动力电池材料比拼：比亚迪锰vs特斯拉石墨烯

2014-08-23

密度不输三元材料？比亚迪下代电池技术锁定磷酸铁锰锂

　　在8月3日湖南韶山召开的由中科招商投资管理集团有限公司主办的中国新能源汽车产业三基工程会议上，比亚迪股份有限公司总裁王传福接受了媒体专访，他认为，比亚迪秦这款车市场预期远远超出了他们的预估，给产能带来很大压力；在新的电池技术上，比亚迪一直在进行新电池、新材料的研发。

　　在新能源车的产能上比亚迪是如何安排的，能不能适应市场的需要？比亚迪现在使用的是磷酸铁锂技术路线，下一步其它技术路线如何选择？

　　王传福回答说，比亚迪现在正在遇到产能的瓶颈，因为对市场的预估有些小心谨慎，没有判断出比亚迪秦这款车市场如此的火爆，所以，现在的产能远远跟不上供应。

　　现在比亚迪秦已销售了6000余辆，现在每个月的产能是1000辆，但每个月的订单数量在3000至4000辆左右，超出了产能的3至4倍，这就出现了比亚迪秦市场供应的严重短缺。这也说明新能源车的市场拐点已经到来了。现在比亚迪也在积极布局，应对这样的市场状况，至少在明年早些时候能够解决市场供应的问题。

　　说到电池材料技术路线问题，比亚迪现在是磷酸铁锂的方向，未来也会研究其它的技术。我们现在研究的就是在磷酸铁锂路线下的改进型，叫磷酸铁锰锂，就是在材料里面添加锰元素。这种电池的能量密度已经达到了三元材料的密度。另外，我们考虑电池的技术路线，也是从材料的矿物质多少出发的。三元材料中的钴是相对稀有的金属，地球上储藏量有限，这就造成有这个元素的电池价格会下不来。而我们选择的磷酸铁锰锂，这些元素在地球上很富有，不会存在枯竭的那一天，所以，我们从经济性上来考虑，就选择了这个路线。当然，随着电池技术的不断发展，我们也有可能选择其它技术路线。

　　石墨烯或成特斯拉电池理想候选材料

　　特斯拉CEO马斯克在接受英国汽车杂志采访时表示，目前正在研究高性能电池，特斯拉汽车很快将能行驶805公里，相比目前增长近70%。特斯拉对电池技术的革新，将引发市场对提升锂电池能量密度材料的关注。石墨烯具有高导电性和良好的柔韧性，是柔性储能器件的理想候选材料之一。

　　柔性屏、锂电池、超级电容是石墨烯短期最具吸引力的三个应用领域。（1）柔性屏将给消费电子领域带来革命性变化，手机与平板电脑实现完美统一；（2）石墨烯可用于锂电池的负极复合材料和导电添加剂，锂电池比容量可以从370mAh/g提升到540mAh/g，同时大幅提升电池充放电速度；（3）超级电容器的正负极换成石墨烯后（原为石墨），可大幅提高其比电容密度和额定电压，同时降低电容器的等效电阻。

对于锂电池而言，电极材料是决定其能量密度的关键因素。目前锂电池负极材料的主要种类有天然石墨（59%），人造石墨（30%），中间相炭微球（8%）及其他类型（3%），石墨类负极材料仍然占据主流地位。由于现有技术限制，当前主流负极材料（如人造石墨、中间相碳微球等）并不能大幅提高锂电池能量密度，负极材料市场急需高效的新型材料。

　　公开资料显示，近年来石墨烯等新型负极材料的研发与应用，开始受到业内的关注。石墨烯是一种新型材料，是已知材料中最薄的一种。由于它的电阻率低，电子迁移的速度极快，表面积大和电性能良好，被科学家认为是锂离子电池的理想电极材料。

　　研究证明，将石墨烯应用于锂离子电池负极材料中，可以大幅度提高负极材料的电容量和大倍率充放电性能。石墨烯可阻止复合材料中纳米粒子的团聚，缓解充放电过程中的体积效应，延长材料的循环寿命。粒子在石墨烯表面的附着，可减少材料形成SEI膜过程中与电解质反应的能量损失。

　　近年来，国内高校和研究机构进行了石墨烯材料的研究工作，企业也开始推进石墨烯负极材料的产业化进程。2011年11月，常州第六元素材料科技股份有限公司成立，将生产用于锂电池负极材料的石墨烯。2012年4月，大连丽昌新材料有限公司建成了全自动石墨烯负极材料生产线，年产能达300吨。机构预计，随着石墨烯技术的突飞猛进，石墨烯的特性将提升锂电池的能量密度，进而解决电动汽车的续航里程问题。

