从宁德时代的技术研判看电池材料发展方向

近日，在全球新能源汽车大会上，宁德时代中国区乘用车解决方案部总裁项延火向外界介绍了宁德时代在化学材料体系、系统集成、电池残值、低温性能、快充以及智能化电池管理系统等方面的研发思路及路线规划。

其中，在电化学材料体系中，项延火介绍了宁德时代在磷酸铁锂、中镍三元、高镍三元、无钴电池，以及更为长远的全固态电池、锂金属电池、锂空气电池等材料体系的研发方向。作为全球动力电池龙头，宁德时代的每次“汇报”实际上对业界都有很好的参考意义。在这次报告中，我们也得以一窥，宁德时代对于各种化学材料体系应用周期和节点的预判。


磷酸铁锂：仍有提升空间主流应用会持续一段时间

电池化学材料体系的迭代升级是提升能量密度的一个核心，这种材料体系的迭代既有不同材料体系的迭代，如正极材料从磷酸铁锂到三元，又有同一材料体系内部自身的迭代，如三元材料从333到523，再到811，未来还有镍9系等。

现阶段，主流的磷酸铁锂材料体系电芯能量密度已经做到165Wh/kg，系统能量密度能做到140Wh/kg附近。因为磷酸铁锂电池经济性、安全性和循环性能都比较高，目前在经济性车型中应用比较多。

未来磷酸铁锂材料体系还有没有挖掘空间，能量密度是否已经到达“天花板”？

据项延火透露，宁德时代计划通过对磷酸铁锂材料体系的设计与挖掘，未来将其能量密度进一步提升，达到200Wh/kg- 230Wh/kg，“这样在下一代产品应用时，就可以在续航里程和成本优化方面有更佳的表现。”

事实上，近几年国内其它几家涉及磷酸铁锂的头部企业也在继续深挖磷酸铁锂材料的潜力。如国轩高科在今年年初透露，通过开发高性能磷酸铁锂正极材料、负极采用石墨掺硅和预锂化技术，已经研发出单体能量密度达到210Wh/kg的磷酸铁锂电池。

比亚迪也认为磷酸铁锂电池材料仍有提升空间，在单体能量密度上也会通过材料体系和工艺的优化，继续提升。

另外，这两年电池系统集成技术的创新，也使得磷酸铁锂在电池包中的能量密度有明显提升，让其重新焕发“第二春”。

不过，在项延火看来，随着电池技术、材料的创新，预计到2028年，磷酸铁锂的成本、安全优势在乘用车领域会被其它材料体系取代。未来磷酸铁锂电的应用场景和技术研发仍需要观察。

中镍三元、无钴电池将成中端车市场主流

针对中端车市场，项延火预计，未来几年仍将以中镍高压三元体系动力电池技术为主。电芯能量密度预计会提升到240Wh/kg~260Wh/kg。

据电池中国了解，在2020年，宁德时代已经开始大量在新能源主流车型中推广应用单晶高电压5系电池。比如与荣威、吉利、蔚来汽车合作的电池产品，都是采用的中镍单晶5系电池。这类电池相较于镍8系产品具有更好的经济性和安全性，同时能量密度也不错。

除了宁德时代，据了解，欣旺达、瑞浦能源、领湃新能源等不少动力电池企业也在规模化应用单晶中镍材料。

据项延火介绍，在这一领域，宁德时代将通过在产品循环寿命和快充能力上的不断挖掘与开发，以满足更多的市场需求。

同时针对中端车市场，宁德时代也在大力开发无钴材料体系，进一步实现高能量密度（电芯能量密度做到250Wh/kg以上）、高性能与综合成本最优。从路线规划图上看，宁德时代预计到2024年左右，公司将会推出无钴电池。

高端市场：主打高镍、超高镍体系产品

针对高端车型市场，项延火介绍说，宁德时代将重点推广高镍材料体系，“从现有的高镍811体系，到下一步高镍+硅体系产业化的应用，有望实现300Wh/kg能量密度，且瞄准350Wh/kg的目标。”

从宁德时代的材料体系路线图来看，其超高镍+硅体系未来也有希望冲击400Wh/kg的能量密度高度。

关于下一代电池技术路线，尤其是今年以来业界关注度较高的固态电池，预计宁德时代也会在2024年左右推出，而能量密度有望做到400Wh/kg。


“经过了近10年的攻关研究，认为采用锂金属为负极材料的全固态锂金属电池是固态电池最优的发展方向，这个技术可以从本质上提升我们电池的安全性和能量密度。”项延火指出，虽然目前仍然面临一些关键技术和工艺等科学问题需要行业共同来攻克，但一旦在技术上实现了突破，350Wh/kg甚至400Wh/kg的安全电芯也将成为现实。

从更长远的发展来看，宁德时代还将持续投入无金属正极材料、锂空气等新材料电池技术的研究。届时，电芯能量密度将突破500Wh/kg甚至600Wh/kg。

2022年左右推出第二代CTP集成方案

电化学材料体系的技术创新和迭代是一方面，系统集成的创新和不断优化也是提升整车电量、使用体验和降本的重要攻关方向。

宁德时代在2019年首次推出了应用于乘用车的第一代CTP（Cell To Pack，将电芯集成到电池包）电池集成技术，根据项延火介绍，宁德时代目前正在开发第二代平台化的CTP电池系统，计划于2022年-2023年投放市场，后面还将针对从A00级到D级全系列车型推出第三代系列化的CTP电池系统平台。

为了更进一步降低成本、提升续航、优化使用体验、降低能耗，宁德时代还将加快CTC（Cell To Chassis，将电芯集成到底盘）技术的研究。“宁德时代计划于2025年前后推出第四代高度集成化的CTC电池系统；更长远来看，宁德时代将于2028年前后有望升级为第五代智能化的CTC电动底盘系统。”项延火透露。

根据宁德时代董事长曾毓群此前介绍，CTC技术不仅会重新布置电池，还会将三电系统纳入进来，包括电机、电控、整车高压如DC/DC、OBC等，而这种高度集成的电池系统，将可轻松使得车辆续航里程大幅提升。

事实上，从宁德时代对于电池化学材料体系的迭代升级方向来看，与业内整体的研判趋势基本一致，未来五到十年，仍然是电池化学材料体系快速更迭、创新的关键期，而随着电池化学材料体系、系统集成等技术的不断成熟，锂电池未来替代燃油，推动汽车大规模电动化的时间也会如期到来。