继特斯拉之后再受福特青睐，磷酸铁锂电池全面反超三元锂电池
澎湃新闻记者 秦艺逍
三元锂电池（NCM/NCA）和磷酸铁锂电池（LFP）是现阶段电动汽车动力电池领域最主流的两种技术路线。随着电池原材料价格不断上涨，具有成本优势的磷酸铁锂电池开始被更多车企采用。2022年第一季度，磷酸铁锂电池的装机量已全面反超三元锂电池，市场份额逐步提升。
继特斯拉宣布在 Model 3和Moderl Y等入门级车型采用磷酸锂铁电池后，又一家美国车企福特汽车计划推出搭载磷酸铁锂电池的电动车型。
福特首席执行官吉姆·法利（Jim Farley）在最近的财报电话会议上表示，福特已对磷酸铁锂电池进行了一定的技术积累，未来计划将磷酸铁锂电池搭载在纯电SUV Mustang Mach-E和纯电皮卡F-150 Lightning两款低价入门级车型上，但尚未透露具体上市的时间和更多细节。
“我们已经对磷酸铁锂电池进行了很长一段时间的研究，在福特的第一代纯电车型中推行磷酸铁锂电池解决方案是一个迅速增加产量的巨大机遇。”法利在会议上表示。
据福特预计，到2023年美国地区F-150 Lightning车型的年产量将达到15万辆，而2021年Mustang Mach-E车型在墨西哥的年产量仅为5万辆，如此大幅度的产能提升计划对福特而言是不小的挑战。
采用磷酸铁锂电池的举措不仅可以在原材料涨价的趋势下保持入门车型的价格吸引力，还可以更好地将三元锂电池产量分配给高端长续航车型，以此减缓三元锂电池短缺带来的供应压力，进一步扩大电动车型整体产能。
外媒道称，除已经确认的Mustang Mach-E和F-150 Lightning以外，福特还可能在纯电商用货车E-Transit上搭载磷酸铁锂电池。
磷酸铁锂电池，是一种使用磷酸铁锂（LiFePO4）作为正极材料、碳作为负极材料的锂离子电池。相比三元锂电池，磷酸铁锂电池的安全性和稳定性更强，循环寿命更长，仅在能量密度和续航里程方面略逊一筹。
三元锂电池正极中包含镍、钴、锰三种元素组成的“三元前驱体”，因此在电池能量密度方面具有性能优势的同时，受关键材料价格上涨的影响也较大。而磷酸铁锂电池中不含有镍和钴，原材料供应更加稳定，比三元锂电池具有更强的成本优势。
此外，两种电池在充放电性能上也有不同。特斯拉CEO马斯克公开表示，特斯拉搭载磷酸铁锂电池的车型可以充电至100%，而搭载三元锂电池的车型则需要考虑其循环寿命，建议只充电至 90%。
全球电动汽车龙头特斯拉是最早大规模采用磷酸铁锂电池的车企，该公司2022年第一季度生产的电动汽车中近50%采用了磷酸铁锂电池。除特斯拉和福特以外，还有一些电动汽车制造商也为部分车型增加了磷酸铁锂电池版本。Rivian此前宣布推出R1T皮卡、R1S SUV和EDV厢式货车的磷酸铁锂电池版本，大众集团、小鹏汽车等公司也在推进搭载磷酸铁锂的电池车型。
特斯拉CEO马斯克分析称：“从长期来看，因为磷酸铁锂电池不含镍和钴元素，所以该款电池的使用规模可能会超过三元锂电池。在动力电池市场占比上，今后磷酸铁锂电池大概占三分之二，三元锂电池或其他类似元素的动力电池占三分之一。其实这种比例很合适，因为世界上有大量的铁资源，镍和钴资源就相对较少了。”
据中汽协数据显示，今年4月，我国动力电池产量为29.0GWh，其中三元电池产量为10.3GWh，占总产量35.5%，磷酸铁锂电池产量为18.6GWh，占总产量64.3%。同月，我国动力电池装车量为13.3GWh，其中三元电池装车量为4.4GWh，占总装车量32.9%，同比下降15.6%，磷酸铁锂电池装车量为8.9GWh，占总装车量67.0%，同比增长177.2%。
