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  • 蔚來正在自研“磷酸錳鐵鋰”和4680電池,并計劃量產這兩種電池

    2022-09-06 16:40 | 云南生活網

    今年6月份,蔚來一季度財報會上,李斌曾公開透露已組建了超 400 人的電池團隊,打算自研電池。

    就在幾天前,媒體《晚點 Auto》曝光了蔚來造電池的最新進展:蔚來正在自研“磷酸錳鐵鋰”4680電池,并計劃量產這兩種電池。

    其中,4680電池將用于打造800V電池包,預計2024年應用于蔚來第三代平臺(NT3)車型上。

    而磷酸錳鐵鋰電池,將供應蔚來旗下子品牌“阿爾卑斯”,品牌定位在20-30萬元價格區間,同樣支持換電,預計 2024 年上市。

    這也意味著,蔚來即將成為繼比亞迪和長城汽車之后,國內第三家擁有獨立生產電芯能力的車企。

    4680電池是特斯拉最先提出的最新一代的大圓柱電芯,其配套CTC電池底盤一體化技術曾在今年上半年大火了一陣。

    而磷酸錳鐵鋰電池?這個電池名字似乎看起來既有點熟悉,又有點陌生,它跟磷酸鐵鋰之間只差了一個“錳”字。

    目前市面上絕大多數新能源乘用車的電池,按正極材料來分基本上分為兩種,一種是三元材料電池,一種是磷酸鐵鋰電池。當然,除了這兩種以外還有錳酸鋰和鈦酸鋰電池,但它們用量實在太小了,幾乎可以忽略不計。

    這個“錳”到底意味著什么?后面會跟大家詳細聊聊。

    無獨有偶,除了蔚來以外,特斯拉也在前段時間被曝出即將使用磷酸錳鐵鋰電池。

    某家媒體報道稱,寧德時代將會向特斯拉供應最新的“M3P電池”,將率先搭載在新款Model Y上,電池帶電量72kWh,預計明年年初上市。

    M3P,光看這個電池名字,似乎跟特斯拉的Model系列挺般配的。

    雖然寧德時代并沒有公開透露M3P電池的具體信息。但有行業內人士推測,M3P電池中的“M”大概指的就是錳元素,而M3P電池大概率是磷酸錳鐵鋰電池的一種。

    值得一提的是,馬斯克本人對錳元素有著濃厚的興趣。

    今年1月,馬斯克曾在推特上表示:“錳可以代替鐵和磷,還可以在更高的電壓下工作。”

    而在特斯拉柏林工廠建成開幕時,馬斯克被記者問到“石墨烯電池有沒有前景”時,馬斯克回答“目前石墨烯電池制造相當復雜,對其未來前景持懷疑態度”。

    但緊接著,他說到:“特斯拉正在用更多的材料制造電池,其中錳是特別有潛力的。”

    似乎,特斯拉用上M3P電池,是一件特別合情合理的事情。

    不過就在前幾天,特斯拉公開發文辟謠了:

    特斯拉中國制造車型并沒有計劃使用任何新型號電池,包括4680電池。特斯拉改款即將使用M3P電池系謠言,特斯拉將對造謠者進行追責。

    雖說特斯拉搭載M3P電池這件事為假,但M3P電池本身對寧德時代來說,可一點都不假。

    7月22日,2022世界動力電池大會上,寧德時代首席科學家吳凱透露,M3P電池已經量產,將在明年推向市場運用。

    “對于700公里左右的實用性車型,寧德時代將采用M3P替代三元材料,結合麒麟電池的高體積利用率,有效降低整車電池成本。”吳凱在大會上表示。

    除了寧德時代以外,寧德時代的主要競爭對手,被寧德時代告了6.5億元的中創新航,也在前幾天發布了“高錳鐵鋰電池”,系統能量密度達到180Wh/kg,可實現700km續航。

    最關鍵的是,還可以減少15%鋰用量,似乎還有利于減少成本。

    國內其他電池企業比如欣旺達、億緯鋰能等,也在近期申請了磷酸錳鐵鋰電池的專利....

