特斯拉如何推火了三元材料鋰電池
日期：2024-10-16 07:46:07 作者：宏力精密鋼管 閱讀數(shù)：541在嘗試了市面上超過300種電池后，特斯拉才認定三元鋰電池。
特斯拉電池技術(shù)總監(jiān)Kurt Kelty給出的理由是：能量密度更大且穩(wěn)定性、一致性更好;可以有效降低電池系統(tǒng)的成本;尺寸小但可控性和安全性都不斷提高。
事實證明，Kurt Kelty的選擇絕對正確。
在特斯拉從首款車型Roadster向目前最風(fēng)靡的Model S“轉(zhuǎn)型”的4年時間里，電池組成本已經(jīng)下降了約44%，并且會繼續(xù)下降。
現(xiàn)在，MODEL S續(xù)航里程能夠達到486公里，電池容量達到85kWh(1kwh=1度)，采用8142個3.4AH(AH，安時數(shù)，是反映電池容量大小的指標(biāo)之一)的松下18650型電池。工程師們將這些電池以磚、片形式逐一平均分配，最終組成一整個電池包，放置于車身底板。
特斯拉發(fā)布今年第一季度財報時，首席執(zhí)行官馬斯克說，特斯拉與松下達成協(xié)議，將建造一座耗資約50億美元的超級鋰離子電池廠。
當(dāng)特斯拉MODEL S在高速公路上飛馳的時候，各方對三元鋰電池的關(guān)注度也以幾何級數(shù)飛增。
三元聚合物鋰電池
三元聚合物鋰電池是指正極材料使用鋰鎳鈷錳三元正極材料的鋰電池，鋰離子電池的正極材料有很多種，主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰等。目前三元材料的電芯代替了之前廣泛使用的鈷酸鋰電芯，在筆記本電池領(lǐng)域廣泛被使用。
“用蘋果和安卓(智能手機)的都是好孩子，因為每天必須按時回家……充電?！?/p>
這個流傳甚廣的段子不僅調(diào)侃了當(dāng)下人們對電子產(chǎn)品嚴重的依賴性，更有意思的是，它還折射了一種科技界的流行癥——對電池容量小、充電次數(shù)頻繁的焦慮。
焦慮癥蔓延的時候，特斯拉出現(xiàn)了，還帶來一個救星：三元鋰電池。
“旋風(fēng)”突襲之前，有關(guān)電池以及充電問題的討論被不斷放大，篇幅遠遠超過特斯拉汽車的其他性能。但很快，當(dāng)特斯拉最知名車型MODEL S采用三元鋰電池(即以鎳鈷鋁三元材料為正極材料的鋰電池)的消息傳出，整個電池業(yè)豁然開朗。
大而化小。這款應(yīng)用于電動汽車的技術(shù)，適時緩解了從智能手機到可穿戴設(shè)備，甚至充電寶等小型電子產(chǎn)品的“充電焦慮癥”。鋰電池，也正式迎來三元材料時代。
正極材料 鋰電池之心
我們的手機里、手表里、平板電腦里，鋰電池?zé)o所不在。
這種在當(dāng)代被廣泛應(yīng)用的產(chǎn)品，據(jù)考證靈感最早來源于愛迪生。他曾使金屬鋰和二氧化錳發(fā)生作用，產(chǎn)生放電反應(yīng)。
經(jīng)過這么多年的技術(shù)發(fā)展和改進，今天，一顆合格鋰電池的基本組成包括外殼、正極材料、負極材料、隔膜、電解液等。其中，正極材料對于鋰電池的能量密度、安全性、循環(huán)壽命等起著決定性作用，占鋰電池成本的40%，其技術(shù)發(fā)展也變得尤為關(guān)鍵。
目前，主流的正極材料包括鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰以及鎳鈷錳酸鋰三元材料等。就能量密度、成本、安全性、熱穩(wěn)定性和循環(huán)壽命來看，上述主流正極材料的表現(xiàn)各有千秋，這也導(dǎo)致動力鋰電池正極材料技術(shù)路線出現(xiàn)分化。
