在近日GGII推出的2015年二季度锂电池产值TOP10名单出炉中,以生产快充型动力锂电池为主营业务的微宏动力因产品销量快速上升而首次进入该榜单,引发业内的极大关注。
今年以来,微宏动力频频传出利好消息,比如搭载微宏LpCOTM多元复合锂电池的100辆8.5米福田纯电动大巴交付江苏徐州公交,全面开启江苏徐州市纯电动公交大巴快充模式;200辆搭载微宏动力快充电池的大金龙插电混动大巴交付绍兴柯桥区等。
微宏动力总经理仝志明表示:"目前快充有关电动公交已很有吸引力。随着技术的提升、成本的下降和充电网络的完善,未来其市场扩充将很厉害。"
不过,也有不少动力锂电池厂商认为快充型动力锂电池提高了功率,却须付出诸多"代价",未来极难被大规模推广应用。
比亚迪CTO刘卫平直率地告诉高工锂电:"快充不单涉及电池技术问题,更是一个牵扯充电桩、电网等的系统问题。现在慢充型电动公交晚上充电,白天跑一天就够了。我觉得没必要强烈推广快充,也没感觉市场需求那么迫切。"
两派意见争锋相对、争执不下。那么,快充技术走向如何,推广应用的优势和劣势在哪,未来市场空间究竟有多大?在动力锂电池快速放量的当下,这些问题都亟待被厘清。
为此,高工锂电进一步访问了CATL、力神、国轩、万向、中航锂电、中兴派能、中天储能、四川兴能、沃特玛等国内知名动力锂电池厂的高层人士及研发人员,以期找到问题答案。
快充解决方法存在局限性?
快充其实是一个相对的概念。至今为止,国内外都没有对快充标准下一个明确的含义。经高工锂电遍访在动力锂电池方面具备话语权的资深人士后发现,业内对快充还是有一个大致标准。被普遍认为绝对属于快充型动力锂电池的,其充满电或至80%-90%的时间在半小时以内;充满电需在2小时以上则属于慢充;而充满电时间在两者之间的,则存在争议。
按照以上的"大致标准"来看,如今各种有关快充型动力锂电池的消息不绝于耳。
这其中不乏比较"玄"的快充型动力锂电池,比如石墨烯聚合材料电池"充电不到8分钟,续航1000公里",负极采用二氧化钛纳米管的超快充电锂电池"2分钟内充电70%,寿命达20年"等。高工锂电多方求证后发现,此类快充型动力锂电池仍只限于实验室内,存在非常严重乃至无法解决的"短板",距离产业化十分遥远。
微宏动力先进电池首席科学家刘文娟表示,目前还不了解石墨烯具体用作电池中的什么材料。假如被用作负极材料,从技术角度来看,石墨烯的问题有两点:1.将石墨一层一层剖开后得到的石墨烯,可以方便锂离子嵌入和脱嵌。但石墨烯的表面积比较大,在当前石墨烯嵌锂的电压下,锂离子会和电解液在石墨表面发生化学反应,形成SEI(即固液界面)膜。
SEI膜不仅会消耗电解液,还会消耗从正极出来的金属锂(电池首次效率就很低。首次效率即第一次充电后回去的锂离子总量除以第一次出来的锂离子总量)。而正极材料是锂电池里最贵的材料。
2.即使在制备时将石墨进行了分层,但它在应用时不可能保持分层的状态,要么卷起来,要么几层叠在一起,并没有真正地分开。假如聚集在一起,就它要达到的效果。
目前没有电池厂直接用石墨烯做负极材料。未来石墨烯也许可以用做导电剂。但需注意的是,和其他类型导电剂相比,造价昂贵的石墨烯用做导电剂时的性价比是否更好还未可知。
我国科学院物理研究所教授黄学杰认为,采用二氧化钛纳米管让电池实现快充、循环寿命长,原理和钛酸锂相近,但其性能却不会比钛酸锂(二氧化钛和碳酸锂的烧结产物)更好。二氧化钛本身的电化学性能很差,通过将二氧化钛纳米化,甚至使其成为空心的纳米管,方便锂离子嵌入和脱嵌,从而改善其性能,并达到能够做电池负极的程度,在理论上可行。
不过,二氧化钛纳米管的商业化应用非常难。虽然不少媒体报道钛储量丰富、成本低廉,但将其做成纳米管的批量化生产技术太难、在工艺上所花代价大。
而相对"接地气"的快充型动力锂电池之一,属在上海11路示范线运营的奥威超级电容公交车所用电池,循环寿命长达几十万次。近日上海11路超级电容公交车发生的火灾事件将其推至舆论的风口浪尖,所幸调查结果显示和超级电容系统无关。但超级电容还是无法掩藏"能量密度过低"(只有动力锂电池的十分之一)的这一致命缺点。