据起点研究院（SPIR）预计，到2025年全球磷酸铁锂电池出货量将达到480.1GWh。未来，中国有望成为磷酸铁锂电池的最大产出国。全球最大的磷酸锂铁电池供应商正是中国动力电池龙头宁德时代（300750），而全球排名前十的动力电池企业中就有6家来自中国。
值得注意的是，另一家中国动力电池巨头比亚迪（002594）以4.19GWh的装车量反超宁德时代成为4月国内磷酸铁锂动力电池企业第一名。比亚迪2020年3月推出的“刀片电池”方面采用磷酸铁锂技术，并通过结构创新将电池体积利用率提升了50%以上，达到了高能量密度三元锂电池的同等水平 。
目前，比亚迪是福特Mustang mach-E唯一一家中国电池供应商，该车型搭载由比亚迪西安工厂生产的三元高镍811电池。从双方在Mustang mach-E车型的合作关系来看，福特未来有可能采用比亚迪“刀片电池”作为其磷酸铁锂电池解决方案的一部分。
责任编辑：李跃群
锂电池系列7：一文看懂三元正极（附股）
三元正极一般指NCM（镍钴锰三种金属元素）和 NCA（镍钴铝三种金属元素） ，按不同比例配置三种元素，可以获得不同的电池性能。
镍钴锰正极的常见比例配置有NCM111、NCM523、NCM622、NCM811等 。其中，NCM111因成本高、能量密度低，基本已被淘汰，目前市场主流是523和622，811作为相对高端的正极材料在逐步渗透。
镍钴铝正极是将其中的锰元素用铝元素来代替，目前尚未大规模应用。
下文所述的三元正极主要指镍钴锰三元正极 。
在该三元正极材料中，镍、钴、锰是过渡金属元素，形成固溶体，原子可任意比例混排 。
镍上升会提升容量，但高镍材料会降低循环寿命和稳定性。
锰呈电化学惰性，锰上升会提升结构稳定性和安全性能，但含量过高容易出现尖晶石形态，而破坏材料的层状结构，降低容量。
钴既能稳定材料的层状结构，又能减小阳离子混排，有利于电池循环性能和材料导电性，但含量过高会使可逆嵌锂容量下降，成本增加。
三种过渡金属的配比决定了材料的各项性能。首次放电容量、容量保持率、比容量和热稳定性等性能无法同时达到最优，需要取舍，以尽可能优化配置比例 。
此外，钴资源相对匮乏，供应链脆弱，价格高昂且波动大，不利于成本控制。因此，三元材料正逐步向高镍化、甚至无钴化方向发展 。
目前，在电池能量密度方面，NCA＞NCM811＞NCM622＞NCM523 ，能量密度越大，越有利于提升整车的续航里程。
二、层状结构
三元正极属于层状结构。
层状结构的稳定，是三元锂电池有序运行的前提，也是其性能与寿命的保障 。
层状LiMO2（M代表过渡金属）可分为Li层和过渡金属氧化物层，如下图：
晶格中 Li主要占据 3a位置，Ni、Co、Mn无序占据3b位置，O占据 6c位置，形成 MO6八面体结构。
整个晶体可以看作由MO6八面体层和LiO6八面体层交替堆垛而成，非常适合锂离子的嵌入和脱出。
NCM三元正极材料在材料合成阶段和充放电过程中，易发生阳离子的混排 。即：在层状结构中，位于3a位置的锂离子与位于3b位置的过渡金属离子，发生部分占位的现象。
在高镍三元材料烧结过程中，Ni2+难以被完全氧化为Ni3+。Ni2+离子的半径为0.069nm，Li+离子的半径为0.076nm，两种离子的半径相近 。
材料中存在的部分Ni2+，可能从层状结构中的过渡金属层，迁移到Li层，同时，Li+也可能进入过渡金属层，两者占据彼此的位点造成Li+/Ni2+混排。
