磷酸鐵鋰的反攻

　　失意者通常有兩種結局，要么一蹶不振，要么絕地求生，磷酸鐵鋰電池屬于后者。

　　過去十年的動力電池市場可以清晰的劃分為兩個階段，也是磷酸鐵鋰電池從波峰到谷底、再卷土重來的過程。

　　2021年6月，磷酸鐵鋰電池裝機量反超三元鋰電池，成為動力電池市場的主流選擇。此后開啟神擋殺神的開掛人生，份額一路提高到72%，重回十年前的巔峰水平。

　　今年1-4月，國內磷酸鐵鋰電池裝機份額超過80%，可謂獨孤求敗。向來以技術先進性自我標榜的海外車企，也罕見地為磷酸鐵鋰搖旗吶喊。

　　磷酸鐵鋰和三元鋰的技術討論幾乎與新能源車的歷史一樣長，這個問題在當下似乎又有了新的解讀。

　　危險的地位

　　磷酸鐵鋰和三元鋰的纏斗，可以一路追溯到2009年的“十城千輛”計劃。

　　時值新能源產業鏈蹣跚起步，迎來為期三年的培育期，補貼力度可以用送錢形容：10米以上混動和純電公交客車每輛享受42-50萬元補貼。個人購買新能源車，也有最高5-6萬元的補貼。

　　“十城千輛”的背景之一是孱弱的動力電池產業，當時國內最頂尖的動力電池生產商成品率僅有60%。與之對應，鋰電池價格大約3元/Wh，40度電池包相當于10萬元成本。成本問題無法解決，新能源車普及就無從談起。

　　另一方面，當時動力電池能量密度普遍不到120Wh/kg，對應的車輛續航大多在200km以下，如果沒有財政補貼，新能源車幾乎沒有任何市場說服力。

　　從公交客車入手便是針對電池續航水平的務實思路：公交車行駛路線相對固定，對補能設施和續航沒有太高要求，可以先給電池生產商造血，為后續技術研發提供利潤。

　　對訂單望眼欲穿的電池公司無疑是補貼中的最大受益者，涉足鋰電池生產的企業一度超過1000家。

　　由于磷酸鐵鋰電池成本低、工藝成熟的特點也方便快速上產能，與政策思路完美匹配。這是產業政策第一次也是最后一次眷顧磷酸鐵鋰電池，2014年之前，中國新能源車幾乎清一色采用磷酸鐵鋰路線。

　　到“十城千輛”計劃結束，25個示范城市共售出27432輛新能源車，其中個人采購量只有4400輛[1]。雖說成績單不算理想，但最大成果是培育了以“鋰電四大天王”比克、比亞迪、力神和ATL（后孵化出寧德時代）為代表的電池生產商。

　　2010年，國際鋰電池PACK均價高達1436美元/千瓦時

　　然而，伴隨全球范圍內電動化開始提速，磷酸鐵鋰能量密度不足的弱點迅速暴露。

　　磷酸鐵鋰和三元鋰（NCx）指電池正極材料，是決定電池能量密度與性能的核心環節，也是影響電池成本的最關鍵指標。

　　相比三元鋰電池，磷酸鐵鋰的優勢在于成本低，安全性更高，循環壽命也更長。三元鋰電池雖然成本更高，但能量密度的長板實在太長，在當時幾乎是磷酸鐵鋰電池的兩倍。

　　特斯拉在首款車型Roadster的研發環節嘗試了300多種電池，最終選定松下18650鈷酸鋰電池。電池業務主管Kurt Kelty給出的理由是：電池能量密度高，穩定性和一致性更好[3]。

　　三元電池與磷酸鐵鋰電池對比

　　2012年Model S上市時，特斯拉換裝松下三元鋰電池，續航直逼500公里。同期海外車企的電動車型，幾乎也都選擇了三元鋰電池。

　　作為對比，2014年北汽紳寶EV經三次改版定型量產。前兩版使用磷酸鐵鋰電池，續航只有160公里，最終版換成SK的三元鋰電池，續航增至240[2]——當然，續航只是這輛車最不抽象的地方。

　　續航的短板已然成為新能源車向乘用車市場滲透的最大阻力，這也進一步影響了補貼政策的方向。

　　2016年底的新一輪補貼政策，第一次將電池能量密度納入參照系，補貼系數與能量密度掛鉤，能量密度越高拿的補貼越多，實際上將天平不加掩飾的傾向了三元鋰一方。

　　另一方面，彼時國內電池公司在三元鋰電池的積累遠不及日韓廠商，時至今日，LG仍是全球最大的三元正極材料生產商。結合2018年被廢止的“白名單”，扶持國內三元鋰產能的意味非常明顯。

