動力電池材料比拼：比亞迪錳vs特斯拉石墨烯

　　密度不輸三元材料?比亞迪下代電池技術(shù)鎖定磷酸鐵錳鋰

　　在8月3日湖南韶山召開的由中科招商投資管理集團(tuán)有限公司主辦的中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)三基工程會議上，比亞迪股份有限公司總裁王傳福接受了媒體專訪，他認(rèn)為，比亞迪秦這款車市場預(yù)期遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了他們的預(yù)估，給產(chǎn)能帶來很大壓力;在新的電池技術(shù)上，比亞迪一直在進(jìn)行新電池、新材料的研發(fā)。

　　在新能源車的產(chǎn)能上比亞迪是如何安排的，能不能適應(yīng)市場的需要?比亞迪現(xiàn)在使用的是磷酸鐵鋰技術(shù)路線，下一步其它技術(shù)路線如何選擇?

　　王傳福回答說，比亞迪現(xiàn)在正在遇到產(chǎn)能的瓶頸，因?yàn)閷κ袌龅念A(yù)估有些小心謹(jǐn)慎，沒有判斷出比亞迪秦這款車市場如此的火爆，所以，現(xiàn)在的產(chǎn)能遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上供應(yīng)。

　　現(xiàn)在比亞迪秦已銷售了6000余輛，現(xiàn)在每個(gè)月的產(chǎn)能是1000輛，但每個(gè)月的訂單數(shù)量在3000至4000輛左右，超出了產(chǎn)能的3至4倍，這就出現(xiàn)了比亞迪秦市場供應(yīng)的嚴(yán)重短缺。這也說明新能源車的市場拐點(diǎn)已經(jīng)到來了?，F(xiàn)在比亞迪也在積極布局，應(yīng)對這樣的市場狀況，至少在明年早些時(shí)候能夠解決市場供應(yīng)的問題。

　　說到電池材料技術(shù)路線問題，比亞迪現(xiàn)在是磷酸鐵鋰的方向，未來也會研究其它的技術(shù)。我們現(xiàn)在研究的就是在磷酸鐵鋰路線下的改進(jìn)型，叫磷酸鐵錳鋰，就是在材料里面添加錳元素。這種電池的能量密度已經(jīng)達(dá)到了三元材料的密度。另外，我們考慮電池的技術(shù)路線，也是從材料的礦物質(zhì)多少出發(fā)的。三元材料中的鈷是相對稀有的金屬，地球上儲藏量有限，這就造成有這個(gè)元素的電池價(jià)格會下不來。而我們選擇的磷酸鐵錳鋰，這些元素在地球上很富有，不會存在枯竭的那一天，所以，我們從經(jīng)濟(jì)性上來考慮，就選擇了這個(gè)路線。當(dāng)然，隨著電池技術(shù)的不斷發(fā)展，我們也有可能選擇其它技術(shù)路線。

　　石墨烯或成特斯拉電池理想候選材料

　　特斯拉CEO馬斯克在接受英國汽車雜志采訪時(shí)表示，目前正在研究高性能電池，特斯拉汽車很快將能行駛805公里，相比目前增長近70%。特斯拉對電池技術(shù)的革新，將引發(fā)市場對提升鋰電池能量密度材料的關(guān)注。石墨烯具有高導(dǎo)電性和良好的柔韌性，是柔性儲能器件的理想候選材料之一。

　　柔性屏、鋰電池、超級電容是石墨烯短期最具吸引力的三個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。(1)柔性屏將給消費(fèi)電子領(lǐng)域帶來革命性變化，手機(jī)與平板電腦實(shí)現(xiàn)完美統(tǒng)一;(2)石墨烯可用于鋰電池的負(fù)極復(fù)合材料和導(dǎo)電添加劑，鋰電池比容量可以從370mAh/g提升到540mAh/g，同時(shí)大幅提升電池充放電速度;(3)超級電容器的正負(fù)極換成石墨烯后(原為石墨)，可大幅提高其比電容密度和額定電壓，同時(shí)降低電容器的等效電阻。

　　對于鋰電池而言，電極材料是決定其能量密度的關(guān)鍵因素。目前鋰電池負(fù)極材料的主要種類有天然石墨(59%)，人造石墨(30%)，中間相炭微球(8%)及其他類型(3%)，石墨類負(fù)極材料仍然占據(jù)主流地位。由于現(xiàn)有技術(shù)限制，當(dāng)前主流負(fù)極材料(如人造石墨、中間相碳微球等)并不能大幅提高鋰電池能量密度，負(fù)極材料市場急需高效的新型材料。

