一、車用動力電池發(fā)展的主要問題與總體認識
1.動力電池發(fā)展仍然存在不確定性
當前，電動化已成為汽車產(chǎn)業(yè)不可逆轉的大趨勢。而車用電池作為影響電動汽車可持續(xù)發(fā)展的關鍵因素之一，其發(fā)展仍存在一定的不確定性。這其中既有科學問題，也有產(chǎn)業(yè)應用問題。
從科學的角度來看，車用電池技術目前尚未收斂：一方面，電池材料體系仍面臨多樣選擇，主要包括磷酸系電池、三元系電池、鈉電池、無鈷電池以及固態(tài)電池等，其下又可細分為磷酸鐵鋰電池、磷酸錳鐵鋰電池，三元5系電池、三元8系電池，半固態(tài)電池、全固態(tài)電池等。另一方面，電池技術及工藝的開發(fā)，包括電池性能潛力的可開發(fā)程度、關鍵的時間節(jié)點、電池與整車集成趨勢下的創(chuàng)新方向等，也存在不確定性。
從應用的角度來看，電池還涉及到多種不同應用場景的選擇，以及對這些場景潛力的判斷：例如，不同材料體系的電池是適用于儲能，還是適用于車輛動力系統(tǒng)？是適用于低端車型、中端車型，還是高端車型？又如，某種電池在各種特定場景下的應用狀況，有無替代性的競爭電池，市場空間的大小以及市場爆發(fā)和飽和的時間點，產(chǎn)能布局和建設的情況，等等。
顯然，上述問題對于企業(yè)在電動化方向上進行戰(zhàn)略決策及保持戰(zhàn)略定力至關重要，并將直接影響汽車產(chǎn)品的研發(fā)周期、成本乃至綜合競爭力。為此，蓋斯特基于長期持續(xù)的深入研究，結合產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最新實踐，對主流動力電池當前的現(xiàn)狀及未來的趨勢進行了研判。特將觀點分享如下，供行業(yè)同仁參考。
2.動力電池的創(chuàng)新發(fā)展仍有很大空間
動力電池的創(chuàng)新主要涉及材料創(chuàng)新、結構創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和裝備創(chuàng)新等。其中，材料創(chuàng)新是根本因素，工藝結構創(chuàng)新、電池與整車集成創(chuàng)新是重要因素，裝備創(chuàng)新則是支撐因素。這些創(chuàng)新既有各自的獨立性，又彼此影響、密切相關。四個創(chuàng)新領域的不斷拓展，特別是“四合一”的協(xié)同創(chuàng)新，將是今后動力電池優(yōu)化的主要方向。參見圖1。
圖1車用動力電池的創(chuàng)新方向與相互關系
具體來說，首先，材料創(chuàng)新深度影響結構創(chuàng)新。動力電池需要基于材料的固有特性，有針對性地設計適配的封裝、集成形式。同時，結構創(chuàng)新也會反向推動材料創(chuàng)新。例如，高集成化、結構極簡化等結構創(chuàng)新要求電池材料進行摻雜、包覆等改良性創(chuàng)新，以更適配于結構。其次，電池與整車的集成創(chuàng)新對電池材料和結構提出更高、更多的創(chuàng)新要求。最后，電池材料、結構和集成創(chuàng)新都會對裝備提出創(chuàng)新要求。如果沒有裝備的支撐，再先進的電池設計方案也很難落地。
總體而言，動力電池創(chuàng)新仍有很大的發(fā)展空間，而不同材料體系的電池創(chuàng)新各有不同的側重點，這將帶來磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池、半固態(tài)電池、全固態(tài)電池以及鈉離子電池等不同的應用前景。下面逐一進行分析。
二、不同材料體系電池的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢判斷
1.磷酸鐵鋰電池