在充放电过程中，Li+从材料层间脱出，会产生大量空位，部分Ni2+可能会自发向Li层迁移占据Li+的位置。在 Li层的 Ni2+半径小于 Li+半径，从而降低间晶片厚度，并在充电时氧化成 Ni3+或 Ni4+，造成间晶片空间的局部塌陷，增加放电过程中 Li+的嵌入难度，降低材料可逆容量。过多的Ni2+占据Li层会加剧层状结构向尖晶石结构甚至是岩盐相结构的转变，造成容量严重衰减。
而 Li+进入过渡金属层则会扩大主晶片厚度，并难以脱嵌，使材料电化学性能恶化。
通俗点说，在三元材料构成的层状结构中，镍形成可以嵌入锂离子的框架 。当电池充电时，锂离子从正极脱嵌并留下了空间，于是，镍离子擅离岗位，挤占原本属于锂离子的空间。
当锂离子在放电过程中回到正极时，因其原本的空间被侵占，而跑到了原本属于镍的空间，由此出现镍锂混排。
在三元正极材料中，保持合适的 Li+/Ni2+比例，即低的混排度和完整的层状结构，是提升高镍 NCM 材料电化学性能的关键。
但如果出现镍锂混排的连锁反应，就会造成层状结构垮塌，从而在微观层面陷入混乱，其宏观的结果就是电池循环寿命缩短，电池容量下降，甚至出现安全隐患。
在这里，钴元素的作用，是使这个框架更加稳固，抑制镍锂混排 ，让三元正极材料的层状结构尽可能保持。这样，锂离子的脱出和嵌入将更容易，从而有利于提高材料的导电性，并提升充放电循环性能。
凭借锰很强的结构支撑作用，三元材料的结构不容易坍塌 。搭配镍对容量的提升，三元材料的能量密度比磷酸铁锂更高。
当然，热稳定性是三元材料的一个痛点 。三种元素本身不耐高温，极端情况下会释放氧分子。同时，其自身的循环寿命也不及磷酸铁锂。
三、产业链
NCM三元正极材料产业链涉及的环节较多，上游是镍、钴、锰、锂与其他辅料、中游是前驱体与三元正极材料、下游是锂电池生产和应用层面的新能源汽车、3C、储能等 ，如下图：
目前，产业链已逐渐形成一体化趋势，如华友钴业从上游的镍钴锂矿产和冶炼，延伸到三元前驱体，又延伸到三元正极。
三元正极的定价模式为“原材料成本 + 加工费”的成本加成模式 ，企业的利润主要来自于加工费。
原材料包括碳酸锂或氢氧化锂、硫酸钴、硫酸镍、硫酸锰等，加工费是在加工成本的基础上，加上合理的利润。
从三元正极的成本构成看，原材料占比近九成，但企业的原材料成本难以拉开差距，而较低的人工成本及制造费用占比，导致很难通过压缩开支及规模效应获得远高于市场的成本优势。因此，只能通过不断的产品迭代，来争取本公司产品的相对稀缺性，从而获得加工费的溢价。
因此，三元正极的定价是动态变化的。
企业通过产业链的一体化，可获得对核心钴镍锂原料的掌控和盈利加成，达到更强的竞争力。
三元正极材料的生产工艺流程如下图：
四、三元正极的技术迭代
三元正极材料的技术迭代升级主要有两大方向：
1、能量密度的提升 。根据公式 W=QU，演变为两大方向，一个方向是提升 Q 的高镍方向和其它材料体系，另一个方向是提升电压 U。
2、稳定性、循环性、安全性等的提升 ，主要有掺杂、包覆、单晶等技术。
总体而言，三元正极材料目前有三大发展趋势：高镍化、高电压化和单晶化 。
高镍方向的代表性企业有容百科技、当升科技，高电压方向的代表性企业有厦钨新能、长远锂科，单晶方向的代表性企业有振华新材。
各技术方向又交叉发展，比如容百科技的高镍单晶。
三大技术方向的实现依赖于多重因素。除了生产工艺迭代外，很大程度上还依赖掺杂、表面改性等，另外电解液配方的优化也有助于正极性能的发挥。
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