　　公開資料顯示，近年來石墨烯等新型負(fù)極材料的研發(fā)與應(yīng)用，開始受到業(yè)內(nèi)的關(guān)注。石墨烯是一種新型材料，是已知材料中最薄的一種。由于它的電阻率低，電子遷移的速度極快，表面積大和電性能良好，被科學(xué)家認(rèn)為是鋰離子電池的理想電極材料。

　　研究證明，將石墨烯應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料中，可以大幅度提高負(fù)極材料的電容量和大倍率充放電性能。石墨烯可阻止復(fù)合材料中納米粒子的團(tuán)聚，緩解充放電過程中的體積效應(yīng)，延長材料的循環(huán)壽命。粒子在石墨烯表面的附著，可減少材料形成SEI膜過程中與電解質(zhì)反應(yīng)的能量損失。

　　近年來，國內(nèi)高校和研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了石墨烯材料的研究工作，企業(yè)也開始推進(jìn)石墨烯負(fù)極材料的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。2011年11月，常州第六元素材料科技股份有限公司成立，將生產(chǎn)用于鋰電池負(fù)極材料的石墨烯。2012年4月，大連麗昌新材料有限公司建成了全自動石墨烯負(fù)極材料生產(chǎn)線，年產(chǎn)能達(dá)300噸。機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)，隨著石墨烯技術(shù)的突飛猛進(jìn)，石墨烯的特性將提升鋰電池的能量密度，進(jìn)而解決電動汽車的續(xù)航里程問題。

　　動力鋰電池材料路線之爭中日韓三元材料大戰(zhàn)

　　在嘗試了市面上超過300種電池后，特斯拉才認(rèn)定三元鋰電池。

　　特斯拉電池技術(shù)總監(jiān)KurtKelty給出的理由是：能量密度更大且穩(wěn)定性、一致性更好;可以有效降低電池系統(tǒng)的成本;尺寸小但可控性和安全性都不斷提高。

　　事實(shí)證明，KurtKelty的選擇絕對正確。

　　在特斯拉從首款車型Roadster向目前最風(fēng)靡的ModelS“轉(zhuǎn)型”的4年時(shí)間里，電池組成本已經(jīng)下降了約44%，并且會繼續(xù)下降。

　　現(xiàn)在，MODELS續(xù)航里程能夠達(dá)到486公里，電池容量達(dá)到85kWh(1kwh=1度)，采用8142個(gè)3.4AH(AH，安時(shí)數(shù)，是反映電池容量大小的指標(biāo)之一)的松下18650型電池。工程師們將這些電池以磚、片形式逐一平均分配，最終組成一整個(gè)電池包，放置于車身底板。

　　就在7日，特斯拉發(fā)布今年第一季度財(cái)報(bào)，首席執(zhí)行官馬斯克說，特斯拉與松下達(dá)成協(xié)議，將建造一座耗資約50億美元的超級鋰離子電池廠。

　　當(dāng)特斯拉MODELS在高速公路上飛馳的時(shí)候，各方對三元鋰電池的關(guān)注度也以幾何級數(shù)飛增。

　　三元聚合物鋰電池

　　是指正極材料使用鋰鎳鈷錳三元正極材料的鋰電池，鋰離子電池的正極材料有很多種，主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰等。目前三元材料的電芯代替了之前廣泛使用的鈷酸鋰電芯，在筆記本電池領(lǐng)域廣泛被使用。

　　“用蘋果和安卓(智能手機(jī))的都是好孩子，因?yàn)槊刻毂仨毎磿r(shí)回家……充電。”

　　這個(gè)流傳甚廣的段子不僅調(diào)侃了當(dāng)下人們對電子產(chǎn)品嚴(yán)重的依賴性，更有意思的是，它還折射了一種科技界的流行癥——對電池容量小、充電次數(shù)頻繁的焦慮。

　　焦慮癥蔓延的時(shí)候，特斯拉出現(xiàn)了，還帶來一個(gè)救星：三元鋰電池。

　　“旋風(fēng)”突襲之前，有關(guān)電池以及充電問題的討論被不斷放大，篇幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過特斯拉汽車的其他性能。但很快，當(dāng)特斯拉最知名車型MODELS采用三元鋰電池(即以鎳鈷鋁三元材料為正極材料的鋰電池)的消息傳出，整個(gè)電池業(yè)豁然開朗。

　　大而化小。這款應(yīng)用于電動汽車的技術(shù)，適時(shí)緩解了從智能手機(jī)到可穿戴設(shè)備，甚至充電寶等小型電子產(chǎn)品的“充電焦慮癥”。鋰電池，也正式迎來三元材料時(shí)代。