蓋斯特判斷：磷酸鐵鋰電池的近期發(fā)展及未來潛力均會超出預期。得益于其高安全、低成本及性能提升潛力，磷酸鐵鋰電池在今后10年仍將占據(jù)主導地位。
一方面，磷酸鐵鋰電池具有低成本、長壽命、產(chǎn)業(yè)鏈成熟等突出優(yōu)勢。低成本和長壽命的特點，決定了磷酸鐵鋰電池更適用于儲能；同時產(chǎn)業(yè)鏈成熟，又進一步增強了其相對于其他儲能技術的競爭力。不過磷酸鐵鋰電池的安全性與其儲存的總能量成反比，目前大容量磷酸鐵鋰電池的安全性還面臨一定挑戰(zhàn)，這是未來需要解決的關鍵技術問題之一。另一方面，磷酸鐵鋰電池也有能量密度較低、快充性能和低溫性能較差等劣勢，導致其在車端應用存在局限，只能作為中低端車型的主流選項。
當前磷酸鐵鋰電池以車端應用為主，且呈現(xiàn)出快速增長的態(tài)勢，2020-2023年磷酸鐵鋰電池在汽車市場上的占有率分別為36%、51%、55.6%、67%；同時儲能應用尚處于示范階段，多個省份陸續(xù)發(fā)布了示范項目，不過儲能應用的長期潛力是非常巨大的。需要注意的是，隨著產(chǎn)能的迅速攀升，近期磷酸鐵鋰電池或將出現(xiàn)日益嚴重的產(chǎn)能過剩問題。據(jù)統(tǒng)計到2023年底，磷酸鐵鋰正極材料的產(chǎn)能達到349萬噸，支撐著約1500GWh的電池產(chǎn)能，遠超實際需求。
對于企業(yè)來說，必須從自身產(chǎn)品的市場定位和特性需求出發(fā)，進行磷酸鐵鋰電池的技術開發(fā)。如果是用于商用車或者儲能，應著力研發(fā)長循環(huán)壽命的磷酸鐵鋰電池；而如果是用于乘用車，那循環(huán)壽命夠用即可，更多地應考慮如何提升磷酸鐵鋰電池的能量密度。
展望未來，預計磷酸鐵鋰電池將基于場景需求驅動，在以下幾個主要方向上進一步優(yōu)化：一是提升能量密度。通過負極引入硅氧，其能量密度可提升10%左右；通過正極摻雜錳元素，其能量密度理論上可提升20%左右，實際上也可提升10%以上。由于能量密度的提升會帶來循環(huán)壽命的下降，因此這方面的優(yōu)化主要面向車用場景。二是提高循環(huán)壽命。如果不追求更高的能量密度，磷酸鐵鋰電池相對容易實現(xiàn)1萬次以上的循環(huán)壽命。這方面的優(yōu)化主要面向儲能場景。三是提升耐低溫性能，通過電解液改進等類似的小優(yōu)化持續(xù)進步，可實現(xiàn)在-20℃下放電容量保持率達到85%甚至更高。
綜上，磷酸鐵鋰電池的性能特點及成本優(yōu)勢決定了其在近中期的車用/儲能市場上均有較大的應用空間。蓋斯特對磷酸鐵鋰電池市場空間的預測見圖2。
圖2磷酸鐵鋰電池的市場空間預測
如圖2所示，在可預期的未來，磷酸鐵鋰電池在車用和儲能雙輪驅動下，市場空間將持續(xù)擴大。車用方面，2030年前磷酸鐵鋰電池都將處于主流地位，不過市場占有率會先升后降，中期的替代可能來自于磷酸錳鐵鋰電池，而長期的替代將來自于三元鋰電池。儲能方面，2030年前磷酸鐵鋰電池會有較大的發(fā)展機會，之后將面臨日益加劇的多元儲能方式競爭。其中，退役電池的數(shù)量正快速激增，有望在儲能場景得到應用；同時鈉電池約在2025年、V2G（車輛與電網(wǎng)互動）約在2030年、氫能約在2035年開始，將對儲能市場格局產(chǎn)生較大影響。此外，海外市場也是磷酸鐵鋰電池的重要機遇，且目前正處于有利時期。因為中國企業(yè)已有成熟經(jīng)驗（包括技術、工藝、裝備、設計等），再加上中國電動車的加快出海，預計磷酸鐵鋰電池在海外市場將迅速進入爆發(fā)期。
2.三元鋰電池
蓋斯特判斷：三元鋰電池雖然目前的發(fā)展速度低于預期，但是后續(xù)潛力很大。憑借其能量密度、快充性能等優(yōu)勢，三元鋰電池將是今后15年中高端車型上的主流選項。
