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【文/智電汽車】電動化大趨勢愈演愈烈，我國通過政策的引導(dǎo)和扶持，已經(jīng)成為全球最大的新能源汽車市場。
眾所周知，新能源汽車的重要瓶頸在于電池的續(xù)航里程。在此背景下，國家出臺了《促進汽車動力電池發(fā)展行動方案》、《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》，鼓勵高能量密度電池的使用，近期《外商投資產(chǎn)業(yè)指導(dǎo)目錄（2017年修行）》政策提出解除純電動汽車合資企業(yè)限制以及取消汽車電子和動力電池股比限制，這也是促進新能源汽車市場推廣應(yīng)用高能量密度電池的重要舉措。
基于政策倒逼和動力電池技術(shù)本身的進步，我們通過三元鋰和固態(tài)鋰電池的產(chǎn)品技術(shù)對標(biāo)模型分析，對未來動力電池發(fā)展格局進行推演。
一、動力電池發(fā)展現(xiàn)狀分析
目前，國內(nèi)新能源汽車仍然在采用磷酸鐵鋰（BYD為主）和三元鋰電池，車型續(xù)航里程基本上都能夠達到300公里，但是電池系統(tǒng)平均能量密度水平僅為115Wh/Kg。而2017年3月份，國家工信部等四部委聯(lián)合頒布《促進汽車動力電池發(fā)展行動方案》，指出到2020年，要求新型鋰離子動力申池單體比能量超過300Wh/Kg；系統(tǒng)比能量力爭達到260Wh/Kg。
數(shù)據(jù)顯示，我國動力電池能量密度現(xiàn)狀與目標(biāo)值差距達126%，2020年達到目標(biāo)值對磷酸鐵鋰電池來說太難了，但是對于以特斯拉為代表的三元鋰電池則是完全可能的，其采用的動力電池性能好，BMS管理系統(tǒng)效率也高；此外，固態(tài)鋰電池也可以將電池系統(tǒng)能量密度提升至260Wh/Kg水平。
1、三元鋰和磷酸鐵鋰電池——當(dāng)前的中流砥柱
當(dāng)前，全球新能源車市場進入蓬勃發(fā)展的關(guān)鍵時期，主流汽車企業(yè)紛紛布局新能源汽車，鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈因此快速成熟將進一步推動新能源汽車的規(guī)?；瘧?yīng)用。從全球角度看，典型車企配套車型主要采用日韓動力電池，以三元鋰為主，續(xù)航里程基本都達到或超過350公里的水平。
表格1全球主流動力電池配套情況
再看國內(nèi)，從2017年新能源汽車前6批推廣目錄來看，新車型搭載電池的能量密度也有不同程度地提升。第一批目錄中能量密度超過115Wh/Kg的車型僅占13.11%，到第五批目錄這一比例達到了73%，可以看出動力電池能量密度的提升已是大勢所趨。主流電動車企業(yè)配套的動力電池也逐步向三元鋰轉(zhuǎn)型，續(xù)航里程基本上都能夠達到300公里的水平。
表格2國內(nèi)主流動力電池配套情況
綜合國內(nèi)外動力電池企業(yè)搭載新能源汽車情況看，三元鋰電池成為主流技術(shù)路線的趨勢已經(jīng)不可逆轉(zhuǎn)，但整車?yán)m(xù)航里程仍有提升的空間。這很可能是由于動力電池能量密度不高、BMS效率提升空間仍有待開拓等多方面原因所致。
2、全固鋰態(tài)動力電池——未來的發(fā)展方向
世界各國先后制訂的高能量密度鋰電池研發(fā)目標(biāo)，均在積極地布局鋰硫電池、鋰空氣電池或鋰金屬電池等前瞻性技術(shù)。
固態(tài)鋰電池在繼承傳統(tǒng)鋰電池優(yōu)點的基礎(chǔ)上，安全性、能量密度都有了大幅進步。目前，全固態(tài)鋰電池研發(fā)可提供的能量密度基本可達300~400Wh/kg，有望成為下一代高能量密度動力和儲能電池技術(shù)的重要發(fā)展方向，這已是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的共識。
圖1世界各國對動力電池能量密度的階段目標(biāo)
圖2世界鋰電池技術(shù)路線走向
全球動力電池關(guān)聯(lián)企業(yè)也加速布局全固態(tài)鋰電池領(lǐng)域以搶占先機，目前各技術(shù)路徑的產(chǎn)業(yè)化進程不同，其中以聚合物固態(tài)電池發(fā)展較快，由于其高溫工作性能較好，已經(jīng)完成實驗室驗證并有小部分企業(yè)實現(xiàn)了小規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。
固態(tài)鋰電池（聚合物固態(tài)電池）研發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀
法國Bolloré：全固態(tài)二次電池（LMP），負極材料采用金屬鋰，電解質(zhì)采用聚合物（PEO 等）薄膜，目前已經(jīng)批量應(yīng)用在法國的 EV，共享服務(wù)汽車“Autolib”和小型電動巴士“Bluelus，總體應(yīng)用超過3000 輛。
美國Seeo：全固體二次電池采用大創(chuàng)公司的干聚合物薄膜，提供的樣品電池組能量密度為 130-150Wh/kg，2017 年能量密度能達到300Wh/kg，尚未推廣應(yīng)用。
