中日韩争霸 新一代电池技术鹿死谁手？

日前,一则宁德时代计划明年量产NCM811动力电池的消息,将动力电池行业新一轮的技术竞赛摆在了人们眼前。稍早时候,比亚迪也以非官方公开发言的形式,表示其NCM811动力电池会在2019年下半年投入使用。

NCM811,即正极材料中镍钴锰的含量比例为80%:10%:10%的三元锂电池,代表目前动力电池领域最高能量密度与最高技术含量的路线。

然而,在现下的语境,两大动力电池龙头齐齐放话要上NCM811,核心用意却不是要在此时争出个你死我活。

两年后,国产新能源车退坡、动力电池产业放开后,在技术与产业布局上领先的外资电池将真正卷土重来,届时,或将有一场更为惨烈的动力电池三国杀。国内的动力电池企业最有效的应对方式,唯有以先进的技术回应挑战。

高镍材料体系成动力电池必由之路

如果说在2017年,动力电池企业对三元锂电池的正极材料选择还有所疑虑的话,那么一年过后,两股强大的力量:钴的价格,以及政策和市场提出的能量密度要求,基本将企业的选择锁定在了高镍三元材料。

根据伦敦贵金属交易所的今年2月的数据,从当时往前倒推的18个月里,作为动力电池中尤为关键的材料,钴的价格上涨了3倍,最高时价格达到了8万美金/吨。根据全球第四大钴生产商金川国际财报披露,其钴平均售价上半年上升至每吨74243美元,同比上升118%。这两天,钴价(电解钴)则稍稍回落到了50万元人民币/吨以下。然而,一吨电解镍的价格,目前就11万出头。

正极材料在动力电池的成本占比最高,最高可以达到30%。一路疯涨的钴价与相对低廉的镍价两相对比,动力电池企业们决定Pick镍。这是高镍三元材料崛起的第一重因素。

与此同时,电动汽车的里程焦虑,到如今仍然广泛存在。日前蔚来ES8120公里时速续航里程200公里出头的消息引发了广泛关注,就是最好的例子。消费对电动车续航里程的期待通过车厂传导到了动力电池企业,必然要求电池能量密度更高,带电量更大,能够跑更远。

恰好,镍在锂离子电池内的主要作用就是拉高克容量,让电池的能量密度更高。公开数据显示,NCM811材料的克容量能够达到190mAh/g,显著高于钴含量更高、国内目前最主流的NCM523。

同样,国家政策也在强化对动力电池能量密度、成本的要求。2017年2月出台的《促进汽车动力电池产业发展行动方案》》明确提出了到2020年动力电池单体能量密度300Wh/kg、系统能量密度260Wh/kg,成本1元/Wh的目标。标准不断走高的新能源车补贴标准,比如今年纯电动乘用车系统能量密度达到140Wh/kg才能拿到足额补贴的条款,也在推动动力电池产业往高镍三元材料路线进发。

在2018年,NCM811一时成为国内动力电池产业的宠儿。不仅是比亚迪、宁德时代表示2019年量产的计划,国轩高科、亿纬锂能等也计划在2019年量产,比克、力神、鹏辉新能源更是表示,其NCM811动力电池已经实现了量产供货。其中比克还列出了一份客户表,北汽新能源、上汽大通、云度等均在其列。而原本计划在NCM523基础上发展、推广的NCM622,此时声量已经小了下去。

多方合力之下,中国动力电池技术似乎又要迎来一轮“一步到位”的跨越式发展。

高镍动力电池之战:日本领先,国产已落后

然而,在中国动力电池行业刮起一片NCM811之风时,韩国那边却传来了“坏消息”:

去年,韩国动力电池行业的老三SKI宣布量产NCM811软包动力电池,将为起亚的电动车供货。然而今年,SKI却宣布推迟量产NCM811的计划。

而韩国的另一动力电池巨头LG,今年初LG配套电池的现代KonaEV亮相时,一度被传为是”首款使用NCM811电池的电动车”,而后韩国媒体却辟谣,KonaEV采用的是NCM622三元电池。LG化学CFO在接受采访时也表示,LG生产的NCM811仅限于圆柱形锂电池、仅应用在电动大巴上。