　　动力锂电池材料路线之争中日韩三元材料大战

　　在尝试了市面上超过300种电池后，特斯拉才认定三元锂电池。

　　特斯拉电池技术总监Kurt Kelty给出的理由是：能量密度更大且稳定性、一致性更好；可以有效降低电池系统的成本；尺寸小但可控性和安全性都不断提高。

　　事实证明，Kurt Kelty的选择绝对正确。

　　在特斯拉从首款车型Roadster向目前最风靡的Model S“转型”的4年时间里，电池组成本已经下降了约44%，并且会继续下降。

　　现在，MODEL S续航里程能够达到486公里，电池容量达到85kWh（1kwh=1度），采用8142个3.4AH（AH，安时数，是反映电池容量大小的指标之一）的松下18650型电池。工程师们将这些电池以砖、片形式逐一平均分配，最终组成一整个电池包，放置于车身底板。

　　就在7日，特斯拉发布今年第一季度财报，首席执行官马斯克说，特斯拉与松下达成协议，将建造一座耗资约50亿美元的超级锂离子电池厂。

　　当特斯拉MODEL S在高速公路上飞驰的时候，各方对三元锂电池的关注度也以几何级数飞增。

三元聚合物锂电池

　　是指正极材料使用锂镍钴锰三元正极材料的锂电池，锂离子电池的正极材料有很多种，主要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料、磷酸铁锂等。目前三元材料的电芯代替了之前广泛使用的钴酸锂电芯，在笔记本电池领域广泛被使用。

　　“用苹果和安卓（智能手机）的都是好孩子，因为每天必须按时回家……充电。”

　　这个流传甚广的段子不仅调侃了当下人们对电子产品严重的依赖性，更有意思的是，它还折射了一种科技界的流行症——对电池容量小、充电次数频繁的焦虑。

　　焦虑症蔓延的时候，特斯拉出现了，还带来一个救星：三元锂电池。

　　“旋风”突袭之前，有关电池以及充电问题的讨论被不断放大，篇幅远远超过特斯拉汽车的其他性能。但很快，当特斯拉最知名车型MODEL S采用三元锂电池（即以镍钴铝三元材料为正极材料的锂电池）的消息传出，整个电池业豁然开朗。

　　大而化小。这款应用于电动汽车的技术，适时缓解了从智能手机到可穿戴设备，甚至充电宝等小型电子产品的“充电焦虑症”。锂电池，也正式迎来三元材料时代。

　　正极材料锂电池之心

　　我们的手机里、手表里、平板电脑里，锂电池无所不在。

　　这种在当代被广泛应用的产品，据考证灵感最早来源于爱迪生。他曾使金属锂和二氧化锰发生作用，产生放电反应。

　　经过这么多年的技术发展和改进，今天，一颗合格锂电池的基本组成包括外壳、正极材料、负极材料、隔膜、电解液等。其中，正极材料对于锂电池的能量密度、安全性、循环寿命等起着决定性作用，占锂电池成本的40%，其技术发展也变得尤为关键。

　　目前，主流的正极材料包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂以及镍钴锰酸锂三元材料等。就能量密度、成本、安全性、热稳定性和循环寿命来看，上述主流正极材料的表现各有千秋，这也导致动力锂电池正极材料技术路线出现分化。

　　但无论如何，对锂电池而言，钴金属是必不可少的材料。

　　不过，金属钴一方面价格高昂，一方面存在毒性，无论技术领先的日韩企业还是国产电池厂商近年来都致力于电池“少钴化”。

　　在这种趋势下，以镍盐、钴盐、锰盐为原料制备而成的镍钴锰酸锂三元材料渐渐受到推崇。从化学性质角度出发，三元材料属于过度金属氧化物，电池的能量密度较高。

　　尽管在三元材料中，钴的作用仍不可缺少，但质量分数通常控制在20%左右，成本显著下降。而且同时兼具钴酸锂和镍酸锂的优点。

　　随着近年来国内外厂商不断加码生产，以三元材料为正极材料的锂电池取代商用钴酸锂的趋势已十分明显。

　　大到电动汽车，小到智能手机、可穿戴设备或者充电宝，这种新型技术都完全适用。

特斯拉大手笔三元材料迎高峰

　　在特斯拉之前，各界对三元材料知之甚少。

　　直到特斯拉宣布在其风靡全球的高端跑车MODEL S车型上采用三元材料作为电池正极材料，这一技术才渐渐被广泛认可。如今俨然已是未来动力电池的发展方向。

　　公开资料显示，特斯拉MODEL S续航里程能够达到486公里，电池容量达到85kWh，采用了8142个3.4AH的松下18650型电池。工程师将这些电池以砖、片的形式逐一平均分配最终组成一整个电池包，电池包位于车身底板。