　　正極材料鋰電池之心

　　我們的手機(jī)里、手表里、平板電腦里，鋰電池?zé)o所不在。

　　這種在當(dāng)代被廣泛應(yīng)用的產(chǎn)品，據(jù)考證靈感最早來源于愛迪生。他曾使金屬鋰和二氧化錳發(fā)生作用，產(chǎn)生放電反應(yīng)。

　　經(jīng)過這么多年的技術(shù)發(fā)展和改進(jìn)，今天，一顆合格鋰電池的基本組成包括外殼、正極材料、負(fù)極材料、隔膜、電解液等。其中，正極材料對于鋰電池的能量密度、安全性、循環(huán)壽命等起著決定性作用，占鋰電池成本的40%，其技術(shù)發(fā)展也變得尤為關(guān)鍵。

　　目前，主流的正極材料包括鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰以及鎳鈷錳酸鋰三元材料等。就能量密度、成本、安全性、熱穩(wěn)定性和循環(huán)壽命來看，上述主流正極材料的表現(xiàn)各有千秋，這也導(dǎo)致動力鋰電池正極材料技術(shù)路線出現(xiàn)分化。

　　但無論如何，對鋰電池而言，鈷金屬是必不可少的材料。

　　不過，金屬鈷一方面價(jià)格高昂，一方面存在毒性，無論技術(shù)領(lǐng)先的日韓企業(yè)還是國產(chǎn)電池廠商近年來都致力于電池“少鈷化”。

　　在這種趨勢下，以鎳鹽、鈷鹽、錳鹽為原料制備而成的鎳鈷錳酸鋰三元材料漸漸受到推崇。從化學(xué)性質(zhì)角度出發(fā)，三元材料屬于過度金屬氧化物，電池的能量密度較高。

　　盡管在三元材料中，鈷的作用仍不可缺少，但質(zhì)量分?jǐn)?shù)通?？刂圃?0%左右，成本顯著下降。而且同時(shí)兼具鈷酸鋰和鎳酸鋰的優(yōu)點(diǎn)。

　　隨著近年來國內(nèi)外廠商不斷加碼生產(chǎn)，以三元材料為正極材料的鋰電池取代商用鈷酸鋰的趨勢已十分明顯。

　　大到電動汽車，小到智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備或者充電寶，這種新型技術(shù)都完全適用。

　　特斯拉大手筆三元材料迎高峰

　　在特斯拉之前，各界對三元材料知之甚少。

　　直到特斯拉宣布在其風(fēng)靡全球的高端跑車MODELS車型上采用三元材料作為電池正極材料，這一技術(shù)才漸漸被廣泛認(rèn)可。如今儼然已是未來動力電池的發(fā)展方向。

　　公開資料顯示，特斯拉MODELS續(xù)航里程能夠達(dá)到486公里，電池容量達(dá)到85kWh，采用了8142個(gè)3.4AH的松下18650型電池。工程師將這些電池以磚、片的形式逐一平均分配最終組成一整個(gè)電池包，電池包位于車身底板。

　　任何事物都有兩面性。盡管鎳鈷鋁能量密度高，但由于鎳鈷鋁的高溫結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，導(dǎo)致高溫安全性差，且pH值過高易使單體脹氣，進(jìn)而引發(fā)危險(xiǎn)。

　　最終，特斯拉通過有效的電力管理系統(tǒng)解決了三元鋰電池的安全性問題，并使單位成本卻遠(yuǎn)低于其他電動車型，大約為416美元/kWh。

　　特斯拉7日稱，該公司已與日本松下公司簽署共建超級電池廠的意向書，這項(xiàng)工程可望下月動工。

　　特斯拉今年2月宣布，為適應(yīng)量產(chǎn)電動車的需求，將建造一座耗資約50億美元的超級鋰離子電池廠，預(yù)計(jì)將滿足特斯拉年產(chǎn)50萬輛電動車的需求，電池組每千瓦時(shí)的成本將降低逾30%。

　　特斯拉7日發(fā)布今年第一季度財(cái)報(bào)，首席執(zhí)行官馬斯克表示，特斯拉與松下就共建超級電池廠簽署了意向書，雙方已組建電池生產(chǎn)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)。

　　松下目前是特斯拉的主要電池供貨商。根據(jù)雙方2011年簽署的協(xié)議，松下在4年內(nèi)為特斯拉提供6.4億塊汽車級鋰離子電池。這一供貨量后來又增加到18億塊。

　　關(guān)于電池廠的最終選址，特斯拉尚未敲定，備選地包括亞利桑那、內(nèi)華達(dá)、新墨西哥、得克薩斯以及加利福尼亞等5個(gè)州。馬斯克表示，為最大限度減少延期風(fēng)險(xiǎn)，特斯拉將在至少兩個(gè)地點(diǎn)建電池廠。

