磷酸铁锂电池在经历了3年的三元锂电池对磷酸铁锂电池的市场份额大幅优势后,在2021年实现了全线逆袭。全年三元锂电池不仅在上游的正极材料的扩产规模方面(预计2025年,中国三元材料产能将扩张到193.8万吨,而磷酸铁锂材料产能规划已经突破300万吨),中游的动力电池产量、销量、装机量三大方面都被磷酸铁锂电池反超(2021年,磷酸铁锂电池在产量、销量、装机量分别占比57.1%、57.2%和57.1%,而且增速方面高出1倍左右)。

还在下游终端配套的选择上出现明显的像磷酸铁锂电池配套的倾向性,我国销量排名靠前的爆款车型如排名前十的宏光mini、特斯拉Model 3、特斯拉Model Y、比亚迪汉、奔奔、奇瑞eQ1、小鹏P7等车型皆有配套磷酸铁锂电池,2021年1-12月的《新能源汽车推广应用推荐车型目录》中终端配套磷酸铁锂电池的车型占比也和三元锂电池相近,甚至屡屡超过50%。所以,磷酸铁锂电池的全线反超不是一句空口号,而是正慢慢转为现实,值得深入研究。

华尔街见闻·见智研究此前在文章《谁将主宰2022年电池市场?| 见智研究》中已经对磷酸铁锂电池和三元锂电池进行了对比和展望分析,在这篇报告中将会着重对在2021年取得市场逆袭的磷酸铁锂电池的三个历史发展阶段进行复盘,并对后续磷酸铁锂电池的三种升级模式进行全面剖析以及展望。

1、磷酸铁锂电池发展的历史阶段

华尔街见闻·见智研究认为,总结来看磷酸铁锂电池发展的三个阶段,其实基本上也映射出了我国整个新能源汽车行业发展的三个阶段,值得深入分析研究:

(1)初始阶段

2009年,我国正式启动了“十城千辆节能与新能源汽车示范推广应用工程”,通过补贴的形式进行每年10座城,1000辆新能源车的政策推动,也就此开启了新能源汽车的发展元年。

由于初期新能源汽车的补贴更多偏向于商用车,所以2009年到2016年这段时间,磷酸铁锂电池由于相对于三元电池,有着成本低、安全性高、循环寿命长的优点,所以产量、装车量方面占据都超55%以上的份额,可以说磷酸铁锂电池是我国新能源汽车动力电池的首选,同样这也是磷酸铁锂电池较为辉煌的7年。

(2)补贴阶段

随着新能源汽车的逐渐发展,国家的补贴政策的重心也从最开始的商用车转为乘用车,自2017年开始,新能源汽车补贴按照能量密度进行差异化补贴,能量密度高于120wh/kg的按照1.1倍补贴,所以续航能力成为了主要的考量目标。

2017年国家的补贴政策要求配套了高能量密度的动力电池的汽车才能获得较高的补贴,这也使得各大动力电池厂商全面转向虽然安全性能略差,但是能量密度方面优势极大的三元锂电池,磷酸铁锂电池的市场份额也因此一度跌到30%以下。尤其是在2019年,补贴退坡前的最后一年,磷酸铁锂电池的装机量增速甚至转负(-10%)。2017年到2020年这4年是三元锂电池全方位超越磷酸铁锂电池的阶段,各大电池厂商除了比亚迪基本上在大力发展三元锂电池。

(3)市场阶段

2020年以来,由于国家的新能源汽车补贴大幅度退坡,开元寺塔并将在2022年结束后实现全面退出,这也使得车企不在受限于补贴因素,而是完全转为市场化竞争,能够更全面的去思考动力电池的选择。磷酸铁锂电池相较三元锂电池在成本上有不小的优势,尤其是在新能源汽车补贴全面退坡后,这种优势就更加明显,两者在锂资源的使用上上并无区别,但是三元锂电池要使用价格高昂的镍、钴,而磷酸铁锂电池则使用价格较低的磷,2020年中下旬开始,终端的需求逐渐增加,镍钴锂的价格也随之出现上扬,其中锂除外,镍钴与磷的价差愈发明显,使得车企和电池厂商也逐渐将目光转向磷酸铁锂电池。

2020年以后不仅出现了宏光Mini EV这样的现象级产品,此前主打三元锂电池的特斯拉7月上线的Model Y标准续航版、小鹏P7后驱标准续航车型和G3i车型等在降价的同时都采用了磷酸铁锂电池;电池厂商方面,动力电池巨头LG新能源,韩国SKI的子公司SK On,都在考虑进军磷酸铁锂电池业务,此前不管是LG新能源还是SK On都是主要制造三元、四元锂电池等产品,灯箱广告并未研究磷酸铁锂电池,这两家公司的整体市场占比在全球排名都是TOP5,韩国市场排名TOP3。至此,全球前五(宁德时代、LG新能源、松下、比亚迪、SKI)的动力电池企业中,仅松下未宣布进军磷酸铁锂电池。

