電池專題|燃料、三元、磷酸鐵鋰電池,到底誰是未來?

【導語 :電池對新能源汽車的重要程度並不亞於電動機。而電池的選擇十分令人糾結。因為無論哪種類型的電池,都是“善與惡的結合體”。不同的電池,優勢和弱點都非常突出。燃料電池、三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池,都在通過不斷的技術革新揚長避短,幾款電池的市場受寵程度也在交替上升。】



繼成為世界第一口罩廠之後,比亞迪又成功推出了刀片電池,這款電池解決了安全性與續航里程之間的矛盾,堪稱是動力電池技術的一次革命。

電池專題|燃料、三元、磷酸鐵鋰電池,到底誰是未來?


電池界的三國紛爭

新能源汽車搭載的電池最主流的有三類,一是磷酸鐵鋰電池,二是三元鋰電池,三是燃料電池。比亞迪的刀片電池,屬於磷酸鐵鋰電池。

最先崛起的王者,磷酸鐵鋰電池。磷酸鐵鋰電池價格不高,最大的優點是穩定,安全性高,所以曾經是新能源汽車的搭載首選。但這種電池能量密度較低,簡單說,供電量有限,續航里程低。而客戶恰恰對”續航里程“格外鍾情,所以磷酸鐵鋰電池的輝煌沒能延續。

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後來居上的是三元鋰電池。同樣是比亞迪生產的電池,磷酸鐵鋰電池的單體能量密度為150Wh/kg,三元鋰電池能量密度則達到了200Wh/kg。這就意味著,使用三元鋰電池,可以實現更高的續航里程。國家政策對高續航的車型更為傾向,同時消費都也普遍存在對續航里程的焦慮。如果車輛採用傳統的磷酸鐵鋰則會影響續航里程,這樣就不容易拿到補貼,車也不好賣。所以三元鋰電池一度成為市場的寵兒。包括比亞迪在內的新能源汽車廠,都至少有一部分車型使用了三元鋰電池。在去年,以三元鋰電池為主導的特斯拉,銷量超越比亞迪成為世界第一的電動汽車工廠。

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燃料電池曇花一現,但卻有不可忽視的潛力。燃料電池最為特殊。前兩類電池的功能是儲存電,燃料電池的功能是發電。這是一種將燃料與氧化劑中的化學能轉化為電能的發電裝置。目前使用最廣泛的燃料是氫氣。在工作時,燃料和氧化劑由外部供給進行反應,不斷釋放電能。燃料電池蘊含的能量巨大,動力充沛,續航里程不是問題。關於燃料電池,此前最躥紅的是青年汽車。曾有一則新聞:《水氫發動機河南南陽下線,車輛只需加水即可行駛》。裡面的主角是青年汽車集團。所提到的車輛,只需要加水就可以行馳。過程是這樣,水轉換成氫,氫發電,電驅動汽車行駛。這裡的核心是燃料電池。但是,用什麼能量把水轉換成氫?青年汽車直到走完破產程序也沒有說清楚。

燃料電池汽車還沒有真正市場化。自2013年到2017年底,全球一共才售出了6475輛氫燃料電池乘用車。2019年1-11月,中國燃料電池汽車銷量為1337輛。就算2019年市場不好,這些銷量依然可以被忽略不計。燃料電池汽車還面臨一個問題,就是沒有足夠的加氫站。加氫站的建設是燃料電池汽車商業化的關鍵。

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除了以上三大電池,還有一些非主流,也是不可忽視的競爭者。除三大主力之外,特斯拉已著手研發四元鋰電池,將來沒準還有五元、六元,或者十塊錢的電池。同樣在三月,韓國三星推出了全固態電池。固態電池一度被視為最適合電動車使用。大眾今年推出了搭載固態電池的奧迪PB18 e-tron。除了擁有跑車的速度,這款車還擁有15分鐘完成充電的超能力。


