向着低（dī）资源依赖低成本的（de）方（fāng）向发（fā）展。结合新能（néng）源汽车发展的两（liǎng）条（tiáo）主线：电动化与智（zhì）能网（wǎng）联，笔者（zhě）判断（duàn），追求（qiú）高续（xù）航与自动驾驶体（tǐ）验的高端时尚乘用车，装电量会不断提升，从（cóng）50kWh提升到115kWh以上，更多会考虑选择三（sān）元高（gāo）镍无（wú）钴电（diàn）池；另外一方面实用主义者用车，每年行驶里程不超一万（wàn）公里，只需要简单的辅助驾驶，肯定将（jiāng）选择磷酸铁锂路线的电（diàn）池；介于两者之间的（de）体验派则会忽三元忽铁锂在网上发声（shēng）；商用车几乎（hū）都导向磷（lín）酸（suān）铁锂（lǐ）体（tǐ）系。就算大家对未来（lái）推出的半（bàn）固（gù）态与固态（tài）电池充（chōng）满期（qī）待，泛无钴材料体系的动力电池赛（sài）道都具有明确（què）的确（què）定性。

　　（本文作者（zhě）系吉林大学青岛（dǎo）汽车研究院副（fù）院长、中国汽车工程学会电器（qì）技术分会技（jì）术与标准专家组特聘专家（jiā）顾（gù）国（guó）洪）