动力电池该如何开创新格局？

日前，特斯拉宣布，全球范围内的Model 3和Model Y标准续航版车型逐步改用磷酸铁锂电池，以替代三元锂电池，长续航版车型继续使用三元锂电池。特斯拉方面表示，用磷酸铁锂电池替代三元锂电池的主要原因是关键原材料价格上涨导致成本问题。

一边是电动汽车市场需求井喷，另一边是矿产资源紧俏、电池成本狂飙，就连世界首富马斯克、市值达到1万亿美元的特斯拉也顶不住了。随着新能源汽车的发展，动力电池既面临需求增长的机遇，也面临成本这一瓶颈。此外，动力电池技术在续航里程、充电速度与低温性能上也有待进一步提升。

10月11日-12日，第三届全球新能源与智能汽车供应链创新大会在南京举办。在10月12日上午举办的“下一代动力电池产业化之路”主题峰会上，中国电池工业协会副理事长黄学杰对下一代动力电池的技术趋势进行了深入分析。

降钴是大势所趋

“三元锂电池降钴是大趋势。”黄学杰在报告中指出，“在第三代动力电池技术中，相较于续航里程等性能的提升，成本下降更重要。”

黄学杰认为，动力电池技术大致可以分为三代，以正极材料来划分：2010年的时候是第一代动力电池技术，主要采用锰酸锂作为正极材料；第二代动力电池主要采用三元锂和磷酸铁锂作为正极材料，现在风景正好。但两种技术各有优缺点，都需要提升，向第三代动力电池技术发展。

对三元锂电池技术而言，原材料（尤其是钴）带来的成本问题正是其一大缺陷。据悉，钴矿最大的原产地在刚果共和国，受新冠肺炎疫情、地区局势，以及童工问题等因素影响，导致钴矿全球供给紧缺，价格较高，对三元锂电池成本影响较大，进而对整车成本产生较大影响。

因此，对于目前能量密度较高、续航能力较强的三元锂电池而言，降钴的大趋势基本明确。但是，黄学杰认为，三元锂电池降钴，未来将面对降镍和升镍两个技术方向：降镍是指把三元锂电池变成二元的镍锰酸锂电池，升镍则是指做高镍电池，都可以使电池的能量密度更高。

降镍与升镍

对于降镍这一技术方向而言，关键的材料是镍锰酸锂。黄学杰指出，把第一代动力电池正极材料锰酸锂中1/4的锰换成镍以后，可以提高电池电压，与石墨配对后，电池电压能达到4.5V以上，高于磷酸铁锂电池3.2V的标称电压与三元锂电池3.6V的标称电压，在能量密度上具有优势。

“与当前的磷酸铁锂电池相比，同样的100Ah电池，把磷酸铁锂换成镍锰酸锂并做一下改进，就能够实现电池密度的提升，电池容量同样达到100Ah，电池电压提升了40.6%，电池的单位体积能量提升了40%，还能实现每瓦时20%左右的成本降幅，这是材料去钴降镍的结果。”黄学杰介绍道。

从技术原理来看，镍锰酸锂电池有机会做到更长的续航里程、更高的性价比，同时更安全。但高电压体系往往存在寿命问题，如何保证用该材料做成的电池具有长寿命，是目前镍锰酸锂电池面临的主要问题。

对于这个问题，黄学杰团队研究了近20年，经过多年的研发测试，通过特殊的界面层结构设计实现突破，并使用碳酸酯、碳酸乙烯酯、碳酸甲酯等溶剂配制电解液，不仅仅是在室温环境，即使在高温环境，电池仍然有较长的寿命。据悉，目前使用这种材料的电池在实验室里拥有充放电2000次以上的寿命，优于目前采用高镍三元材料的电池。中科院的研发团队正在为克服镍锰酸锂电池在高温环境的循环寿命问题，做镍锰酸锂电池的全链条开发。

相比降镍的技术路径，另一条技术发展路径——升镍，目前在电池行业内尝试的积极性很高。在国家重点研发专项计划的支持下，行业正在加紧做高镍电池正极梯度材料研发，有望达到极限的全镍情况，将三元锂电池做成镍酸锂电池。通过提升三元锂电池正极中镍的含量，正极材料比容量就可以从160mAh/g提升到180mAh/g，甚至有机会达到200mAh/g。

不过，升镍技术路线也存在一些有待解决的问题：其一是高镍电池的循环寿命和稳定性仍有待提高；其二是镍金属市场目前处于紧平衡状态，镍矿储量主要集中在印度尼西亚、澳大利亚、俄罗斯等国家，随着未来使用量的上升，资源会逐渐产生稀缺性，行业内的企业需要在全球争夺镍资源，确保供应链。

总体而言，从目前第三代电池技术的研发来看，无论对磷酸铁锂还是三元锂电池，目前都能够看到能量密度提升40%，以及成本进一步降低的可能性。第三代动力电池技术在未来几年内围绕材料持续创新，前景广阔。

展望固态电池技术

“第三代动力电池技术是什么？远期的目标是全固态锂电池。近期来看，是现有锂离子电池技术在材料上的持续创新。”在报告最后，黄学杰对固态电池技术做出了展望。

全固态电池是指采用固态电解质的锂离子电池，是革命性的新技术。与传统锂电池相比，固态电池更安全，能量密度也更高，在电动汽车电池市场，潜力巨大。

但是，目前全球固态电池技术还不成熟，存在电池阻抗较大、循环性能较差、加工工艺难度大等问题，处于实验室研发阶段，距离实现商业化仍有待时日。

在日前召开的第三届世界新能源汽车大会上，科技部副部长相里斌发言表示，科技部将把发展动力电池作为科技支持主攻方向，重点支持全固态动力电池研发等科研项目，助力能源互联网建设。目前，国内已有多家企业与多所高校、科研院所正着力研发固态电池技术，部分企业已进入固态锂离子电池（半固态电池）中试阶段，2025年前或可实现量产；海外方面，丰田计划于2022年实现搭载固态电池的电动汽车量产，欧美地区也有Solid Power、Solid Energy Systems、Quantum Scape等多家初创企业涌入赛道。

值得注意的是，固态电池的未来将远远不止汽车这一个领域，可能对日常生活产生颠覆性影响。“等下一代600Wh/kg的电池做出来时，动力电池不仅仅能开汽车，也能够满足电动飞机的动力需求。”黄学杰在报告最后表示。