2014年锂电池行业磷酸铁锂十年沉浮：从舶来品到中国锂电名片十年中国造⑩|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

磷酸铁锂十年沉浮：从舶来品到中国锂电名片十年中国造⑩

记者 | 王月伦

编辑 | 庄键

三十年河东，三十年河西。在与三元电池的博弈中，磷酸铁锂短短十年就已经历了“两起一落”。

按照正极材料的不同，动力电池可分为磷酸铁锂和三元两大技术路线。去年，国内磷酸铁锂电池全年市占率超过50%，在2018-2020年连续落后三元电池的情况下，实现逆袭。

今年前8个月，磷酸铁锂电池保持领先优势，市占率达59%，较三元电池高出18个百分点。沉寂三年后，磷酸铁锂再度成为国内动力电池最为主流的技术路线。

中国是全球最大的动力电池生产国，随着磷酸铁锂电池在国内发扬光大，也让这项技术在全球重回主流。

包括特斯拉、大众、戴姆勒在内的车企巨头已搭载或计划搭载磷酸铁锂电池。此前以三元电池为主要技术路线的国外动力电池企业，也开始试水磷酸铁锂技术路线。韩国LG新能源今年已宣布，计划于2023年在LG中国工厂生产磷酸铁锂电池。

在今年初发布的一份报告中，高盛上调了磷酸铁锂电池的全球市占率预测。其预计到2030年，磷酸铁锂电池在全球的占有率将达到38%，较此前的预测值提高13个百分点。

根据上述报告的统计，磷酸铁锂电池去年在全球的市占率达到28%，其余市场份额则由三元电池占据。

相较于三元电池，磷酸铁锂电池无需使用镍、钴等昂贵资源，具有安全性高、成本低的优势，但能量密度要低于三元电池，意味着其续航里程落于下风。

磷酸铁锂与三元博弈的成败，取决于安全、成本以及续航里程等因素在不同阶段何者占据上风，这也是磷酸铁锂电池十年沉浮的关键。

2009年，中国科技部等四部门联合推出“十城千辆节能与新能源汽车示范推广应用工程”，并对相关车型实施补贴政策，涉及领域主要为公交、出租等商用车。

商用车以成本、安全性优先，磷酸铁锂电池因此成为主流选择，并一直持续到2016年。高工锂电数据显示，2010-2014年，国内磷酸铁锂电池市场份额均保持七成以上，2015年和2016年虽然分别下降至54%和48%，但仍高于三元电池。

磷酸铁锂当时在国内的迅猛发展还体现在装机量上，从2010年的0.2 GWh到2016年的20.3 GWh，七年内激增百倍。

除了国家新能源汽车战略的推动，磷酸铁锂得以在国内的顺利发展，还要追溯到一场专利权官司。

上世纪80年代，美国固体物理学家约翰·古德伊纳夫（John Goodenough）的项目组发明了可以量产的磷酸铁锂电池技术。1997年，古德伊纳夫所在的德州大学，将磷酸铁锂相关专利授权给加拿大魁北克水电等企业。

2003年，这些企业向中国国家知识产权局提出磷酸铁锂发明专利申请，并于2008年获得授权。此后，魁北克水电向中国的磷酸铁锂电池企业索要高达1000万美元的专利授权费，或每吨2500美元的专利使用费。

2011年，国家专利复审委员会对魁北克水电等公司的发明专利做出无效决定。这项决定为国内新能源汽车发展扫除壁垒，创造了相较于欧洲、日本等地区的环境优势，才有了磷酸铁锂电池在国内迅速崛起的故事。

磷酸铁锂的领先地位在2016年末逐渐动摇。工信部、科技部等四部委推出新能源汽车补贴政策，引入了纯电动乘用车电池能量密度门槛，规定能量密度不可低于90 Wh/kg，且只有高于120 Wh/kg才能获得1.1倍补贴。

2019年，多部门再次发布通知，补贴标准在2018年基础上平均退坡50%，原本地方补贴全部取消，且只有能量密度达到160 Wh/kg以上的新能源乘用车才可获得100%补贴。

