尋找動力電池材料適合的細分賽道

最近幾年，隨著電動車普及率大幅提高，動力電池迎來全面爆發(fā)時刻。但動力電池沒有摩爾定律，不會像半導(dǎo)體那樣飛速迭代。動力電池的技術(shù)基礎(chǔ)是電化學(xué)，元素周期表在100多年前就已經(jīng)基本定下，它需要通過排列組合不同的化學(xué)元素，以及解決一個又一個工程學(xué)問題，來漸進式升級迭代。

這種迭代主要分為材料升級和結(jié)構(gòu)革新，其中正極是決定動力電池能量密度的核心。目前的技術(shù)格局中，正極材料成熟且優(yōu)化空間較小，短期突破點聚焦在負極材料上，而對固態(tài)電池顛覆式創(chuàng)新的期望，正推動很多冒險者激流勇進。

正極材料的混戰(zhàn)

如今，動力電池正極呈現(xiàn)了磷酸鐵鋰與三元材料并行的局面。

其中，三元鋰電池的正極材料主要是鎳鈷錳酸鋰，以鎳鹽、鈷鹽、錳鹽為原料，其中鎳鈷錳的比例根據(jù)需要調(diào)整。三元材料的技術(shù)演進的本質(zhì)就是鎳的比例不斷提升、鈷的比例不斷下降、能量密度不斷提高的過程。

以我們投資的容百科技為例，容百科技還在很早就押注了動力電池的高鎳化，高鎳化是近幾年里出現(xiàn)的新趨勢。高鎳也就意味著去鈷，最早之所以要加鈷，是為了防止電池自燃、爆炸。

然而，鈷在地球上的總儲量不是很大，且主要集中在非洲剛果等地。如今鈷已經(jīng)成為限制動力電池成本下降的重要原因。馬斯克就曾表示，鈷的比例必須下降，不然電動車的成本永遠降不下來。

在車企和電池廠商的推動下，2020年成為了高鎳元年，寧德時代高鎳電池開始起量，而容百科技作為正極材料供應(yīng)商，綁定了寧德時代成為該領(lǐng)域的龍頭。隨著高鎳技術(shù)越來越成熟，2021年高鎳在寧德時代的總裝機量中，占比提升至30%。不過高鎳在工程上并不容易做到。

與三元材料的優(yōu)缺點互換的另一條技術(shù)路線是磷酸鐵鋰。磷酸鐵鋰電池的優(yōu)點十分明顯，包括安全性高、高溫性能好、使用壽命長、原材料成本低等。

比如，磷酸鐵鋰的循環(huán)壽命很長，在2000次以上，而三元鋰電池一般在1000次;磷酸鐵鋰正極材料的分解溫度，高達700℃，非常安全;磷酸鐵鋰原材料不含金屬鈷，這就讓成本比三元鋰電池低了近20%。

與優(yōu)點相對的是，磷酸鐵鋰的缺點也十分明顯。磷酸鐵鋰理論能量密度在190Wh/kg，遠低于三元鋰電池的350Wh/kg，尤其是在低溫下的性能衰減很大，那些一到冬天電量就瘋狂掉的電動車，多數(shù)用的都是磷酸鐵鋰電池。

不過，這些能量密度的損失在某些場景下也可以接受，比如磷酸鐵鋰漲價后才60～70元/公斤，三元鋰電池價格約180～190元/公斤，是磷酸鐵鋰的3倍，所以說可以接受。

2017～2018年，當國家補貼高能量密度材料時，三元鋰電池是很有優(yōu)勢的。但自補貼退坡以后，磷酸鐵鋰的價格優(yōu)勢就完全體現(xiàn)了出來。從2021年開始，磷酸鐵鋰的裝機量一直在增加，從幾年前的市場只剩20%左右，增長到今天的50%，足以與三元分庭抗禮。

如果從整個動力電池產(chǎn)業(yè)鏈來看，當下還有很多不夠成熟的地方。從理論上講，一個成熟行業(yè)會是下游最賺錢，就可能是整車的利潤率大于電池，大于材料，大于礦。但現(xiàn)在的實際情況是，由于整車發(fā)展速度很快，但上游礦的投資周期很長，一時間供給跟不上需求，現(xiàn)在鋰礦、鎳礦價格飆升，反而擠壓了下游，在一定程度上影響了正極材料的技術(shù)路線選擇。

負極材料的探索

隨著正極材料的磷酸鐵鋰與三元材料已經(jīng)逐漸優(yōu)化到極致，人們把目光投向負極。目前，我們廣泛使用的負極材料是石墨，但石墨的理論能量密度是372mAh/g，現(xiàn)在已經(jīng)優(yōu)化到了350～360mAh/g，急需用新的材料來突破。

下一步，我們想用的材料是硅。硅的理論容量高達4200mAh/g，是石墨的十倍多。但硅有一個問題，就是在電池的充放電循環(huán)過程中，隨著鋰離子的嵌入和脫出，硅的體積膨脹率非常大，純硅高達300%，這會引起電解液的消耗，進而導(dǎo)致電池使用壽命的急劇下滑。

石墨之所以好用，就是因為它的體積膨脹率比較低，只有10%～13%左右。目前，產(chǎn)業(yè)界想到的折中方案是，用5%～20%的硅來形成石墨+硅的復(fù)合負極材料，在可以接受的體積膨脹率之下，盡可能去提升容量。

不過，目前硅碳負極出貨量還不高，一方面一些技術(shù)難題還沒有被攻克，比如說石墨本來可以循環(huán)3000次，但加了硅就減半到1500次，同時硅碳的成本也居高不下。

人們對負極材料曾經(jīng)做過很多探索，其中最典型的非鈦酸鋰莫屬。2021年格力電器成為格力鈦新能源(原珠海銀隆)的控股股東，而這家2008年成立的公司致力于探索鈦酸鋰技術(shù)路線。

鈦酸鋰是優(yōu)劣勢都非常明顯的材料。優(yōu)勢是倍率性能、循環(huán)性能特別好，電池的循環(huán)壽命幾乎是無限的，非常適合公交車等營運時間長，需要考慮循環(huán)壽命和成本的應(yīng)用場景。

但鈦酸鋰的電壓平臺太高了，導(dǎo)致能量密度太低。這些問題決定了鈦酸鋰很難大規(guī)模商用，只能在一些特殊的場合，比如零下40度的超低溫，需要特別高的功率。在政府補貼時代，鈦酸鋰紅極一時，但當補貼退坡后，還是很難自負盈虧。

一項技術(shù)從實驗室走向大規(guī)模商用并不容易，經(jīng)常會出現(xiàn)技術(shù)路線之爭，無論是磷酸鐵鋰和三元材料，還是石墨、硅、鈦酸鋰等等，但從結(jié)果來看，最終格局不一定是一邊倒的局面，而是各自找到了最適合的細分賽道。