但無論如何，對鋰電池而言，鈷金屬是必不可少的材料。
不過，金屬鈷一方面價格高昂，一方面存在毒性，無論技術(shù)領(lǐng)先的日韓企業(yè)還是國產(chǎn)電池廠商近年來都致力于電池“少鈷化”。
在這種趨勢下，以鎳鹽、鈷鹽、錳鹽為原料制備而成的鎳鈷錳酸鋰三元材料漸漸受到推崇。從化學(xué)性質(zhì)角度出發(fā)，三元材料屬于過度金屬氧化物，電池的能量密度較高。
盡管在三元材料中，鈷的作用仍不可缺少，但質(zhì)量分數(shù)通?？刂圃?0%左右，成本顯著下降。而且同時兼具鈷酸鋰和鎳酸鋰的優(yōu)點。
隨著近年來國內(nèi)外廠商不斷加碼生產(chǎn)，以三元材料為正極材料的鋰電池取代商用鈷酸鋰的趨勢已十分明顯。
大到電動汽車，小到智能手機、可穿戴設(shè)備或者充電寶，這種新型技術(shù)都完全適用。
特斯拉大手筆 三元材料迎高峰
在特斯拉之前，各界對三元材料知之甚少。
直到特斯拉宣布在其風(fēng)靡全球的高端跑車MODEL S車型上采用三元材料作為電池正極材料，這一技術(shù)才漸漸被廣泛認可。如今儼然已是未來動力電池的發(fā)展方向。
公開資料顯示，特斯拉MODEL S續(xù)航里程能夠達到486公里，電池容量達到85kWh，采用了8142個3.4AH的松下18650型電池。工程師將這些電池以磚、片的形式逐一平均分配最終組成一整個電池包，電池包位于車身底板。
任何事物都有兩面性。盡管鎳鈷鋁能量密度高，但由于鎳鈷鋁的高溫結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，導(dǎo)致高溫安全性差，且pH 值過高易使單體脹氣，進而引發(fā)危險。
最終，特斯拉通過有效的電力管理系統(tǒng)解決了三元鋰電池的安全性問題，并使單位成本卻遠低于其他電動車型，大約為416美元/kWh。
特斯拉7日稱，該公司已與日本松下公司簽署共建超級電池廠的意向書，這項工程可望下月動工。
特斯拉今年2月宣布，為適應(yīng)量產(chǎn)電動車的需求，將建造一座耗資約50億美元的超級鋰離子電池廠，預(yù)計將滿足特斯拉年產(chǎn)50萬輛電動車的需求，電池組每千瓦時的成本將降低逾30%。
特斯拉7日發(fā)布今年第一季度財報，首席執(zhí)行官馬斯克表示，特斯拉與松下就共建超級電池廠簽署了意向書，雙方已組建電池生產(chǎn)的研發(fā)團隊。
松下目前是特斯拉的主要電池供貨商。根據(jù)雙方2011年簽署的協(xié)議，松下在4年內(nèi)為特斯拉提供6.4億塊汽車級鋰離子電池。這一供貨量后來又增加到18億塊。
關(guān)于電池廠的最終選址，特斯拉尚未敲定，備選地包括亞利桑那、內(nèi)華達、新墨西哥、得克薩斯以及加利福尼亞等5個州。馬斯克表示，為最大限度減少延期風(fēng)險，特斯拉將在至少兩個地點建電池廠。
特斯拉在最新財報中說，全球市場對Model S全電動汽車的需求增長較快，公司今年將交付3.5萬輛。目前特斯拉的生產(chǎn)能力是每周近700輛，今年年底有望增至每周1000輛。
松下曾在2010年向特斯拉投資3000萬美元，成為其股東之一。并且于2011年達成戰(zhàn)略協(xié)議，將負責(zé)特斯拉今后5年全部車輛的電池供應(yīng)。