"奥威超级动容公交车能够用在上海11路示范线上,是靠关系的。"一名业内人士向高工锂电透露,其实承载电量极少的超级电容更适合用于轻混车,在车辆爬坡时临时辅助或在刹车时回收能量。
事实上,市场应用相对较广的快充型动力锂电池属微宏动力、安徽天康等批量生产的钛酸锂电池。其已经成功应用于电动公交,是目前快充型动力锂电池中表现最好的一款电池。
当前不少动力锂电池厂商正尝试或已推出新的快充型动力锂电池:中兴派能总经理袁巍正在思考如何让公司的低温高功率动力锂电池更好地实现快充;微宏动力推出新一代的多元复合锂电池,可在10-15分钟内充满电,能量密度比钛酸锂提高近50%,循环寿命达10000次;盟固利开发出锰系三元体系功率型动力锂电池,可实现2分钟瞬时快充。
各种快充型动力锂电池"争奇斗艳",令人眼花缭乱。值得注意的是,各公司采用的快充解决方法有所不同,负极材料除采用常见的钛酸锂外,还有采用多孔复合碳、硬碳甚至是普通的负极材料石墨等(动力锂电池能否快充、快充时间的长短重要取决于负极材料,也跟电池结构、其他材料等有关系),都希望尽量地让快充型动力锂电池的能量密度更高一些、成本再低一点、快充能力更强,以期在市场上独具优势。
但不可否认的是,在很多业内人士看来,快充型动力锂电池几乎都存在一定"缺陷",要么能量密度比常规动力锂电池低、单体电芯成本相对要高,要么还没达到更好的快充程度(如常规的石墨体系电池)。未来快充型动力锂电池能否克服这些"缺陷",达到各方面性能优异、又能保持快充特性,在现有的锂电池体系下很有难度。
天津力神动力锂电池开发部总监张娜表示:"如今应用终端对动力锂电池能量密度的要求越来越高,在此背景下再要求提高其倍率性能的技术难度极大。比如目前常规的石墨体系电池大概可以做到1小时充满电,当然也可以运用相关技术做到充电时间在10分钟左右,只是其能量密度就会降低。"
中天储能CTO靳承铀补充说道,即便石墨体系电池可实现快充,但其在北方寒冷地区(冬天气温常在零下20度)也很难推广。
从技术角度来看,动力锂电池能量密度和倍率难以兼得的原因是:假如做能量型动力锂电池,那么在单位重量或单位体积里,装进越多的锂离子活性基团就越好。所以制备动力锂电池时应让供应能量的材料(即正负极材料)占的比重多些,而让不供应能量又必要的材料(如集流体、电解液、隔膜等)所占比重少一些。具体方法是尽量把集流体、隔膜等弄得薄一些,极片涂厚些并压得厚实一点。这种方法制备的动力锂电池肯定会损失快充特性。
而想要动力锂电池能够快充,必须保证其内阻小。那么其讲究的不是在单位重量或单位体积里装更多的锂离子活性基团,而是在电池电压达到一定值时,电流也能够最大(和倍率性能直接相关是在一瞬间通过一串电池电流的强度)。此时动力锂电池的制备导向就完全不相同,应考虑如何增强极片的锂电子导电能力,对电解液要求更高,让隔膜通透性更好,同时还能保证其不长锂枝晶。
不过,沃特玛副总经理耿德先却有着自己不同的看法:"常规的石墨体系电池对快充的确有一定局限性,但每个动力锂电池厂商会有自己的解决方法。现在的电池技术进步很快,以月为单位在发展。未来动力锂电池的能量密度和倍率性能可以兼得。"
耿德先的观点也不无道理。也许在现有的锂电池体系下,材料都是较为确定的,动力锂电池能量密度和倍率性能只能是微调,而不能同时大幅度提高;假如在电芯制备技术和材料选择方面都有所突破,那么同时提高动力锂电池能量密度和倍率性能也存在可能性。
客观来看,倍率性能(即充放电速度)、能量密度、寿命、安全性、价格等是衡量动力锂电池最重要的五个指标。目前这些指标都固定在比较稳定的图里面,提高任何一个指标,其他的指标相对来说都会受到损失。不仅快充型动力锂电池是如此,慢充型动力锂电池又何尝不是?所以单论快充型动力锂电池的弊端不免有些片面。
当前锂电池业内人士不妨多思考如何突破传统的锂电池体系,满足实际产业更替积累的水平要,以应对各种新兴技术电池所带来的威胁。
快充动力锂电池只存在于小众市场?