    似乎在這個時間點,動力電池行業里掀起了一股“錳”流。

    那么,磷酸錳鐵鋰電池的前景究竟如何?

    01. “三元VS鐵鋰”之爭

    說到磷酸錳鐵鋰為什么會出現,這就要談談動力電池技術進步的歷程了。

    動力電池進化的技術路線無非就兩種:

    一種是從物理層面出發,提升電池的體積利用率,也就是盡可能的“挖”更多的空間留給電池本身;

    另一種是從化學層面出發,用能量更高的材料來制作電池,使電池能量密度得到提升。

    就這兩年來看,動力電池在物理層面進展是非常迅速的。

    從最開始的傳統電池包,到去掉模組的CTP電池、刀片電池,再到前段時間大熱的零跑C11、特斯拉的電池底盤一體化技術(CTC)和比亞迪海豹的電池車身一體化技術(CTB),包括前段時間寧德時代發布的麒麟電池.....

    工程師為了把更多的空間留給電芯,可謂費勁千辛萬苦。

    實際上,應用CTB/CTC技術的車型,連完整的電池包都不要了,電池的整體空間利用率已經逼近極限了。

    再想從本質上有提升的話,除非腦洞大開,把整個車身都變成電池本身,不過這樣一來安全性就很難保證了。

    相比之下,動力電池在化學層面的進展,就顯得相對沒那么快了。

    這么多年,正極材料方面都只有三元和磷酸鐵鋰兩個化學體系在“打架”。

    2014年以前,中國新能源汽車還處于萌芽階段,總保有量連現在的1%都不到。車企對于電動汽車的目標也不是很高,大多還是以“能跑就行”為主。

    這時,價格更為便宜的磷酸鐵鋰電池就受到了市場的青睞,甚至還出現過不少續航僅80KM的鉛酸電池車型。

    從2015年開始,國家開始以補貼的方式鼓勵車企造新能源汽車,其中很重要的一個指標就是續航,續航越高,可以獲得的補貼就越高。

    于是,有不少車企將眼光放在了能量密度更高的三元電池上。雖然三元電池比磷酸鐵鋰要貴不少,但總歸是能靠補貼把成本賺回來的。

    到了2018年,補貼開始退坡,續航對于補貼的門檻也在不斷提高,從最開始的80km,現在已經提升到300km了。

    補貼政策對于長續航的引導,使得車企越來越傾向于使用三元電池。

    2019年前后,新能源汽車行業曾出現過一輪“續航競賽”,從最開始的300公里續航,到后面400公里,650公里續航的車型相繼問世。與此同時,各大電池廠為了提高電池能量密度,開始給電池瘋狂加鎳。

    三元電池的正極材料由鎳鈷錳(Ni/Co/Mn)三種元素構成,簡稱NCM電池。

    三元電池的命名方式也是按照鎳鈷錳的配比來定的,比如常見的有NCM523、NCM622、NCM811。其中NCM811中的鎳含量是最高的,所以能量密度也是最高的。

    在“續航競賽”之中,NCM811電池可謂大放異彩,成為了許多車企追捧的對象。

    可電池能量密度高了之后也有弊端,就是電池的“脾氣”會變得更不穩定,帶來的后果就是自燃率的增加。

    許多車企都在自燃上栽了跟頭,威馬就是一個典型的例子。

    恰逢人們對電動汽車“自燃焦慮”愈發嚴重的時候,比亞迪站了出來,推出了磷酸鐵鋰的刀片電池,還放出了成功通過針刺試驗的視頻。一下子就把當時主推NCM811的“寧王”心態搞炸了。