CATL：目前已經(jīng)設(shè)計制造出了容量為 325 mAh的聚合物電芯，表現(xiàn)出較好的高溫循環(huán)性能，尚未推廣應(yīng)用。
中科院青島能源所：開發(fā)的大容量固態(tài)聚合物鋰電池“青能 I 號”完成深?？瓶?，其能量密度超過 250 Wh/kg，500次循環(huán)容量保持 80％以上，在多次針刺和擠壓等苛刻測試條件下保持非常好的安全性能。“青能 II號”也已經(jīng)研發(fā)成功，能量密度高達 300 Wh/kg，尚未推廣應(yīng)用。
此外，固態(tài)鋰電池中，硫化物固態(tài)電池（鋰硫電池）由于具有較高的能量密度和低廉的成本，有著巨大的開發(fā)潛力，豐田、三星、CATL、豐田等國內(nèi)外企業(yè)均紛紛加速布局，這其中以豐田技術(shù)最為領(lǐng)先。豐田在2010年就推出硫化物固態(tài)電池，2014年其實驗原型能量密度達到400Wh/kg，截止到2017年初，豐田固態(tài)電池專利數(shù)量達到30件，遠高于其它企業(yè)。據(jù)豐田高管透露，豐田或?qū)⒃?020年實現(xiàn)硫化物固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化。國內(nèi)企業(yè)CATL在硫化物固態(tài)電池方面相對領(lǐng)先，正加速開發(fā)純電動汽車用的硫化物全固態(tài)鋰金屬電池。
固態(tài)鋰電池（硫化物固態(tài)電池）研發(fā)現(xiàn)狀
豐田：2010年開始推出固態(tài)電池，2014年其實驗原型能量密度達到400Wh/kg。
三星日本研究所：利用硫化物類固體電解質(zhì)試制出2000mAh、175Wh/kg的壓層型全固態(tài)二次電池。
Sakti3（美國）：2015年獲得英國家電巨頭戴森1500萬美元的投資，其開發(fā)的固態(tài)電池以陶瓷等為電解質(zhì)，金屬鋰或鋰類合金為負極，能量密度達到1000Wh/L，目前仍處于研發(fā)階段。
清陶能源：公司核心在于高固含量的全陶瓷隔膜和無機固體電解質(zhì)的開發(fā)和生產(chǎn)。目前團隊已經(jīng)和北汽開展合作進行中試，未來可能作為北汽電動車的重要組件。
CATL：主要研發(fā)方向是硫化物電解質(zhì)，采用正極包覆方法，解決了界面反應(yīng)問題，熱壓方式降低了界面電阻
二、兩種技術(shù)路線的對比及影響分析
1、三元鋰電池：技術(shù)成熟，當(dāng)前占據(jù)市場主流
從產(chǎn)品成熟度角度來看，美國特斯拉Model系列車型已經(jīng)實現(xiàn)突破，Model3即將規(guī)模化銷量，進一步論證三元鋰動力電池的可行性。Model3采用全新21700電池，相比18650電池在外觀上變長變粗，能量密度也提高了20%，單體電池容量可達3~4.8Ah，大幅提升35%。毫無疑問，當(dāng)前三元鋰動力電池已然為主流產(chǎn)品。
2、固態(tài)鋰電池：技術(shù)潛力大，有望成為未來的主流產(chǎn)品
從技術(shù)潛力角度來看，三元鋰動力電池能量密度提升相對困難，全固態(tài)鋰電池能量密度提升，從理論上講更具可行性。一是全固態(tài)鋰電池電壓平臺提升，固態(tài)電解質(zhì)比有機電解液普遍具有更寬的電化學(xué)窗口，有利于進一步提升電池的能量密度；二是固態(tài)電解質(zhì)能阻隔鋰枝晶生長，材料應(yīng)用體系范圍大幅提升，為具有更高能量密度空間的新型鋰電技術(shù)奠定基礎(chǔ)。三是全固態(tài)鋰電池當(dāng)前能量密度約400Wh/Kg，預(yù)估最大潛力值達900Wh/Kg，有超過100%的提升空間。固態(tài)鋰電池必將是未來的主流產(chǎn)品。
表格5三元鋰電池與固態(tài)鋰電池技術(shù)性能對比
3、固態(tài)鋰電池：安全性高，可大幅降低車輛自燃率
近年來國內(nèi)外多次出現(xiàn)新能源汽車自燃事故，新能源汽車的使用越來越關(guān)注。其主要原因在于動力電池（三元鋰為主）的問題，三元鋰電池的電氣安全、功能安全、化學(xué)安全、機械安全方面控制仍不給力。一般而言，三元鋰電池液態(tài)電解質(zhì)易燃易爆，在長期使用過程中容易觸發(fā)“熱失控”，在充放電過程中鋰枝晶的生長容易刺破隔膜，引起電池短路，造成安全隱患。但是全固態(tài)鋰電池則具有極高的安全性，其固態(tài)電解質(zhì)不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不漏液，同時也克服了鋰枝晶現(xiàn)象，搭載全固態(tài)鋰電池的汽車的自燃概率會大大降低。
綜合上述產(chǎn)品、技術(shù)、安全等方面的比較，全固態(tài)鋰電池在使用安全和技術(shù)潛力方面具有絕對的優(yōu)勢，但是三元鋰電在產(chǎn)品成熟度、市場滲透方面具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。綜合來看，當(dāng)前采用三元鋰電是純電動汽車最為明智的選擇。但是，一旦全固態(tài)鋰電池解決金屬鋰穩(wěn)定性差等問題后，將爆發(fā)強大的產(chǎn)品替代力，或?qū)㈩嵏矂恿﹄姵禺a(chǎn)業(yè)格局。