不过,技术要求稍低的NCM622技术路线,国内的厂商也尚未实现大规模上量。在面向未来的技术储备上,国内动力电池产业在中日韩三国中最弱势。

三元锂动力电池的各项属性之间,一直存在相互制约的关系——能量密度高了,温控和安全性就更难保障;要保障电池循环寿命,能量密度就会相对受限。

三元材料中镍含量与电池各属性关系:左边为失控温度,中部为克容量,右边为容量保持性能

NCM811中提升了镍的占比,拉高了电池的能量密度,然而却要付出电池循环寿命减少、电池热稳定性变差、功率性能下降等诸多代价,这便要求在动力电池的其他关键材料(负极材料、隔膜、电解液)以及电芯成组、成系统的环节予以找补。

仅有日本的松下,以圆柱形电池的形式真正解决了高镍三元材料动力电池的大规模生产应用问题。虽然松下采用的正极材料是NCA(镍钴铝),三种材料配比为80%:15%:5%,但本质上它和NCM811路线同源。在特斯拉Model3采用的21700圆柱形电池上,松下实现了单体电芯能量密度300Wh/kg的指标。

松下提供的电池超高能量密度并不只归功于高镍正极材料。在负极上,松下使用了碳硅材料。硅的克容量为4200mah/g,而纯石墨负极克容量仅为373mah/g,掺入了硅的碳硅负极材料克容量能够达到400-650mah/g的水平,进一步推高了电池的能量密度。

特斯拉此前更是在生产报告中指出,其电池的部分性能指标已经比竞争对手下一代还强,和宁德时代的路线图比起来,似乎确实是这样。

看宁德时代的技术路线图,他们使用NCM811配合碳硅负极实现300Wh/kg能量密度的产品,要在2020年才推出。

这意味着,松下在高镍三元锂动力电池的产业化、应用于乘用车的节奏上,至少领先了中国动力电池龙头企业2-3年。尽管宁德时代与比亚迪在去年的动力电池出货量排名上分列第一、第三,但在技术上,松下仍然是公认的第一。

而国内虽然也有不少动力电池企业推出NCM811圆柱形锂电池并开始推向市场,但在规模上完全无法和松下高达数GWh的供货量相比。

高镍电池量产需要全产业进步

据悉,宁德时代频繁与车厂进行合资的举动中,有较大成分是因其技术深度与国外巨头相比并不领先,希望以此举来绑定车企,分担风险。而比亚迪,日前也在动力电池领域和长安合资。

不过,技术不占优也并非全然是宁德时代、比亚迪们不够努力。由于动力电池牵一发而动全身的属性,对NCM811的应用,其实需要整个产业体系的通力配合。而国内动力电池生产厂商的上下游、中国的动力电池产业乃至新能源车产业,本就处在追赶者的角色。

在整个产业上游,动力电池的四大关键材料(正极材料、负极材料、隔膜、电解液),目前日韩公司居于技术主导地位,更尖端的高镍三元材料和其配套材料更是如此。

1、正极材料

在正极材料方面,目前高镍三元材料的成熟制备技术和批量生产能力主要掌握在日本住友、户田工业和韩国的ECOPRO手中,高镍三元材料还大量依赖进口。

据CBC有色网的统计,2017年全年我国共进口三元材料9142吨,同比大幅增加288.5%。

2、负极材料

在负极材料上,国内动力电池产业对碳硅负极的生产应用也处于相对滞后的局面。据起点研究院的数据,2017年中国锂电池硅碳负极材料产量达到1500吨,虽然增长速度达到了130%,但在全年锂电负极材料总产量中仅占比1%。