这些政策将新能源车的发展重点转向提高续航里程，磷酸铁锂电池的市场份额因此大幅下滑。2017年迅速跌至26%，首次被三元电池超越，并在2019年降至谷底，不足15%。

在磷酸铁锂电池遇冷的三年，三元电池却安全事故频发。

2019年，新能源汽车国家大数据联盟发布报告指出，5-7月，新能源汽车国家监管平台79起新能源汽车安全事故中，超八成的事故车辆搭载三元电池，仅有7%的事故车辆使用磷酸铁锂电池。

2020年3月，比亚迪董事长王传福直言，近几年行业对电池能量密度不切实际的追求，彻底带偏了动力电池发展路线，并且让新能源乘用车的安全口碑付出了极其惨痛的代价。

比亚迪在当年发布了刀片电池的新技术。王传福称，刀片电池已通过动力电池测试领域最严格的针刺测试，其最大的特点就是安全。

刀片电池依然采用磷酸铁锂路线，但通过结构设计创新，将磷酸铁锂电池的续航里程提升到比肩三元电池的水平。

“比亚迪刀片电池以一己之力把磷酸铁锂从边缘化拉回来！”王传福在去年中国汽车重庆论坛上曾发表上述观点。

比亚迪最大的竞争对手宁德时代，也在2020年获得了特斯拉的磷酸铁锂电池订单。该电池采用了CTP结构。

CTP即无模组动力电池包，技术亮点是跳过模组，直接将电芯集成为电池包。由于取消了包裹在电芯外的模组外壳，电池包有了更多空间排列电芯，整体能量密度得以增加，从而提高续航里程。

两家锂电龙头企业同时推出新一代磷酸铁锂电池，让磷酸铁锂技术路线重新回归大众视野。今年前8个月，宁德时代和比亚迪也是国内排名前两位的磷酸铁锂电池生产企业，合计市占率超过八成。

磷酸铁锂已从边缘回归中心，但其未来的前景仍面临挑战。前有能量密度上限更高、安全解决方案持续优化的三元电池，后有兼具安全性和高能量密度的固态电池。下一个十年，磷酸铁锂如何继续突围，仍需拭目以待。

法国初创公司HIPERSSYS研发硫-硅锂离子电池，理论能量密度达商业锂电池五倍

文丨李子月

编丨石亚琼

目前，随着新能源汽车和智能电网等领域的快速发展，对于电池性能的要求越来越高。锂离子电池因其在能量密度、寿命和重量等方面的优势，主导了今天的电池市场。过去十年中，锂电池能量密度从2011年的80Wh/kg提升到了2020年的270Wh/kg，增长近3倍。但其已达到商业可实现能量密度极限的87%，提升剩余的13%将非常缓慢且昂贵。

法国电池初创项目HIPERSSYS成立于2020年，专注于研发以硫为正极、硅为负极的锂离子电池。HIPERSSYS表示其锂离子电池理论能量密度可达到1950Wh/kg，约为商业锂离子电池（100-450Wh/kg）的五倍，现已完成纽扣电池原型。

（HIPERSSYS锂电池结构图片来源：采访供图）

锂离子电池常用的正极材料有锰酸锂，钴酸锂，磷酸铁锂以及三元材料等，HIPERSSYS研发的锂电池采用硫磺为正极的活性材料。单质硫在地球上储量丰富，石油冶炼的副产物便可提供充足的硫磺，因此硫磺价格仅1000元/吨，与碳酸锂（16万元/吨）相差160倍。硫极易升华，简单加热便可从正极中将其回收，成本低且环保；而以其他以贵重金属为正极的锂离子电池回收工艺复杂，无论是高温煅烧还是湿法酸洗，都存在能耗高、难度大和二次污染问题。锂电池成本已从2011年的3800元/KWh下降到2020年的578元/KWh（该价格为国内市场价格。受访人表示，如今锂电池在欧洲市场的成本约200欧/KWh），占新能源汽车整车成本的30%。使用硫磺代替贵重金属作为正极可进一步降低电池成本。

常用的负极材料为石墨等碳材料，但因其理论容量偏低（约372mAh/g），现已进入瓶颈期。HIPERSSYS采用硅作为负极中的活性材料。硅拥有非常高的理论容量（4200mAh/g，是传统石墨材料的10倍多）。硅基负极的工作电位比锂的还原电位高一些，减少了快速充电时锂在电极表面沉积的风险，从而有助于提高电池的安全性。