　　特斯拉在最新財(cái)報(bào)中說，全球市場對Models全電動汽車的需求增長較快，公司今年將交付3.5萬輛。目前特斯拉的生產(chǎn)能力是每周近700輛，今年年底有望增至每周1000輛。

　　松下曾在2010年向特斯拉投資3000萬美元，成為其股東之一。并且于2011年達(dá)成戰(zhàn)略協(xié)議，將負(fù)責(zé)特斯拉今后5年全部車輛的電池供應(yīng)。

　　電池行業(yè)人士告訴記者，鑒于特斯拉和松下在三元材料電池方面的合作，再加上特斯拉建設(shè)超級電池廠這一大手筆。未來，三元材料電池將進(jìn)入一個(gè)全新的發(fā)展高峰。

　　值得注意的是，除了特斯拉MODELS，有消息稱雪佛蘭Volt沃藍(lán)達(dá)汽車采用的是LG化學(xué)提供的三元正極材料電池。電池保質(zhì)期達(dá)到8年，行程可達(dá)16萬公里左右。2011年，雪佛蘭Volt沃藍(lán)達(dá)從位于上海金橋的通用汽車中國總部出發(fā)，途經(jīng)多種路況，完成了約248公里省道的不間斷行駛，也在一定程度上證明了這種電池高效的性能。

　　“雖然國內(nèi)電動車廠商(比如比亞迪)主流觀點(diǎn)仍是堅(jiān)持采用磷酸鐵鋰(材料制造商如天津斯特蘭科技)電池，但也有部分電池廠商明顯踏上了追隨日韓企業(yè)的步伐，把重點(diǎn)對準(zhǔn)了三元材料。”有研究人士說。

　　可以預(yù)見，未來隨著電動汽車的普及，三元材料的需求量必將進(jìn)一步上升。而且，三元材料還將在復(fù)合電池材料中占據(jù)一席之地，以更好地平衡成本和性能。

　　日韓技術(shù)領(lǐng)先國內(nèi)企業(yè)忙追趕

　　從全球范圍來看，各方對三元材料的研發(fā)生產(chǎn)都在不斷推進(jìn)。在這個(gè)過程中，材料性能大幅提升，應(yīng)用領(lǐng)域也一再拓展。

　　2009年8月，美國總統(tǒng)奧巴馬宣布用24億美元支持企業(yè)發(fā)展“下一代”電池和電動車計(jì)劃，三元材料電池生產(chǎn)企業(yè)被納入補(bǔ)貼范圍。

　　2012年2月，我國工信部發(fā)布的《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中，提出到2015年將新增正極材料產(chǎn)能4.5萬噸/年，將組織開發(fā)包含高效率、大容量、長壽命、安全性能能的鎳鈷錳三元系電池正極材料。

　　不過截至目前，高端三元材料生產(chǎn)技術(shù)主要集中在日韓企業(yè)中。一些知名電池廠商從2010年就開始全面使用三元材料。

　　有資料稱，日本的三元材料電池性能甚至已接近于鈷酸鋰電池。能得到特斯拉的青睞，也證明了日本廠商提供的三元材料具備高品質(zhì)。

　　從供應(yīng)角度來看，日亞化學(xué)、韓國L&F、比利時(shí)UMICORE這三家公司是全球鋰電池正極材料主要供應(yīng)商，2012年上述3家企業(yè)市場份額合計(jì)為36%。

　　國內(nèi)三元材料生產(chǎn)從2005年左右起步，截至目前也已出現(xiàn)了10家左右規(guī)模企業(yè)，其中不乏上市公司。

　　不少企業(yè)長期與日韓電池企業(yè)保持上下游合作關(guān)系，也有企業(yè)獲得美國3M公司授權(quán)代工，總體而言，這些企業(yè)在三元材料技術(shù)制造和應(yīng)用領(lǐng)域方面仍面臨較大的局限，幾乎沒有產(chǎn)品面向動力電池領(lǐng)域，難與日韓企業(yè)正面對抗。

　　最近一則新聞顯示，中國企業(yè)終于也開始涉足動力電池領(lǐng)域。再生資源龍頭企業(yè)格林美近日公告稱，該公司控股子公司江蘇凱力克鈷業(yè)股份有限公司以現(xiàn)金5298.2萬元收購清美化學(xué)株式會社、長瀨產(chǎn)業(yè)株式會社、上海信銘國際貿(mào)易有限公司合計(jì)持有的清美通達(dá)鋰能59%的股權(quán)。

　　而清美通達(dá)鋰能研發(fā)的重點(diǎn)方向就包括三元正極材料。而公司高管不久前曾透露，鎳鈷錳三元電池材料項(xiàng)目已在進(jìn)行中，并且看好三元材料在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。