而日本方面,松下在2012年发布的NCR18650C型号电池中就应用了碳硅负极,而后的特斯拉动力电池中均有碳硅负极的存在。这意味着从2012年开始,日本的碳硅负极材料就开始了大规模的产业化应用。

3、电解液

在电解液方面,NMC811动力电池中化学活性更高的镍含量更高,更容易与电解液发生反应,一来会造成正极材料表面氧化,二来造成电解液分解、产气,影响电池的能量、安全性能。此时,便需要研发与NCM811材料配套的、化学性质更稳定的电解液。

同样,我国的电解液产业起步也晚于日韩。虽然在2017年拿到了70%的全球电解液市场份额,但在与高镍三元材料配套的新一代电解液上,中国企业的进度较日韩特别是日本更慢。目前,代表最高实力的特斯拉NCA动力电池中的电解液,来自有20年生产经验的日本三菱化学。国内厂商普遍还处于技术攻关的阶段。目前,公开宣称与NCM811正极材料配套电解液量产的,仅有国内电解液巨头新宙邦。

4、电池隔膜

在技术含量最高的隔膜上,动力电池的高镍化、高能量密度化,需要隔膜技术进行两大改进——一是生产方法从干法向湿法转变,从而获得更好的充电倍率和能量密度性能;二是薄膜材质从PP/PE向陶瓷材料演进,从而获得更好的安全性能和能量密度性能。

2015年的数据中,世界前三大锂离子电池隔膜生产商分别为日本旭化成、东燃化学、韩国SKI,前六家海外企业总市占率达到72%。2016年中国市场锂电池隔膜总需求达到20亿平方米,占全球市场近60%,但国产隔膜的产量仅12亿平方米左右,隔膜进口率达到了40%。国内隔膜厂商虽然近两年的市场占有率不断上升,但仍处于低端的干法隔膜产能过剩,高端湿法隔膜产能不足的尴尬局面。

在产业中游,动力电池生产商这边,国内对动力电池封装路线的选择,也对量产NCM811动力电池带来了考验。

松下采用的是封装路线为圆柱形锂电池,其外壳硬度较大、单枚电芯体积小,这带来的优势是,高硬度外壳可以更好抑制碳硅负极体积膨胀问题以及电池内产气的问题。同时,单枚体积较小的圆柱形电池的热失控问题也更好管理,不易蔓延。动力电池走向高镍三元方向后,安全问题变得最为尖锐,而圆柱形锂电池的形态较好地缓解了这一问题。

而以宁德时代、比亚迪为龙头的国内动力电池生产厂商,选择的大多是方形硬壳封装路线,在保障安全性的优势上不如圆柱形电池明显,方形硬壳NCM811动力电池在全球也还没有大规模应用的案例,无经验可循

另外,国内动力电池厂商的电芯一致性,也与日韩企业尚有差距。

而在产业下游,车企对动力电池进行配套应用的能力,也是一道阻碍NCM811普及的难关。依然从松下的动力电池举例,松下与特斯拉其实是相互成就的关系。

松下虽然为特斯拉提供了单体能量密度达到300Wh/kg的21700NCA电芯,但事实上,松下并未彻底解决高镍和碳硅负极带来的负面影响,其电芯的循环寿命并未达到目前主流三元材料电池2000次+的水准。

然而,特斯拉通过将电池系统容量提升到100KWh的方式,降低单枚电芯的单次放电深度,从而变相延长了动力电池的使用寿命。同时,特斯拉的电池液冷系统、能够管理7000枚电芯的BMS,也在为电池正常工作保驾护航。

而国内车企与动力电池厂商进行深度合作,打造一个深度定制的电池管理系统从而对电池工作情况进行深入优化的能力,还有待验证。

此外,国内动力电池行业里还存在生产设备依赖进口、原有产线无法复用过渡到NCM811生产等问题需要解决。

国外巨头虎视眈眈国内企业迅速追赶

从目前的行业态势来看,面向下一代的高镍三元动力电池,日本由于有松下-特斯拉这一激进的跨国组合,以及其背后强大完善的产业链支持,目前在技术与应用上均处于领先态势。

而韩国企业虽然在技术专利、历史经验相较于国内企业仍有一定优势,但从LG与SKI皆推迟NCM811电池生产计划的局面来看,国内企业有希望在近期快速拉近和韩国企业的差距。