    為了反擊比亞迪,寧王甚至還放出了“鋼針刺電池包,鋼針被崩斷”的視頻,來證明它的電池能通過針刺試驗。

    但懂的都懂,鋼針刺不破電池包,只能證明殼子硬,或是鋼針質量不太行,并不能證明“芯”安全,有點本末倒置了。

    這場“針刺之爭”中,比亞迪獲得了大勝利。搭載刀片電池的漢,成為了比亞迪“封神”之路上的起點。

    隨后,比亞迪可謂掀起了一股磷酸鐵鋰浪潮。包括特斯拉、小鵬在內,都在低續航版本車型上開始應用磷酸鐵鋰電池。當然,磷酸鐵鋰比三元電池更便宜,也是因素之一。

    從行業里差不多一邊倒的用三元電池,到現在新車磷酸鐵鋰裝車量占據半壁江山,甚至略多于三元電池,只不過用了2年多的時間。

    但在如今這個時間點來看,許多純電車型的續航都奔著1000公里去了,電池工程師們又開始躁動不安了起來。

    因為即便他們想方設法的扣更多的空間留給電芯,也奈何不了磷酸鐵鋰材料本身的能量上限實在是有些低。

    工程師們只好從材料端入手尋求突破,一種就是像蔚來一樣拿三元電芯和磷酸鐵鋰電芯做混搭,另一種就是對磷酸鐵鋰材料本身進行改進,磷酸錳鐵鋰就是其中一個路線。

    02. 磷酸鐵鋰變“錳”了?

    首先可以確定的一點是,磷酸錳鐵鋰電池的能量密度,理論上要比磷酸鐵鋰要高一些。

    究其原因,錳元素的加入可以讓電池獲得更高的電壓。

    有業內人士研究表明,磷酸錳鐵鋰電池的電壓可以達到4.1V,而磷酸鐵鋰電池只能達到3.4V。

    這主要是因為二價錳離子Mn2+升價為三價錳離子Mn3+,需要4.1V左右的電壓。而二價鐵離子Fe2+升價為三價鐵離子Fe3+,只需要3.4V左右的電壓。

    “電池能量密度=放電倍率×電壓/電池質量”,意味著在放電倍率和電池質量不變的情況下,電壓越高,能量密度越大。

    據測算,磷酸錳鐵鋰電芯的能量密度極限可達到230Wh/kg。

    對比一下,目前業內最出色的磷酸鐵鋰電芯,能量密度為210Wh/kg,這已經非常接近極限了。而NCM811電芯的能量密度可以達到270Wh/kg。

    也就是說,錳鐵鋰電池的能量密度會介于鐵鋰和三元之間,差不多能比鐵鋰電池能量密度高10-20%。

    中創新航稱,搭載其“One-stop”磷酸錳鐵鋰電池的車型,續航里程可達到700公里以上,這放在現在許多三元電池的車型上也不算差的。

    錳鐵鋰4.1V的電壓,與三元電池3.8V的電壓十分接近,只差了0.3V。

    相比磷酸鐵鋰和三元電池相差0.4V來說,錳鐵鋰電池與三元電池混搭起來對BMS的技術要求會更低一些。

    在-20℃的低溫環境下,錳鐵鋰電池的容量保持率能達到75%左右,而同溫度狀態下磷酸鐵鋰的容量保持率為60-70%,所以錳鐵鋰電池更出色的低溫性能,使其更適合在北方使用。

    安全性方面,錳鐵鋰和磷酸鐵鋰的結構都是橄欖石型結構,充放電會比三元電池的層狀結構更穩定一些。

    除此之外,磷酸錳鐵鋰電池很重要的一個優勢就是:便宜。

    磷酸錳鐵鋰從原材料用料來看,可以比磷酸鐵鋰用更少的鋰、鐵和磷,用錳去做替代。

    錳元素在地殼中的含量在0.1%左右,豐度僅次于鐵元素,所以錳并不算是一個很貴的金屬原材料。

    總體上來看,錳鐵鋰電池跟鐵鋰電池的價格十分接近,成本只會增加10%不到,實現大規模產業化之后,成本的差距還會更小。

    相比之下,三元電池必須要用到的鈷就要貴太多了,錳在同質量下市場價格僅為鈷的1/20左右。

    電池便宜的好處,自然不必多說。

    去年年底和今年年初的兩波漲價潮,“原罪”之一正是因為電池原材料價格瘋漲。

    現在,整個電動車行業對電池價格都是相當敏感的,廣汽高管都開始公開吐槽寧德時代電池賣的太貴,把車企利潤都榨干了。

    但寧德時代也是有苦說不出,其最新的2022年半年報顯示,雖然銷售收入總體提高了1.5倍之多,但其主營業務電池系統的毛利已經降到了15.04%,相比去年同期下降了7.98%,可謂“內出血”。