　　由于政策風向的變化，2016年成為了磷酸鐵鋰與三元鋰的分水嶺，后者的份額開始迅速提升，幾乎成為高端電動車的代名詞。

　　到2019年新能源車市場爆發前夜，磷酸鐵鋰電池的市場份額只剩下32%，似乎成為了一門過時的技術。

　　反攻二重奏

　　決定電池能量密度多寡的核心環節是正極材料，這也是三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池最大的不同。

　　三元鋰電池中的“三元”指鎳鈷錳或鎳鈷鋁三種金屬元素進行混搭。例如NCM811是鎳（Ni）、鈷（Co）、錳（Mn）混合，811代表三個元素的摩爾配比。NCM523是另一種配比。

　　磷酸鐵鋰電池顧名思義，就是以磷酸鐵鋰作為正極材料，理化特性導致其雖然便宜大碗，但能量密度天然不如三元鋰，屬于努力無法彌補的天賦差異。

　　磷酸鐵鋰的咸魚翻身，很大從程度上得益于比亞迪在2020年推出的刀片電池。

　　刀片電池跳過模組，直接將電芯集成到電池包，體積利用率從模組電池包的40%提高到60%。即同樣大小的電池包，可以放入原來1.5倍數量的電芯。

　　傳統的電池集成方式是“電芯-模組-電池包”三級裝配，刀片電池跳過了“模組”這個環節，即CTP（Cell to Pack）。成本的縮減是其次，核心是騰出更多空間容納電芯。

　　換句話說，比亞迪的思路并不是提高磷酸鐵鋰的能量密度，而是“空間換續航”，用電芯的堆砌讓磷酸鐵鋰電池的總續航追上三元鋰電池。

　　第一代刀片電池單體能量密度約140-150Wh/kg，遠不如同期的三元鋰電池。作為對比，寧德時代2019年的三元鋰電池，能量密度就能做到200Wh/kg。

　　但由于內部容納的電芯更多，刀片電池體積能量密度達到230Wh/L，配合天生的成本優勢，讓磷酸鐵鋰瞬間眉清目秀了起來。

　　2021年7月，磷酸鐵鋰的市場份額重新超越三元電池，此后再未落后。

　　傳統的CTM集成方式到CTP，CTC

　　但正所謂周期性手段解決不了結構性問題，砍掉模組的CTP方案并不僅適用于磷酸鐵鋰電池。2019年，寧德時代就推出了三元鋰電池的CTP方案（保留了大模組）。考慮到電池包的發展趨勢是直接集成進底盤——即CTC（Cell to Chassis），磷酸鐵鋰的隱患并沒有解除。

　　另一種思路是提高正極材料壓實密度，比亞迪曾在去年表態，第二代刀片電池能量密度將達到190Wh/kg，這個數字已經超過了磷酸鐵鋰理論上的能量密度上限170Wh/kg，核心就在于高壓密正極材料[5]。

　　簡單來說，磷酸鐵鋰顆粒大小不均會影響壓實密度，進而影響電化學性能和能量密度。主流的磷酸鐵鋰粉末壓實密度以2.4-2.5g/cm3為主，“高壓密”指的是單位體積可以塞入2.6g以上的磷酸鐵鋰。

　　壓實密度提高，對應的能量密度就會提升。寧德時代的神行PLUS電池，即通過精確控制磷酸鐵鋰顆粒的位置，實現了更高的壓實密度。

　　充放電過程中鋰離子的移動方向

　　高壓實密度產品的逐漸應用，也讓磷酸鐵鋰電池徹底改頭換面，曾經對之不屑一顧的同行紛紛勒緊韁繩，調轉方向。

　　去年7月，LG新能源從雷諾電動車部門Ampere拿到磷酸鐵鋰電池供應合同，韓聯社用了一個聳人聽聞的標題：“磷酸鐵鋰電池=中國制造”的時代終結了。

　　但真實情況是，作為三元鋰電池最忠實的擁躉，韓國企業普遍視磷酸鐵鋰為“上一代技術”，更愿意投資利潤率更高的三元鋰電池。

　　但2021年下半年開始，LG和SK On相繼開始投入磷酸鐵鋰技術研究，只剩下三星SDI全力押注高端市場一百年不動搖，忙著從NCM轉向能量密度更高的NCA電池。

　　可見市場選擇的往往不是最先進的技術，而是反復權衡利弊后的最優解。每一個對磷酸鐵鋰不屑一顧的車企，都發射了一只扎向自己腦門的回旋鏢。

　　暴漲的需求

　　磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池的長短板互為表里，前者成本低能量密度低，后者成本高能量密度高。但以十年為尺度觀察，消費市場對新能源車的評判標尺，實際上在從能量密度向成本傾斜。

