铁锂电池，固态电池，厂商自研！纯电动汽车电池如何发展？

截至2021年1月，宣布计划到2025年生产电池的各个地区和企业中。欧洲市场宣布电池产量为652GWh。韩国企业设定目标为193GWh，欧洲企业为161GWh，中国企业为48GWh，特斯拉为250GWh。当时市场所需容量为400GWh，处于供过于求的水平。

然而，在此期间发生了许多变化。汽车制造商争先恐后地制定向电动汽车过渡的路线图，并陆续宣布实现碳中和目标的时间。在目前的气候下，2030年后纯电动汽车的市场份额可能会超过50%。

在此背景下，有2021年7月和8月欧美政策变化，欧盟委员会已决定到 2030 年将温室气体排放量减少 55%，到 2035 年禁止销售包括混合动力车在内的内燃机车，并在 2023 年设立新的“边境碳税”，称为边境碳调整措施（CBAM）。它还旨在到 2030 年将所有部门的二氧化碳排放量与 1990 年相比减少 55%。这比 2019 年设定的 40% 目标有所提高。

8 月，美国发布了一项行政命令，指定到 2030 年销售的 50% 以上的新车（乘用车和轻型卡车）为电动汽车、插电式混合动力汽车 (PHEV) 和燃料电池汽车 (FCV)。混合动力电动汽车不包括在内。这些政策变化对美国的影响远远大于欧洲法规的影响。中国更是加速向纯电动汽车、插电式混合动力汽车和氢燃料电池电动汽车的过渡。

电池原材料和安全问题呈上升趋势

与此同时，人们对电池电动汽车的能源——电池的兴趣正在受到关注。由于原材料价格上涨导致电池芯价格飙升，第二件事是关于安全，例如不断增加的火灾案例。

这首先发生在一直引领电池电动汽车市场的中国。上个月，由于锂生产成本增加，比亚迪宣布将电池价格上调20%。与2020年12月相比，作为电动汽车电池生产核心的正极材料钴酸锂价格上涨逾一倍，电解液价格上涨逾150%。

5 月，国际能源署 (IEA) 预测，到 2030 年，全球锂和钴供应量只能满足预计需求的一半。铜产量可比消费水平减少 25%。彭博新能源财经预计，到今年年底，全球锂消费量将增加五倍。

其中，作为NMC（镍锰钴）和NCA（镍钴铝）的主要材料镍和钴的竞争正在加剧，对价格上涨的担忧也在加剧。尤其是钴面临严峻挑战。尽管镍是一种相对丰富的资源，但也有预测称，从 2030 年开始，镍将变得稀缺。为此，一些公司实施了区分用于低端和高性能高端汽车的原材料的策略。

其次，它涉及安全，例如火灾。 LG Energy Solutions 已经支付了巨额赔偿金，因为现代汽车和通用汽车召回。LG电池隔膜不稳定引发的火灾事故，也让全固态电池再次成为研究对象。

尤其是中国有超过3亿辆电动自行车（踏板车），仅今年1-9月就有10300起火灾。大约80%的事故发生在电池充电时，其中大部分是锂电池着火引起的。与汽车电池一样，在充电时发生起火的事故非常高。虽然锂电池具有高能量密度，但电解液的高可燃性是一个重要的起火因素。

磷酸铁锂电池或取代三元锂电池？

现在对电池的要求是安全性、范围、价格和能量密度。主要使用1990年出现的锂离子电池代替铅酸电池，简单来说就是电解液之间的隔膜问题影响安全性，锂、钴、锰等原材料的供需连续性，和铝，以及由此产生的电池价格问题都是挑战。

锂离子电池是放电时锂离子从负极向正极移动，充电时锂离子从正极向负极移动并找到自己位置的电池。

锂离子电池具有能量密度高、无记忆效应、不使用时自放电​小等优点，被广泛应用于智能手机等便携式电子设备中。此外，利用高能量密度的特点，其在国防工业、自动化系统和航空工业中的使用频率正在逐渐增加。然而，由于这种锂离子电池如果使用不当可能会引起火灾，因此已经从各种角度提出了解决问题的方法。