橫空出世的刀片電池

2020年3月29日,刀片電池的發佈會上,王傳福公佈了刀片電池在針刺測試時的視頻。王傳福說:因為三元鋰電池過不了這個測試,所以國家已經不再將該測試作為電池的強制檢驗辦法。但比亞迪為了追求安全性,還是進行了被稱為“珠穆朗瑪峰”的針刺測試。測試是這樣的,用3-8毫米直徑的鋼針刺穿電池,從而模擬電池遇到故障或者事故時的短路狀態。

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在播放的視頻的視頻中,刀片電池被貫穿之後,沒有明火、沒有冒煙,甚至溫度都沒有明顯的升高。放置於電池表面的雞蛋,沒有因為受熱而有明顯的變化。對於刀片電池的原理,比亞迪作出瞭解釋。磷酸鐵鋰電池的弱點是能量密度低。比亞迪的解決辦法是調整組合方式,減少用以支撐的梁、柱,把空間讓給真正有儲電作用的電芯,使得能量密度更高。刀片電池的體積與能量密度之比比傳統磷酸鐵鋰塊狀電池提高了50%。汽車的續航里程提高到了600公里。

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安全性與續航里程的矛盾

這一對矛盾說來話長,因為能量本身是危險的,能量越大,安全性自然越低。人力車沒有危險,但是跑不遠。要想跑得遠,就要用汽油、氫氣……,就可能會燃料、爆炸。既便搭載刀片電池,比亞迪“漢”的續航里程也只有605公里,這是磷酸鐵鋰電池的天花板。而特斯拉Model S的續航里程為660公里,特斯拉 Roadster的續航里程為1000公里。燃料電池方面,本田的Clarity,續航里程達到750公里。

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在續航里程方面,付出這麼多努力,磷酸鐵鋰電池只能勉強與三元鋰電池打平。而三元鋰電池陣營顯然不會止步不前。如果有必要,並不介意再提高一下能量密度。

競爭的另一個焦點是安全性。磷酸鐵鋰電池有安全優勢,並不意味著另兩類電池就不安全。特斯拉有一整套電池管理系統,在過充保護(OVP)、過放保護(UVP)、過溫保護(OTP)、過流保護(OCP)這幾個環節上都會下不少的功夫。通過外殼保護、及時切斷等技術,安全性能也在日益提高。燃料電池需要走的路或許還要更長一些,目前看來技術還不成熟。但就像人類已經適應了“汽油”這麼危險的能量源一樣,人類也會慢慢習慣氫燃料,核燃料。而其澎湃的動力,是足以碾壓儲存型電池的。


三類電池各有所長

磷酸鐵鋰電池勝在安全;三元鋰電池勝在能量密度高,續航里程高;燃料電池的巨大優勢在於充能迅速,3-5分鐘,就可以給車加滿氫氣。

磷酸鐵鋰電池的另一個弱點令人擔憂,其在低溫下的表現不佳。而在中國的廣袤北方、歐洲、北美,有太多的地方將會考驗著電池的低溫運行能力。溫度降到-10℃,一塊3500mAh的磷酸鐵鋰電池,承受低於100次的充放電循環之後,電量就會衰減至500mAh,基本就報廢了。在北方的冬天,磷酸鐵鋰電池或許不是最佳的選擇。

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但磷酸鐵鋰也有一個致勝的妙招,其對貴重金屬的依賴度非常小。如果新能源進一步普及開來,材料供給將會成為新的瓶頸,而僅使用常規材料的磷酸鐵鋰無疑具有巨大優勢。

憑藉刀片電池的勝出,比亞迪及旗下的弗迪電池,會有兩三年風聲水起的好日子。但是電池領域的拼殺並不會結束,會有更多的新技術脫穎而出。從而推動新能源汽車馳騁向前。


點評


在世界範圍內,石油和天然氣的儲量充足,將來石油市場會呈現供大於求的局面。但中國的情況不大一樣,中國的石油依靠輸入。而隨著國力日盛,對能源的需求將進一步擴大。從國家安全的角度考慮,中國不會允許能源命脈過度依賴他人。所以僅中國市場,就可以滿足新能源企業的銷量。而現在的技術加速迭代,正符合產業和國家戰略的需要。



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