　　任何事物都有两面性。尽管镍钴铝能量密度高，但由于镍钴铝的高温结构不稳定，导致高温安全性差，且pH 值过高易使单体胀气，进而引发危险。

　　最终，特斯拉通过有效的电力管理系统解决了三元锂电池的安全性问题，并使单位成本却远低于其他电动车型，大约为416美元/kWh。

　　特斯拉7日称，该公司已与日本松下公司签署共建超级电池厂的意向书，这项工程可望下月动工。

　　特斯拉今年2月宣布，为适应量产电动车的需求，将建造一座耗资约50亿美元的超级锂离子电池厂，预计将满足特斯拉年产50万辆电动车的需求，电池组每千瓦时的成本将降低逾30％。

　　特斯拉7日发布今年第一季度财报，首席执行官马斯克表示，特斯拉与松下就共建超级电池厂签署了意向书，双方已组建电池生产的研发团队。

　　松下目前是特斯拉的主要电池供货商。根据双方2011年签署的协议，松下在4年内为特斯拉提供6．4亿块汽车级锂离子电池。这一供货量后来又增加到18亿块。

　　关于电池厂的最终选址，特斯拉尚未敲定，备选地包括亚利桑那、内华达、新墨西哥、得克萨斯以及加利福尼亚等5个州。马斯克表示，为最大限度减少延期风险，特斯拉将在至少两个地点建电池厂。

　　特斯拉在最新财报中说，全球市场对Models全电动汽车的需求增长较快，公司今年将交付3．5万辆。目前特斯拉的生产能力是每周近700辆，今年年底有望增至每周1000辆。

　　松下曾在2010年向特斯拉投资3000万美元，成为其股东之一。并且于2011年达成战略协议，将负责特斯拉今后5年全部车辆的电池供应。

　　电池行业人士告诉记者，鉴于特斯拉和松下在三元材料电池方面的合作，再加上特斯拉建设超级电池厂这一大手笔。未来，三元材料电池将进入一个全新的发展高峰。

　　值得注意的是，除了特斯拉MODEL S，有消息称雪佛兰Volt 沃蓝达汽车采用的是LG化学提供的三元正极材料电池。电池保质期达到8年，行程可达16万公里左右。2011年，雪佛兰Volt 沃蓝达从位于上海金桥的通用汽车中国总部出发，途经多种路况，完成了约248公里省道的不间断行驶，也在一定程度上证明了这种电池高效的性能。

　　“虽然国内电动车厂商（比如比亚迪）主流观点仍是坚持采用磷酸铁锂（材料制造商如天津斯特兰科技）电池，但也有部分电池厂商明显踏上了追随日韩企业的步伐，把重点对准了三元材料。”有研究人士说。

　　可以预见，未来随着电动汽车的普及，三元材料的需求量必将进一步上升。而且，三元材料还将在复合电池材料中占据一席之地，以更好地平衡成本和性能。

日韩技术领先国内企业忙追赶

　　从全球范围来看，各方对三元材料的研发生产都在不断推进。在这个过程中，材料性能大幅提升，应用领域也一再拓展。

　　2009年8月，美国总统奥巴马宣布用24亿美元支持企业发展“下一代”电池和电动车计划，三元材料电池生产企业被纳入补贴范围。

　　2012年2月，我国工信部发布的《新材料产业“十二五”发展规划》中，提出到2015年将新增正极材料产能4.5万吨/年，将组织开发包含高效率、大容量、长寿命、安全性能能的镍钴锰三元系电池正极材料。

　　不过截至目前，高端三元材料生产技术主要集中在日韩企业中。一些知名电池厂商从2010年就开始全面使用三元材料。

　　有资料称，日本的三元材料电池性能甚至已接近于钴酸锂电池。能得到特斯拉的青睐，也证明了日本厂商提供的三元材料具备高品质。

　　从供应角度来看，日亚化学、韩国L&F、比利时UMICORE这三家公司是全球锂电池正极材料主要供应商，2012年上述3家企业市场份额合计为36%。

　　国内三元材料生产从2005年左右起步，截至目前也已出现了10家左右规模企业，其中不乏上市公司。

　　不少企业长期与日韩电池企业保持上下游合作关系，也有企业获得美国3M公司授权代工，总体而言，这些企业在三元材料技术制造和应用领域方面仍面临较大的局限，几乎没有产品面向动力电池领域，难与日韩企业正面对抗。

　　最近一则新闻显示，中国企业终于也开始涉足动力电池领域。再生资源龙头企业格林美近日公告称，该公司控股子公司江苏凯力克钴业股份有限公司以现金5298.2万元收购清美化学株式会社、长濑产业株式会社、上海信铭国际贸易有限公司合计持有的清美通达锂能59%的股权。