比如最近出现的是磷酸铁锂（LFP：（LiFePO4）电池，以中国比亚迪、宁德时代等为首）磷酸铁锂电池与常用的锂锰钴（LMC）锂离子电池相比，续航里程更短，但更安全、更便宜。虽然能量密度低，但比亚迪研发了刀片电池来弥补不足。据称，该电池组的空间利用率比传统磷酸铁锂块状电池高出50%以上。它还具有不易点燃的优点。

众所周知，LFP电池即使在温度达到500°C时也能保持稳定，而LMC锂电池在200°C左右开始发生化学反应。

为了利用这些优势，包括比亚迪和宁德时代在内的电池制造商和供应商都在积极开发LFP电池。该研究所表示，宁德时代已与LFP材料公司深圳动力签署了18亿元人民币的合同，华源钛白已决定投资121亿元人民币建设一座年产50吨LFP材料的设施。

2020年中国市场磷酸铁锂电池装机容量总计24383兆瓦时，同比增长20.6%。因此，LFP电池在中国电池市场的份额增加到39%左右。特斯拉也在国产车型中使用LFP电池，近期，继大众和福特之后，奔驰也宣布将安装在包括EQS在内的各种电池电动汽车上，市场正在扩大。计划在中低价位车型中安装宁德时代的磷酸铁锂电池，不包括高性能奔驰AMG。现代汽车公司也决定使用比亚迪的刀片电池。

特斯拉的埃隆马斯克也表示，标准范围的电动和家用蓄电池将改用 LFP。

高盛还预测，LFP 系统的重要性将会增长，另一家电池研究公司预测，到 2030 年，它可能占电动汽车电池的 20-40%。

LFP 系统主要由中国电池制造商，成本比日韩电池厂商开发的NMC（镍、锰、钴）和NCA（镍、钴、铝）系统低20%左右。作为强调能量密度的手机电池，有很多观点认为LFP系统最终会取代NMC系统和NCA系统。

目前，使用磷酸铁锂电池最受欢迎的是上海通用五菱的宏光MINI电动车。以2.88万元的价格，超越特斯拉，在中国市场排名第一。

围绕下一代电池的变化

第一个作为磷酸铁锂电池的替代品出现的是全固态电池。通过在电池的阳极和阴极之间使用固体而不是液体作为电解质，全固体电池被评估为耐热和耐外部冲击。出于这个原因，不久前，甚至有人认为全固态电池会改变游戏规则。

现有锂离子电池的能量密度为255Wh/kg。另一方面，全固态电池理论上具有高达495Wh/kg的高能量密度，备受关注，包括丰田在内的多家公司一直在进行研发。一些公司的目标是 1000 WH/kg。

韩国产业技术研究院也宣布，2019年开发出能量密度约为445 Wh/L的双极全固态电池制造技术，可大幅缩小电池组体积的同时消除风险爆炸和火灾。

三星SDI研究了硫化物基固体电解质材料并开始开发大型固体电池，而LG化学则专注于基于凝胶聚合物材料的锂聚合物电池和弯曲锂离子电池的研究。

2020年12月，大众汽车投资的美国Quantumscape也公布了一款15分钟可充电至80%的全固态电池的成果。

丰田表示将在 2020 年东京车展上展示一款配备全固态电池的车型，但它仍然有很多技术问题需要解决，因此尚未大规模量产。

与此同时，在美国以开发全固态电池而闻名的SES（Solid Energy Systems）于2021年11月4日通过在线活动“The 1st SES Battery World”推出了锂金属电池。 Apollo 107Ah 电池包含一种溶剂盐电解质，它是一种介于现有锂离子电池和全固态电池之间的混合锂金属。 SES解释说，这是全球首次发布超过100Ah的锂金属电池。