GGII调研数据显示,当前快充型动力锂电池占总体市场份额不到5%。近年来其投放市场的总量在增大,但上升速度不及常规动力锂电池,所以市占率始终不大。如今正值动力锂电池爆发之际,加入快充型动力锂电池阵营的动力锂电池厂商增多,GGII分析师预计在2015年快充动力锂电池的市占率会有所上升。
这是否意味着未来快充型动力锂电池会逐步挤占常规动力锂电池的市场份额,甚至成为电动汽车行业应用的主流动力锂电池?对此,有人肯定,也有人说不可能。
GGII调研发现,看好快充型动力锂电池市场前景的动力锂电池厂商,目前已经有产品或即将有产品会投放到市场,而对其市场前景感觉不太乐观的,并没有实际产品投放。CATL、力神、国轩、万向、中航锂电、中天储能等国内知名动力锂电池厂都表示在关注或者有投入研发快充型动力锂电池,至于会否推出产品则不确定或在静待时机。
对市场的分析判断不同,行为表现自然不相同。面对百花齐放的锂电池技术路线和瞬息万变的市场,未来孰胜孰负,的确不好直接下定论。不过,从双方就市场需求、成本、充电桩和电网建设、政策等几方面的激烈辩论中,业内人士或许可以一窥端倪。
首先,一方认为快充是终端用户的必然需求,应竭尽全力满足;另一方则认为终端用户会衡量快充的利弊,不是说主观上想要就会有需求。
仝志明分析,发展快充型动力锂电池符合终端用户的心理需求,趋势肯定向好,不能说技术上达不到就退而求其次,将快充技术往后拖延。目前电动公交对快充型动力锂电池需求相对迫切,之后也会慢慢扩大至多班运营的出租车市场乃至乘用车市场(当快充网络形成时,可消除消费者驾驶电动汽车的焦虑感)。
"我认为只要电池、材料具备这个能力,那么快充型动力锂电池在市场上肯定是受欢迎的。"四川兴能新材料有限公司技术总监范未峰也说道,快充型动力锂电池遇到的问题并不是不能够规避的,是可以随着技术的进步慢慢克服的,其应用必然越来越广。
但刘卫平则感觉电动公交没必要用需频繁充电的快充型动力锂电池,因为现在常规动力锂电池在晚上充一次电就够跑一天。未来进一步提升常规动力锂电池的续航里程,才是更应看重的发展方向。
中航锂电研究院院长周志勇补充道:"乘用车用户有关快充不是说没有需求,但毕竟其使用频率不是特别高,晚上充电就可以满足了。他们能够接受目前的充电时间。"
其次,成本高一直是快充型动力锂电池饱受"诟病"的重要因素之一,双方在此问题上有争议。
支持快充型动力锂电池的业内人士表示,电动公交属于短途往返车型。其若采用了快充型动力锂电池,到总站之后,利用休息间隙便可将电池充满。在这种方式下,公交车就不用装那么多电池,将大大减少电池成本。有关公交公司来说,其在快充公交车和慢充公交车上的总投入或许是差不多的。
况且快充型动力锂电池的寿命长、安全性高,用户长期使用下来,其所花平均成本或许比常规电池还要低。以钛酸锂为例,其循环寿命达20000次,可安全使用长达10-15年,而磷酸铁锂电池使用寿命在3-5年,中间更换电池不仅麻烦,而且费用不低。
浙江万向亿能动力基础研发部工程师石先兴则表达了自己的看法:"成本是动力锂电池必须考虑的重要因素。无论是公交公司还是个体消费者,都会衡量性价比,没有人会愿意多花钱去购买有些优点但超过其承受能力的电动汽车。也许少装一点电池组可以让快充车的成本降低一些,逼近慢充车,但快充又依赖于充电桩,这又要多花钱去投资。现在最重要的是降成本、提高性能让用户有意愿购买电动汽车,电动汽车都卖不出去,讨论快充有什么意义?"