2、磷酸铁锂电池的三种升级模式

磷酸铁锂电池在海外并未有如同我国三阶段一样的发展历程,不管是电动车的动力电池还是储能领域的储能电池,三元锂电池都持续占据着主导地位,华尔街见闻·见智研究认为,这种倾向性也使得海外磷酸铁锂电池发展程度无论是产能规模还是技术水平都不及我国,这一点不仅从海外电池厂商如LG新能源等自2021年年底才开始进行较大规模磷酸铁锂电池的产能扩张上有所表现,也可以从我国电池厂商在磷酸铁锂电池三种升级模式上得到体现:

(1)工艺改良

磷酸铁锂电池本身经过我国电池厂商多年的研究,其实不管是能量密度还是其他性能方面基本上都做到了极致,技术方面的提升空间真的是极其有限,华尔街见闻·见智研究认为,针对传统磷酸铁锂电池本身,目前最有效也是最成熟的升级方式是在工艺上进行升级,这一方式无论是宁德时代还是比亚迪都有了尝试并且获得了成果。

宁德时代的两代CTP(Cell to Pack)、CTC(Cell to Chassis)技术和比亚迪的刀片电池等都是在对磷酸铁锂电池本身的电芯或者Pack结构进行改善以便在能量密度、耐低温等方面取得进展,但这仅是在工艺上进行革新来合理利用内部空间,如去掉模组和多余的结构件,或者直接将电池集成到底盘中去,从而成为车架的一部分,这样电池里空间腾了出来以便增加更多的活性物质,最后的结果是电池的单体能量密度变化不大,但是整体的系统能量密度有了提升。

(2)磷酸锰铁锂电池

前文提到传统磷酸铁锂电池仅能通过工艺改善,而工艺的改善虽然的确使传统磷酸铁锂电池有所改善,但是真正意义上的传统磷酸铁锂电池的技术突破应该还是磷酸锰铁锂电池。磷酸锰铁锂和磷酸铁锂有着相同的结构,均为有序的橄榄石结构,因此在安全性能和稳定性方面是能够媲美磷酸铁锂的;但是在能量密度这个重要性能方面,磷酸酶铁锂电池却有着更高的性能。

电池的能量密度是由正极材料的克容量、压实密度和电压平台三个因素决定,目前磷酸铁锂在前两者方面已经做到极限(克容量已达到170mAh/),所以电压平台的改善将会是增加磷酸铁锂能量密度的有力因素。由于磷酸锰锂的电压可达4.1V,高于磷酸铁锂的3.4V,因此目前其能量密度比磷酸铁锂高出10-20%,已经跟普通三元5系电池接近,但比高镍三元容量还是要低不少。

而且磷酸锰铁锂电池毕竟是从磷酸铁锂电池体系进行改善,材料方面和设备方面都变化不大,材料方面并未增加价格高昂的镍、钴等资源,而是使用了价格较低且存量较为丰富的锰,所以材料成本上只比磷酸铁锂高5-6%;而设备方面煅烧工艺、粉碎研磨、前驱体制备等也变化不大,所以设备也无更新。

但是值得一提的是,由于加入了锰元素,导致磷酸锰铁锂循的环次数相比磷酸铁锂电池低上不少,目前单体循环次数仅2000周,所以不适合用在对能量密度要求不高,但是对成本和循环寿命敏感的储能领域里。

(3)电池混搭技术

最后,华尔街见闻·见智研究认为,不应该单独的把磷酸铁锂电池和三元锂电池对立起来看。目前,电池混搭技术或也是磷酸铁锂电池升级的方式之一,而且会对三元锂电池和磷酸铁锂电池都有增益效果。像蔚来提出的三元铁锂电池就是将三元锂电池和磷酸铁锂电池进行混搭,根据合理搭配将三元锂电池放在磷酸铁锂电池的四周作为整体保温和SoC算法校准的作用。

其三元铁锂标准续航电池包能将低温续航损失降低25%,实现整包低温性能提升,同时相比原三元锂70kWh电池包,三元铁锂标准续航电池包(75kWh)做到了同体系能量密度提升14%,也使得ES6,ES8等各款汽车的续航里程相应的增加了30-35KM。当然缺点也是有的,这种混搭式的电池包相比此前的统一规格的电池包在重量方面有所增加。

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