专题

层状结构正极材料的发展历程之结语:补贴渐冷,高富易衰

作者: 范未峰 来源:《动力电池》杂志11月刊 时间:2019-12-10

[摘要]关于层状正极材料的未来,关于动力电池的未来,关于新能源汽车的未来,还有很多你预想不到的未来,都会在坚守中陆续到来……青山不改,回头再见!

回顾历史,层状结构正极材料从LiCoO2开始,经三元又向高镍(三元)、高压(钴酸锂)、富锂(锰基)发展,答案无一不是遭遇了“易衰”的困境。据说,正在溺水的人会不顾一切地抓住任何东西,哪怕只是一根稻草。


这也许能理解,尽管每个人都知道材料“高富易衰”的规律,但面对资本的诱惑和层层的补贴,新能源汽车还是陷入“集体无意识”的狂热。“不求合适,但求最高”,似乎只有更高的能量密度指标在贫穷想象力下才具有唯一的“说服力”;似乎只有更高的能量密度指标在缺乏技术创新力下才能彰显锂电人“在努力”!


人们常说,当雪崩发生,没有一片雪花是无辜的;同样,当能量密度指标在动力锂电中一点点加码,最终触发了2019年上半年的EV烟火。除了工信部那位被抓的司长,每一位鼓吹高能量密度指标的都是合谋者。


这一年里,有头有脸的和不见经传的电动汽车品牌,都无一例外地出席“火”的盛宴。在此之前院士曾说,——高能量密度电池没问题;在此之后院士又说——主要问题是验证时间太短。但具体验证时间是多久?院士没有说!


自燃事件时有发生


很久以前,我曾迷恋阿基米德的名言——给我一个支点,我可以翘起地球!后来我做了下计算才知道,为了能翘起地球1cm,另一端的我可能要以光速飞90万年……所以,我不担心有解决不了的问题,我担心的是——验证的时间太长,而生命的长度太短!



三元材料是当下高能密度正极材料的主要方向,从NCM622向NCM900505高镍的演进中,材料的热失控触发温度从272℃降低到了201℃,同时释热量上升了两倍多。常言讲,物质基础决定上层建筑;我认为动力电池一旦走上了高能密度、特别是三元高镍这一条不归路,所有的镍也都有原罪。



1885年,德国机械工程师卡尔·本茨发明了世界上第一辆实用的内燃机汽车“奔驰一号”,但跟马车比起来“笨重”、“噪音大”、“操控麻烦”、“无处加油”。被质疑“难道每隔几十英里就要建一个加油站吗”……曾经大言不惭的武断言论在今天看来是如何地可笑!


二十年前,一位德国奥迪汽车的工程师给中国国务院写了封信,阐述了借道新能源汽车实现中国汽车产业的跨跃式发展,由此掀开了中国新能源汽车“弯道超车”的序幕。事实上,这位工程师的人生也确实实现了跨越式发展。


十年前,我们认为LiFePO4是动力电池的最佳甚至是唯一的动力电池路线,最终却走向了层状三元,并在高镍化上一再加码,甚至将高镍寄予了动力电池“唯一”的地位。但2019年的“经济寒秋”来临,我们发现吃习惯了的补贴几乎没了,国门外狼却真的来了,三元一片哀鸿下,又开始回望磷酸铁锂……


磷酸铁锂电池


柏拉图说,如果只允许一种声音存在,那么唯一存在的那个声音,基本上就是谎言。同样,如果中国的新能源汽车只认定了某一种技术路线,那也一定存在着阴谋。


诚然,当能量密度不足40Wh/kg的铅酸电池都能掀起低速电动车百亿级别的市场规模时,还有什么理由认为只有300Wh/kg的电池才能支撑新能源汽车的未来?你可以尽眼望去——20公里续航里程的平衡车在跑;50公里续航里程的电瓶车在跑;100公里续航里程的低速车在跑;200公里的代步型低端EV也在跑!还有机场摆渡车、城市公交车、景区观览车,“一次充电跑1000公里”并不是它们真实的“内心需求”。


慢慢地,我们应该明白——当我们的EV已经能充一次电跑500km了,我们真的有必要将下一个目标确定在700km甚至更远吗?我们为什么不能在500km这个目标的基础上再“横向”发展一下,让电动车更安全、更长久、更便宜,让充电网络更高效、更便捷呢?