電池行業(yè)人士告訴記者，鑒于特斯拉和松下在三元材料電池方面的合作，再加上特斯拉建設(shè)超級電池廠這一大手筆。未來，三元材料電池將進入一個全新的發(fā)展高峰。
值得注意的是，除了特斯拉MODEL S，有消息稱雪佛蘭Volt 沃藍達汽車采用的是LG化學(xué)提供的三元正極材料電池。電池保質(zhì)期達到8年，行程可達16萬公里左右。2011年，雪佛蘭Volt 沃藍達從位于上海金橋的通用汽車中國總部出發(fā)，途經(jīng)多種路況，完成了約248公里省道的不間斷行駛，也在一定程度上證明了這種電池高效的性能。
“雖然國內(nèi)電動車廠商(比如比亞迪)主流觀點仍是堅持采用磷酸鐵鋰電池，但也有部分電池廠商明顯踏上了追隨日韓企業(yè)的步伐，把重點對準了三元材料?！庇醒芯咳耸空f。
可以預(yù)見，未來隨著電動汽車的普及，三元材料的需求量必將進一步上升。而且，三元材料還將在復(fù)合電池材料中占據(jù)一席之地，以更好地平衡成本和性能。
日韓技術(shù)領(lǐng)先 國內(nèi)企業(yè)忙追趕
從全球范圍來看，各方對三元材料的研發(fā)生產(chǎn)都在不斷推進。在這個過程中，材料性能大幅提升，應(yīng)用領(lǐng)域也一再拓展。
2009年8月，美國總統(tǒng)奧巴馬宣布用24億美元支持企業(yè)發(fā)展“下一代”電池和電動車計劃，三元材料電池生產(chǎn)企業(yè)被納入補貼范圍。
2012年2月，我國工信部發(fā)布的《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中，提出到2015年將新增正極材料產(chǎn)能4.5萬噸/年，將組織開發(fā)包含高效率、大容量、長壽命、安全性能能的鎳鈷錳三元系電池正極材料。
不過截至目前，高端三元材料生產(chǎn)技術(shù)主要集中在日韓企業(yè)中。一些知名電池廠商從2010年就開始全面使用三元材料。
有資料稱，日本的三元材料電池性能甚至已接近于鈷酸鋰電池。能得到特斯拉的青睞，也證明了日本廠商提供的三元材料具備高品質(zhì)。
從供應(yīng)角度來看，日亞化學(xué)、韓國L&F、比利時UMICORE這三家公司是全球鋰電池正極材料主要供應(yīng)商，2012年上述3家企業(yè)市場份額合計為36%。
國內(nèi)三元材料生產(chǎn)從2005年左右起步，截至目前也已出現(xiàn)了10家左右規(guī)模企業(yè)，其中不乏上市公司。
不少企業(yè)長期與日韓電池企業(yè)保持上下游合作關(guān)系，也有企業(yè)獲得美國3M公司授權(quán)代工，總體而言，這些企業(yè)在三元材料技術(shù)制造和應(yīng)用領(lǐng)域方面仍面臨較大的局限，幾乎沒有產(chǎn)品面向動力電池領(lǐng)域，難與日韓企業(yè)正面對抗。
最近一則新聞顯示，中國企業(yè)終于也開始涉足動力電池領(lǐng)域。再生資源龍頭企業(yè)格林美(002340,股吧)近日公告稱，該公司控股子公司江蘇凱力克鈷業(yè)股份有限公司以現(xiàn)金5298.2萬元收購清美化學(xué)株式會社、長瀨產(chǎn)業(yè)株式會社、上海信銘國際貿(mào)易有限公司合計持有的清美通達鋰能59%的股權(quán)。
而清美通達鋰能研發(fā)的重點方向就包括三元正極材料。而公司高管不久前曾透露，鎳鈷錳三元電池材料項目已在進行中，并且看好三元材料在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。