再者,大规模使用快充是否会让充电设施难以配套、电网负荷过重,也是双方争论的焦点话题。
"其实快充并不会让电网负荷很重,因为快充时间很短,流通性强,等下一波车来充电时,上一波车已经走了,无须一股脑地挤在一起充电。"范未峰说,相反,假如大面积推广慢充车,它们晚上全要充电,这才真正让电网负荷重。另外,这么多的慢充车晚上都要停在充电站充电,不是要建更多充电站吗?把现有停车站改成充电站现实吗?
国轩副总经理宋金保提出了异议,快充用的是白天的电,跟其他诸多用电用户在争。而慢充车利用晚上相对富余的电充电是更合情理的。靳承铀则举例称,给10辆电动大巴用3C/5C技术同时充电,中间电网可能瘫痪,所以大范围快充是不太能的。在充电桩背后再配备大型储能电站,或许才有可能,而这又会须新增投资。
最后,双方分别从政策中找到了支持各自"论点"的依据。
"四部委联合下发的《新能源汽车充电设施建设奖励的通知》中规定,按照折算系数的方式对新能源汽车数量做统计,而钛酸锂等纯电动快充客车的折算比例分别为20:1,这对钛酸锂电池来说,无疑是很好的政策信号。"一名不愿透露姓名的业内人士告诉记者。
而就在这一政策出台后不久,工信部公布了《锂电池行业规范条件》征求意见稿,其中规定提到,能量型动力锂电池单体电池能量密度≥130Wh/kg,电池组能量密度≥100Wh/kg;功率型单体电池功率密度≥3000W/kg,电池组功率密度≥2100W/kg。
"规定的功率指标并不高,现在市场上的动力锂电池基本都可以达到。"宋金保说道,"从我们现在了解的情况来看,钛酸锂电池在能量密度上达不到要求,其功率性能也不怎么好。"
观点处处相左之下,双方也不免开始怀疑对方说话的立场。
支持快充型动力锂电池者认为,他们本来生产磷酸铁锂/三元电池,从运营和研发配置等角度考虑,不能"一会东一会西",否则没法向股东交代。而对快充型动力锂电池市场前景不乐观者则认为,他们做这一类电池的,亮点就在于快充,所以就宣传快充而避其技术弱点。
后记:
若脱离"本位主义"来看,终端用户对快充肯定是有需求的,当然也不可能不顾一切地追求快充而忽略其他因素。快充型动力锂电池厂商可以在保证产品快充特性的基础上,逐步采用新型材料和电池制备技术来提高能量密度;常规型动力锂电池厂商也应当在追求能量密度的同时,尽量在技术上缩短电池的快充时间。两条技术路径不分优劣,只看用户如何选择。
至于成本问题,目前快充型动力锂电池的成本高,但常规型动力锂电池也不能算便宜。双方都依赖政策补贴,我国新能源汽车产业仍在"跛脚"前行。如何把产品做好、依赖规模化生产来降低成本恐怕是当务之急。而某些动力锂电池厂商因打价格战就降低电池质量的行为就不能姑息,因为毕竟动力锂电池不仅涉及买卖问题,更关乎开车人的生命安全。
再看充电设施配套问题,我国充电桩、充电站的不足已严重制约了新能源汽车产业的发展,充电网络亟待完善。这无论对哪一种动力锂电池来说都是不利的。国家仍需加大投入或引进社会资本,来弥补这一缺陷。值得一提的是,未来储能电站的进步或可帮助解决电网负荷问题,助力新能源汽车及动力锂电池行业的发展。
如今新能源汽车及动力锂电池行业对政策的依赖的确很严重。业内关注政策释放的信号理所应当,而且很有必要。不过,政策只能起到引导用途,动力锂电池厂商的命运决定权还在自己手里。其是随主流还是"剑走偏锋"走差异化路线,两者皆有风险也皆有机会。未来动力锂电池市场格局如何,且看且清晰。