硅活性材料的应用始于2000年，2014年开始实现产业化。国际上，松下2017年开始为特斯拉Model 3供应硅碳负极电池，能量密度达300Wh/kg；日本GS汤浅将硅基负极电池供给三菱汽车；三星、LG化学将硅基负极应用于消费电池领域。国内，宁德时代于2016年开始以高镍材料为正极、硅碳复合物为负极的动力电池研发项目；力神电池于2018年开发出高镍系正极和硅碳负极材料，电芯单体比能量密度达303Wh/Kg；国轩高科研发的高镍三元电芯，硅碳材料负极，能量密度达300Wh/kg；此外，比亚迪、比克动力、微宏动力、蔚来、智己汽车、广汽集团等电池、电动车企业，以及杉杉股份、中科电气、贝特瑞、江西紫宸、深圳斯诺、江西正拓、创亚动力、大连丽昌、硅宝科技等材料企业，都在硅基负极材料领域投入和投产。2021-2026年我国硅碳负极材料渗透率年均增长率约3%-5%，预计2026年达到23%。 2026年我国硅碳负极材料市场需求将达到50万吨。

（锂电池导电剂优劣对比图片来源：知乎@行业研究）

导电剂作为锂离子电池的重要组成部分，直接影响电池的内阻、倍率性能、热稳定性、能量密度、循环使用寿命等性能。按照接触的导电形式，导电剂可以分为点接触导电网络、线接触导电网络和面接触导电网络，包括了SP炭黑、导电石墨、 VGCF、碳纳米管和石墨烯。传统导电剂包括点接触的炭黑和导电石墨，相关技术较为完善，价格低廉，已被广泛应用于市场。新型导电剂包括线接触的VGCF和碳纳米管，以及面接触的石墨烯，导电性能更好，添加量更低（传统导电剂在正极材料中添加量约为3%，而新型导电剂约为0.5%-1.0%），活性物质含量更高。

HIPERSSYS使用垂直排列的碳纳米管为架构来沉积电极中的活性物质。垂直排列的碳纳米管确保了与基片更好的接触和粘附，从而增加了离子扩散率，并改善了电子传输特性，从而使充放电速率得到改善。此外，垂直排列的碳纳米管和基片之间的紧密接触提供了一个低电阻通道，使整个电极有效连接。垂直排列的碳纳米管表具有大表面积的多孔结构，会大大促进化学传输和界面反应。垂直排列的碳纳米管的这些特性（规则的孔隙结构、高表面积和优异的导电性）使它们成为电极或电流收集器的候选材料，提高锂离子电池的性能。

在未来五年，全球碳纳米管导电剂需求量年复合增长率将保持在40.8%，2022年需求量将达12.5万吨，2023年需求量将达19.3万吨。2014年以来，随着国内新能源汽车市场需求的增长，导电剂行业迅速发展。传统导电剂2014年的市场占有率为85.5%，且主要依赖进口，国产化率只有12.9%。新型导电剂国内技术领先，随着新型导电剂的渗透，导电剂的国产化率也迅速提升。2014年碳纳米管的渗透率由2014年的13.6%增至2020年的46.1%。2022年国内碳纳米管导电剂市场将达到45亿元。

（HIPERSSYS电池原型图片来源：采访供图）

现阶段，HIPERSSYS已完成纽扣电池原型（CR2032），目前正在制造和测试其他电池类型，如容量更大的软包电池，并将在几年内进入无人机市场。目前欧洲无人机电池市场规模约8亿欧元，2040年将达到70亿欧元。

（HIPERSSYS联合创始人Mariam Ezzedine（右）和Fatme Jardali（左）图片来源：采访供图）

联合创始人Mariam Ezzedine和Fatme Jardali均为巴黎综合理工学院（Ecole Polytechnique）博士后研究员，2017年获物理学博士学位。HIPERSSYS成立于2019年，获巴黎萨克雷SATT项目（SATT Paris-Saclay）和巴黎综合理工学院支持，并于2021年进入巴黎综合理工学院孵化器。