一方面，三元鋰電池在能量密度、快充性能和低溫性能等方面具有優(yōu)勢。例如，其單體能量密度可達300Wh/kg以上，極限可做到500Wh/kg，遠超磷酸鐵鋰電池；又如，三元鋰電池正在開發(fā)可支持6C甚至8C超快充（C為電池充放電倍率，等于充放電電流/額定容量）的高倍率充電，而磷酸鐵鋰電池通常只能做到1.5C左右，即使領先的產(chǎn)品，目前也僅做到4C，快充速度相差很大。另一方面，三元鋰電池在成本、安全性、循環(huán)壽命及資源依賴等方面仍有劣勢。例如，三元鋰電池能量密度的提升將帶來其安全性挑戰(zhàn)的升級；又如，鋰、鈷等主要材料的價格波動會影響三元鋰電池的成本。針對這些問題，三元鋰電池正向單晶化、高壓化、高鎳化的方向發(fā)展，同時回收技術也日益受到重視。
當前，三元鋰電池在中高端車型上占據(jù)絕對核心地位，盡管裝車占比有所下降，不過得益于新能源汽車的高速增長，絕對數(shù)量仍在提升。當然，三元鋰電池的市場空間主要集中在車用，因為其受循環(huán)壽命和成本的限制，不太適合儲能應用；同時在消費電子領域雖有一定優(yōu)勢，但總體上需求有限。此外，三元鋰電池的產(chǎn)能存在結構性過剩，即總體產(chǎn)能過剩，而高端產(chǎn)能仍然不足。預計到2025年，三元正極材料的產(chǎn)能可達200萬噸，足以支撐1150GWh的電池產(chǎn)能；但在高安全、高品質(zhì)管控、高能量密度的高端電池市場上，還會有較大的缺口。
對于企業(yè)來說，要充分認識到三元鋰電池較大的開發(fā)潛力，尤其應著力做好正負極的潛力挖掘與電池的安全管控，同時也應加快推進材料回收，以降低電池成本并減少對資源的依賴。
展望未來，預計三元鋰電池將向更高能量密度、更高安全性以及提高循環(huán)壽命、降低成本等方向發(fā)展。其中，在能量密度方面，5系電池中鎳高壓化后可達到8系電池水平，且有成本優(yōu)勢，短期內(nèi)有一定的競爭力；長期來看，則需在超高鎳正極（增鎳降鈷）和硅碳負極（增硅）等方面持續(xù)優(yōu)化。在此過程中，所需的主要技術支撐，一是降低電解液中液體含量，這就需要實現(xiàn)材料改進、電極設計優(yōu)化以及制造升級；二是攻關復雜性越來越高的安全技術，特別是與電動汽車的熱管理有效結合。在成本方面，需從產(chǎn)業(yè)鏈布局和模式創(chuàng)新等維度入手來降低成本，而做好回收與電池成本息息相關，直接關乎未來產(chǎn)品的核心競爭力，應成為企業(yè)關鍵性的長期戰(zhàn)略。
綜上，由于三元鋰電池的開發(fā)潛力大，同時其他替代性電池的量產(chǎn)應用尚待時日，所以，三元鋰電池雖然近期市場份額有所下降，但中長期的發(fā)展前景仍然值得期待。蓋斯特對三元鋰電池市場空間的預測見圖3。
圖3三元鋰電池的市場空間預測
如圖3所示，在可預期的未來，三元鋰電池將有很大的增長空間，而當前痛點的解決將推動其得到更廣泛的應用。從時間上看，未來15年三元鋰電池都將是主流的車用電池，且市場占有率會逐漸回升。其原因有二：一是全新材料體系的全固態(tài)電池具有充分替代三元鋰電池的可能性，但這種替代將是工業(yè)體系的替代，涉及到產(chǎn)業(yè)鏈配套、產(chǎn)能調(diào)整、政策支持（屆時很難再有針對動力電池的補貼等激勵政策）以及成本控制等一系列關鍵問題，因此這注定需要很長的時間跨度，不可能一蹴而就；二是相對于磷酸鐵鋰電池，三元鋰電池在快充、低溫和能耗等方面的性能優(yōu)勢是機理性的，不會改變，而其安全性可以持續(xù)提升，成本劣勢也有望不斷改善，這將使三元鋰電池的應用車型逐步下沉，在更多的中端車型上得到使用。而從區(qū)域上看，通過技術合作、本地化生產(chǎn)、投資并購等方式，三元鋰電池也有出海機遇，近期應以歐洲為主，酌情探索亞洲、北美地區(qū)。
3.半固態(tài)電池