　　理論上來說，磷酸鐵鋰的能量密度處于天然劣勢，但由于雙方的能量密度一直在提高，對應到消費者的感知層面，300km和450km的續航，大部分消費者可能會為后者支付更高成本。但450km和600km的續航，購車成本的權重就會提高。

　　也就是說，伴隨新能源車市場的爆發，磷酸鐵鋰低成本的優勢被不斷放大，三元鋰能量密度的優勢反而在縮小，在頭破血流的價格戰中這種趨勢被進一步放大。

　　另一個變量是增程車的高速增長。自2022年以來，插混和增程車型的增速就一直在純電前面。事實證明，大家可能不一定喜歡燒油的車，但還是喜歡帶油箱的車。

　　同一時期，增程車的設計思路從“大油箱小電池”變成了“大電池小油箱”，進一步推動了磷酸鐵鋰電池攻城略地。

　　由于磷酸鐵鋰的低溫性能差，加之中高電量的電壓曲線相對平緩，難以準確估算剩余電量，一旦遇到低溫或大電流放電，容易導致低電量時電壓跳水，類似iPhone明明有30%的電量但自動關機。

　　早年的插混車型大多搭載10度左右的電池，純電續航通常在50-100公里，人均標配只有幾千瓦的慢充。這種情況下，三元鋰電池反而是更經濟的選擇。

　　對增程車型來說，問題同樣存在，這也是為什么李想在2020年會說磷酸鐵鋰對增程和插混車是“災難”。

　　但隨著電芯材料創新和磷酸鐵鋰成本下滑，增程車的純電續航迅速向300km看齊，電池容量也集體來到50度的基準線。磷酸鐵鋰快充電芯成為硬通貨，在充電站血壓升高的混動車主應該會越來越少：

　　去年發布的理想L6，全系都使用了磷酸鐵鋰電池。寧德時代去年推出的新產品驍遙電池，也意在用低成本的磷酸鐵鋰電池，奪取高速增長的增程車市場。

　　此消彼長之下，三元鋰電池與高端車型綁定的高端形象，正在出現裂痕。相比幾年前高端車型清一色的三元鋰電池，如今頂配車型采用三元鋰，基礎版搭載磷酸鐵鋰是全行業心照不宣的配方。

　　磷酸鐵鋰最后一個難以拉長的短板是重量。作為對比，仰望U7的135.5kWh電池包重量高達903kg，相當于半輛特斯拉Model 3（1760kg）。對車重極其敏感的性能車，可能是三元鋰電池最堅實的堡壘。

　　按照SNE Research的數據[6]，全球動力電池正極材料總需求量中，磷酸鐵鋰份額超過一半。在中國以外的市場，磷酸鐵鋰材料復合年增長率高達142%，遠超高鎳三元材料的54%。

　　有中國同行做表率，海外車企自然紛紛浪子回頭，爭先恐后回到磷酸鐵鋰的懷抱：

　　從因價低成為主流，到努力突破自身極限，磷酸鐵鋰電池顯然沒有走到終局，技術路線的摸索也遠未行進尾聲。因為技術領域往往沒有注定無法逾越的壁壘，只有暫時難以攻克的問題。

　　完美的技術路線或許并不存在，因為利潤只會流向需求的高地，而非參數和理論的高地。但至少在今天，磷酸鐵鋰電池可以驕傲地說：

　　一塊電池的命運，可以完全依靠自我奮斗，跟歷史的行程一點關系都沒有。

　　參考資料

　　[1]“十城千輛”工程，初探新能源汽車市場化，中國汽車報

　　[2]換裝SK三元鋰電，北汽新能源發力核心技術，第一電動網

　　[3]特斯拉電池生死劫：馬斯克三改充電時間表，21世紀經濟報道

　　[4]K電池，為何被表現不佳的磷酸鐵鋰電池撼動，韓國電氣新聞網

　　[5]磷酸鐵鋰漲價背后：四代高壓密產品正走向臺前，界面

　　[6]In 2024, Global Electric Vehicle Battery Cathode Material Installment Reached 1,929K Ton, a 31% YoY Growth，SNE Research

　　編輯：李墨天

　　責任編輯：徐珊珊

　　封面圖片來自Shotdeck