但现实情况是,在2020年新能源车补贴将全面退出,政策进一步放开后,如果国内动力电池厂商无法提供在性能和价格上与日韩企业至少平齐的产品,那么整车厂将会用脚投票,转向采购外资电池。

事实上,无论是国外的电池巨头还是国内的车厂,都已经在为这一可能的局面未雨绸缪。

今年7月17日,LG化学与南京江宁滨江开发区政府正式签约,LG化学将在滨江开发区投资20亿美元建设总产能达到32GWh的动力电池工厂。在此之前,吉利则是接手了LG化学之前的南京电池工厂,以LG化学的电池技术,为沃尔沃和领克的新能源车生产、供应电池。

松下在大连的动力电池工厂,今年3月正式量产,在尚不能打开国内市场的情况下,计划向先通用配套方形动力电池。

而位于西安的三星环新,则仍在“潜伏”中。

强敌在侧,也就不难理解国内动力电池企业为何纷纷要朝NCM811跃进。

稍显安慰的信息是,虽然在技术上相对滞后,但国内企业仍然有一些独特的优势。依托政策红利以及中国新能源车市场规模的红利,国内动力电池产业可以在NCM811方向快速上量,形成规模。国内动力电池企业们的2019年推出NCM811或者高镍三元材料电池的目标也并非空中楼阁——国内动力电池整个产业链都在朝高镍三元体系转向。

在上游,正极材料方向。行业数据显示,2018年一季度,国内三元材料产量31670吨,同比增长64.26%。其中NCM811/NCA占比8%,NCM811产量大幅激增。正极材料主要的国内企业中,宁波容百在2018年规划了数万吨产能的高镍产线,同时其表示有500吨的NCM811材料月销量;杉杉能源今年末将有1万吨高镍产线投入试生产;巴莫有5000吨高镍产线已经投入生产;当升科技也宣称实现了NCM811量产,目前提供给下游客户测试;厦门钨业、天力锂能,也均有万吨级的高镍材料规划产能。

负极材料领域,贝特瑞的碳硅负极,则打入了特斯拉的供应链,为松下的动力电池电芯配套部分负极材料。杉杉股份、紫宸等具备了小量试产能力,国轩高科、比亚迪等则在研发、建设产能过程中。

电解液方面,除了新宙邦已经推出了配套NCM811的电解液,另外两大电解液巨头天赐材料与江苏国泰,也在加紧配套电解液的研发。

而在隔膜方向,2017年国内湿法隔膜的产能占比已经达到了56%,而以中锂新材、星源材质、上海恩捷为代表的国内隔膜行业头部企业,均有2亿平米以上的湿法隔膜新规划产能。

在国内,圆柱形电池应用NCM811材料的条件已经相对成熟,多名行业人士均表示,NCM811或高镍三元材料,明年有望先行在圆柱行电池上爆发。

结语:下一代动力电池生死时速竞赛

眼下,随着新能源乘用车产量的进一步增长,车辆续航里程与人们期望里程之间的矛盾正在扩大。

高镍三元材料体系几乎成为全球主要动力电池企业钦定的“救命道路”。

而技术层面,眼下存在日本-韩国-中国的层级。但中国企业正在依托市场优势,尝试快速拉近这一差距。其中既有学习松下路线的圆柱形锂电池已经部分投入使用,又有国内更主流的方壳电池或在明年取得突破。

不过,正如文章所说,相较于排头兵松下,国内企业在高镍三元体系动力电池的技术和应用上落后了至少2-3年。而现在,距离新能源补贴退出的时间已经只有两年。

对于国产动力电池产业来说,这是一场生死时速。