过度追求续航里程


慢慢地,我们也应该明白——发展电动车的目的不是造一辆以电为“燃料”的耗电车,也不是必须让EV的充电和加油一样快捷,甚至也不是让EV跑得跟燃油车一样远甚至更远。而是赋予汽车一个更全新的一种使命——从一个简单的交通工具演化为个人生活和工作的移动平台。


就像我们的手机从二十年前的移动通话工具变成了今天的移动社交平台后,好手机的判据标准却并不是待机时间。从这个角度来说,电池的安全最重要、长寿命循环最重要,而处处存在的充电网络会使得续航里程不再那么重要……


从技术的角度来说,商业的客运电动飞机只是痴人说梦;从能量密度来分析,电池永远超不过燃油;从更高地角度来说,汽车的全部电动化同样是一个灾难——石油产业恐怕要陷入万劫不复之地了!所以我相信,汽车的未来是一个动力多元化的世界,有油、有电、有氢、有协同。


续航里程大幅提升


2018年中国的电动车产销首次突破了120万辆,其中58%的电动汽车选择了三元,受此带动,三元材料首次越过了15万吨的市场销量,再加上钴酸锂市场的加盟,似乎层状材料的霸主地位已经确定无疑。


但我认为下结论还为时太早,虽然全世界来看,汽车的电动化趋势已定,但格局还远未定型。尽管动力锂电号称资本密集型、知识密集型和人才密集型的高精尖产业,不乏优秀的个例;但如果将我们全部的锂电产业作为一个整体来看,我们这个“新能源产业生命体”可能还处于幼年时代!


否则,如何解释我们动力锂电路线在近二十年的时间里反复变更——从磷酸铁锂变更到三元,从三元又跨到了氢燃料电池,中间还穿插了钛酸锂、富锂锰?渴望成长又反复摇摆不定,这也是一个人在少年时代最容易显现的特征……


就当前层状结构材料面临的问题来说,富锂锰主要的工作还是应该通过掺杂提升其结构的可逆稳定性;高镍三元主要的工作应是通过优化包覆优化界面结构的稳定性;而高压钴酸锂可能需要在内部掺杂和外部包覆两方面同时优化。


而这其中,鉴于掺杂方式和掺杂元素已经被“耕耘”过了多次的事实,材料的包覆可能更具有现实的探索空间。常言道,性格决定命运,但命运常有意外,韦小宝并不总存在于小说里。同样地,对材料来说,结构决定性质,但结构其实只决定了材料的“本色演出”。


而在一个具有生命周期特征的锂离子电池体系中,“结构”的含义不但包括单一材料的内部结构,还包括电池的组成结构,特别是电池活性材料(正负极)与导电剂、粘结剂的复配结构,以及活性材料与电解液的界面结构……这些“材料本体结构以外”的意外也往往能最大程度地改善材料先天结构的不足,使其在应用中获得更多的青睐。


换句话说,就像一个人刚出生稚嫩水灵的脸不可避免地在年老时布满沧桑一样,也有善于保养的人能创造“冻龄”的奇迹。对锂电材料来说,合适的包覆对于锂电“冻龄”的近期“小目标”具有直接的现实意义。


不觉间,2019年即将过去,作为层状材料系列的结语,如果对层状材料做个回顾和展望,在钴镍锰三兄弟中,除了钴酸锂(LiCoO2)还基本上能“独善其身”外;镍酸锂(LiNiO2)仍旧奔跑在“高镍化”路上;而层状锰酸锂(LiMnO2)貌似只能在OLO层面上找到自己的有限舞台,富锂锰则刚过了亢奋期,目前处于混沌状态。


最近的全固态一直在“想”被大家关注。我预计,面向全固态电池应用的正极材料中,层状材料也一定会“精心打扮”后另有一番表现。


所以,关于层状正极材料的未来,关于动力电池的未来,关于新能源汽车的未来,还有很多你预想不到的未来,都会在坚守中陆续到来……青山不改,回头再见!



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