蓋斯特判斷：半固態(tài)電池的潛力有限，其發(fā)展恐將不及預期。這是因為半固態(tài)電池仍處在傳統(tǒng)鋰離子電池的范疇，屬于技術改進性質(zhì)，并不具有顛覆性。
由于全固態(tài)電池面臨量產(chǎn)難題，未來發(fā)展存在不確定性，同時高能量密度的液態(tài)電池存在安全性問題，所以才產(chǎn)生了半固態(tài)電池的發(fā)展需求。半固態(tài)電池并沒有改變現(xiàn)有電池的機理，只是致力于提供一種能量密度和安全性更高的改進方案。為此，需要基于技術可行性和性能、安全訴求，選擇合適的電解質(zhì)?？蛇x的材料主要有氧化物和聚合物等，當前氧化物電解質(zhì)是主流。
通過這樣的改進，半固態(tài)電池的安全性和能量密度都會有所提升，當然這并不會是顛覆性的突破。同時，其快充性能面臨挑戰(zhàn)，必須在技術和工藝方面進一步創(chuàng)新。此外，還需克服相對于現(xiàn)有電池的成本劣勢，這種劣勢主要來自制造環(huán)節(jié)（工藝/裝備調(diào)整、涂布效率低、產(chǎn)線良品率低等）的成本增加。
在過去一段時間里，一些企業(yè)紛紛宣布開始量產(chǎn)半固態(tài)電池，因此可視為半固態(tài)電池投入應用的開端。不過，后續(xù)系統(tǒng)及整車級的各種驗證還有大量工作要做，其產(chǎn)業(yè)化進程還只是剛剛開啟。據(jù)調(diào)研統(tǒng)計，到2025年半固態(tài)電池的規(guī)劃產(chǎn)能有近100GWh，遠期規(guī)劃產(chǎn)能大于200GWh。
對于企業(yè)來說，可以把半固態(tài)電池作為改進三元電池的重要方案之一，但必須清楚，這種改進方案并非一定必要，只是選項之一。
展望未來，半固態(tài)電池可能的應用將率先在中高端以及特定場景的車型上實現(xiàn)，不過其發(fā)展需要一定的時機，從根本上講取決于全固態(tài)電池的發(fā)展進程。具體來說，半固態(tài)電池的關鍵訴求是補齊短板，核心工作是做好各種性能的平衡和提升，主要發(fā)展方向包括：第一，采用相應的正負極材料以提高能量密度，如正極使用超高鎳三元材料，負極使用高硅碳、含鋰復合材料。第二，挖掘快充性能潛力以及提高循環(huán)壽命與穩(wěn)定性，如設計新型電極材料、優(yōu)化電解質(zhì)材料和改進界面工程等。第三，在規(guī)模化生產(chǎn)中降低成本，包括提高制造效率、提升良品率和擴大生產(chǎn)規(guī)模等，這部分的成本增量遠超材料成本。
總體而言，半固態(tài)電池的需求與全固態(tài)電池的發(fā)展速度息息相關，全固態(tài)電池應用得越快，半固態(tài)電池的空間就越有限。半固態(tài)電池的市場應用有兩個關鍵拐點：拐點1是半固態(tài)電池的成本與液態(tài)電池基本持平之時，蓋斯特估計大約在2027年前后可以實現(xiàn)，同時半固態(tài)電池在兼顧主要性能方面也會持續(xù)進步。由此，半固態(tài)電池將由小批量裝車進入到規(guī)模化量產(chǎn)應用的階段。拐點2是全固態(tài)電池開始規(guī)?；慨a(chǎn)，兩者的成本大約在2035年左右有望持平。在此之后，半固態(tài)電池的市場空間將逐步被全固態(tài)電池所取代。實際上，目前磷酸鐵鋰、三元鋰電池基本可以滿足車用需求，半固態(tài)電池在常規(guī)場景下并無明顯優(yōu)勢。后續(xù)隨著成本和性能的優(yōu)化，半固態(tài)電池或可在B級以上的中高端車型上得到一定的應用。因為這類車型的成本敏感度相對較低，同時一些注重技術領先的企業(yè)也可以將其作為打造品牌的一項技術加以宣傳和推廣。
未完待續(xù)，請繼續(xù)關注《蓋斯特研報：車用動力電池發(fā)展現(xiàn)狀與未來趨勢預判（下篇）》