目前还没有满足能量密度、安全性和性能的全固态电池，因为容量高但性能差。出于这个原因，现实是许多公司正在开发混合形式而不是完整的全固体。通用汽车、现代起亚、吉利、LG、SK 和上海汽车正在投资 SES。显然电池技术正面临新的转折点。

汽车制造商正在将电池内部化

值得关注的是，今年汽车制造商对电池技术的看法发生了很大变化。从此前为松下供应18650和21700圆柱电池的特斯拉，通过2020年电池日宣布与松下联合开发4860电池的事实可以看出，没有一家汽车制造商自行开发电芯。众所周知，特斯拉目前正在考虑转向锂离子电池。

以下是按时间顺序排列的汽车制造商已认真开始与下一代电池相关的研究和开发的动向。

丰田于 1996 年成立了混合动力电动汽车电池生产公司 Prime Earth EV Energy，并于 2020 年 2 月成立了电池业务合资企业 Prime Planet Energy & Solutions。然后，在 2021 年 9 月，决定到 2030 年向汽车电池投资 1.5 万亿日元（1.5 万亿美元）。其中，1万亿日元将用于将产能提高到2亿千瓦时，是现有产能的33倍。

宝马于 2019 年在慕尼黑开设了电池开发能力中心，并正在开发下一代电池。除了选择材料外，它还旨在开发到 2030 年将能量密度翻倍的技术。

梅赛德斯-奔驰还宣布将在 2021 年 3 月生产自己的电池。它已在其总部所在地德国斯图加特的主要基地投资数亿欧元，并宣布将从2023年开始小规模量产。梅赛德斯一直在接收来自 LG 化学和宁德时代的电池，并且对自己的生产持否定态度。当然，这并没有完全改变这个政策。它力求通过内部生产提高质量，以外部采购为中心。

福特还在 2021 年 4 月宣布，将在密歇根州东南部建立一个名为 Ford Ion Park 的全球电池中心，以生产自己的电池。它的目标是在 2022 年底前投入运营，并计划开发和制造锂离子电池和固态电池。同样，我们正在投资 Solid Power。

2021 年 9 月，大众汽车集团在德国萨尔茨吉特开设了电池研究中心，以进一步扩展其在电池技术方面的专业知识，并开发和生产自己的电动汽车电池。大众汽车集团与其合作伙伴计划到 2030 年在欧洲运营 6 家电池工厂，产能为 240 GWh。未来计划在德国萨尔茨吉特生产年产能40GWh的电池。新的集成电池有望协同工作，并将电池成本降低多达 50%。

2021年10月，通用汽车将在密歇根州沃伦设立威利斯电池创新中心，以加快锂金属和硅以及先进电池等新技术的开发。通用汽车目前拥有2000多项与电动汽车电池技术相关的专利，其中包括60项专利和商业秘密，以及46项未来电池发展重要领域的正在申请专利，如锂金属电解质、正极、负极和粘合剂。华莱士中心希望制造能量密度为每升 600 至 1200 Wh 的关键电池组件，例如电池和电池活性材料。

在LG化学分拆出来的LG Energy Solution、SK Innovation分拆出来的SK On、三星SDI等世界一流电池制造商的支持下，现代汽车集团投资了美国Ionic Materials和Solid Power 2018年成为电池开发商，2021年投资Solid Power，与美国Factorial Energy合作开发全固态电池，同时也在投资SES。并于11月决定与首尔大学共同成立电池研究中心。在这里，将在电池管理系统（BMS）、全固态电池（SSB）、锂金属电池（LMB）和电池工艺技术四个领域开展联合研究。

下一代电池被认为是第二个存储半导体。从各家公司的动向可以看出，他们大多都专注于基于现有公司电芯技术的电池组的开发和生产。不过，考虑到如果继续下去，现有的两三个大公司极有可能占据大部分市场份额，该公司正在显示出长期内化电池技术的意愿。

电池电动汽车业务在10年前还是一个中小型业务，现在是全球所有汽车制造商的核心。