    馬斯克曾表示,“電動汽車想要普及開來,電池原材料必須足夠便宜且觸手可及。”

    他預計未來將會有2/3的車型將會搭載磷酸鐵鋰電池或磷酸錳鐵鋰電池。

    03. 錳鐵鋰電池的“坎”

    雖說錳鐵鋰電池比鐵鋰電池有能量密度優勢,跟三元電池比更便宜,但至今都沒有成為主流電池,背后也是有原因的。

    實際上,早年間比亞迪就嘗試在老款e6上搭載過磷酸錳鐵鋰電池,不過后續因為效果不太理想,就沒有延續下來。

    近期有傳聞稱“比亞迪已小批量采購了磷酸錳鐵鋰材料用于內部研發”,不過這個傳聞最近也被比亞迪官方辟謠了,目前還沒有明確的計劃。

    當初比亞迪之所以放棄錳鐵鋰這個技術路線,有業內人士分析稱,主要是因為錳鐵鋰顆粒直徑大約為50納米,而磷酸鐵鋰顆粒直徑為數百納米。

    顆粒越小就越容易吸收空氣當中的水,造成表面的改性,就像鮮牛奶如果不加一定的防腐措施和密封包裝就很容易壞掉,是一個道理。還會造成材料壓實密度降低,容易使得電池容量衰減加快。

    錳鐵鋰電池還有一個瓶頸,就是錳鐵鋰材料的導電性能相較磷酸鐵鋰來說比較差,一定程度上會影響快充性能,且更容易容量衰減。

    據業內人士測算,錳鐵鋰電池的充電速度大約會比磷酸鐵鋰慢6%左右。

    除此之外,錳鐵鋰電池產業化落地,也會比想象中要難,可不是像在磷酸鐵鋰中加一個“錳”字這么簡單的事。

    雖然磷酸錳鐵鋰一定程度上來說是磷酸鐵鋰的“進化版”,但卻很難通過原本磷酸鐵鋰產線改造之后做成磷酸錳鐵鋰電池產線。

    電池制造本身對于工藝的精細程度,不亞于許多低制成的芯片晶圓廠,配方小小的改動就會引發“蝴蝶效應”,整條產線都要跟著變。

    目前來看,重新開一條全新的磷酸錳鐵鋰產線,或許要比做磷酸鐵鋰產線改造更劃算。

    錳鐵鋰電池帶來的更高能量密度,值不值得電池企業投資大規模建產能,是需要好好算一筆賬的。這也會影響錳鐵鋰電池未來的前景。

    04. 寫在最后

    盡管磷酸錳鐵鋰電池還尚處萌芽階段,還有許多困難需要克服,但不能排除它可能是未來電池界的“潛力股”。

    縱觀僅7、8年來,動力電池化學體系之中三元和磷酸鐵鋰的斗爭,一直是處于此消彼長的“螺旋上升”態勢。

    之所以會“螺旋上升”,是因為兩種電池各自有各自的特點,沒有一個能做到完美。

    磷酸錳鐵鋰電池,相當于磷酸鐵鋰為了在提高能量密度,在彌補短板上踏出的嶄新的一步。

    假設有一天,有某種方法可以提升三元電池的安全性,極大程度上減少自燃概率,是不是三元電池會再次雄起呢?這事也說不準。

    不可否認的是,我們正在親身經歷時代的變革。

    身處變革之中,那些不確定的東西,或許會給我們帶來更多驚喜。

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