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        資訊

        純電動車的悲哀

        2025China.cn   2021年09月26日

          導讀:看似先進且迅速發展的純電動車,是一個略顯畸形的產品。

          “比亞迪刀片電池以一己之力把磷酸鐵鋰從邊緣化拉回來”,在6月13日的2021年中國汽車重慶論壇上,比亞迪總裁王傳福如是說。

          磷酸鐵鋰電池在產銷數據上的逆襲,給了王傳福更多底氣。據中汽協數據,2021年5月磷酸鐵鋰電池裝機量為4.5GWh,環比增長40.9%,產量達8.8GWh,占5月全國動力電池產量的63.6%。

          即使5月磷酸鐵鋰電池的裝機量未超越三元鋰電池,但從5月產量數據來看,磷酸鐵鋰電池逆襲三元鋰電池只是時間問題。

        ▲2021年5月動力電池產量數據,來源:中國汽車動力電池產業創新聯盟

          磷酸鐵鋰電池逆襲三元鋰電池,這對王傳福和比亞迪來說,是個好事。

          但對純電動車產業來說,這不是個好消息。

          雖然解決了動力電池安全性問題,但磷酸鐵鋰在能量密度等方面表現并不出色。在純電動車強調安全性的當下,磷酸鐵鋰逆襲無可厚非。但對于純電動車來說,僅僅安全是不夠的。

          成本高、能量密度不足、保值率低、充電慢、會自燃......從零部件的角度來看,純電動車所有的槽點都是源于電池。

          當你花30萬買下一輛純電動車時,就等于你花10萬買了一堆電池。這堆電池可能某一天會燒掉你的車、讓你的車在冬天趴窩、你需要到處找充電樁喂飽它,而且它貶值的速度超乎你想象。你受得了嗎?

          事實上,電池不行這件事,已經是常識。鋰電池技術的發展,早已進入一個相對停滯期。

          1982年,諾貝爾獎得主約翰·古迪納夫在牛津大學的研究組首次報道了鈷酸鋰正極材料的研究。1996年,同樣是約翰·古迪納夫,發現了磷酸鐵鋰材料性能優于傳統的正極材料,磷酸鐵鋰電池開始走出實驗室實現商業化。

          前述的鈷酸鋰電池及磷酸鐵鋰電池,就是當前純電動汽車所搭載的三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池的原型。這些技術早在二三十年前就已被提出或基本定型。

          即使現在單位鋰電池的能量密度逼近300Wh/kg,但電池技術的發展始終只是量變。后人在鋰電池問世的這幾十年里,翻爛元素周期表也沒有造出更合適的替代材料,只能通過改變材料配比,改進制作工藝以提升技術參數。

          最近幾年,純電動車市場受到資本追捧,電池技術發展滯后的問題被端上臺面。鋰電池制造工藝的改進與電池材料的微創新逐漸榨干磷酸鐵鋰電池的潛能,而三元鋰電池的安全性問題也遲遲得不到解決。

          市場對先進電池技術的需求與當下動力電池研發能力、制造工藝的錯配成為阻礙純電動車發展的主要矛盾。

          簡言之,看似先進且迅速發展的純電動車,是一個略顯畸形的產品。

          囿于電池技術的緩慢發展,“固態電池”、“石墨烯”等字眼成為新能源車企產品的賣點。這給市場一種錯覺,動力電池存在的諸多問題看似有很多解法。

          但截至目前,這些字眼只存在于PPT和實驗室里,車上還沒有。

          01 當企業開始造詞而不是造電池

          當純電動車市場滲透率逐步上升后,向往尖端科技的極客群體,已無法滿足市場膨脹的需求,新能源車企需要新的消費群體的青睞。

          純電動車想取代燃油車,從路線上來說很容易——解決電池問題。但現在的情況是這樣,電池問題還沒解決,為了“忽悠”新的人群,企業只能開動宣傳機器了。

          2021年以來,為了緩解行業和消費者對動力電池的焦慮,推出新型電池技術概念成為電池供應商和車企的日常。宣發新電池技術,既能提升純電動車企的科技品牌形象,又能拉一波股價,何樂而不為?

          5月21日,動力電池巨頭寧德時代宣布將于7月發布鈉離子電池。盡管寧德時代尚未公布鈉離子相關技術參數,但在鋰電池原材料價格持續波動的當下,寧德時代這一表態依舊點燃了資本市場。消息發布后,中鹽化工、華陽股份等鈉電池概念股一度漲停,寧德時代的市值也在隨后的5月31日短暫突破一萬億元人民幣關口。

          道理很簡單,鈉離子電池所需的鈉元素并不稀缺,如果鈉離子電池技術成功應用,寧德時代就有機會擺脫被上游原材料供應商吸血的局面,同時也意味著價格更低的電池問世。

          但在部分業內人士看來,鈉離子電池并不會改變現有動力電池技術路線的格局。

          “鈉電池現在最理想的技術指標也趕不上磷酸鐵鋰電池,只是比鉛酸電池好一點”,真鋰研究分析師墨柯對虎嗅表示。據業界推算,鈉電池從實驗室到大規模量產至少還需要5年時間。這意味著,寧德時代即將發布的鈉電池技術幾乎不會對當下的新能源汽車產業起到幫助。

          此外,寧德時代并不是第一個關注到鈉離子的企業。早在2013年,以鈉電池技術路線為突破方向的美國初創公司Aquion Energy就曾獲得比爾·蓋茨的投資。但在2017年這家公司就因融資失敗宣告破產。

          “鈉電池量產應用還存在諸多困難,目前寧德時代可能更多是想通過新的技術路線給上游供應商施壓的心態”,墨柯說。

          除寧德時代的鈉離子電池外,即將在國產特斯拉Model Y搭載的LG化學四元鋰電池也是近期動力電池技術進展的焦點之一。

          根據描述,LG化學的四元鋰電池因第四元素鋁及鎳的比例增加,大幅降低了正極材料中鈷的比例,有望將電池中的鈷元素含量大幅減少,從而實現成本的降低。在全球鈷產量極度波動導致動力電池成本上升的當下,四元鋰電池在無鈷化方面的技術成就是值得肯定的。但從根本來看,所謂的四元鋰電池仍舊是概念炒作。

          “現在的三元鋰電池不是只有三種元素,增加元素以改良電池性能很多企業都在做,LG化學的四元鋰電池只是在名字上有創新,如果其他企業愿意,現在市面上也能有五元鋰、六元鋰”,一位動力電池企業內部人士對虎嗅表示。

        ▲寧德時代對四元電池的回應,來源:萬得股票

          從特斯拉在2020電池日推出4680電池、無極耳技術以來,發明電池技術的風氣就已出現。

          2021年1月9日,蔚來汽車發布新車型ET7并推出一款單體能量密度達360Wh/kg的固態電池。據蔚來宣稱,搭載該電池包的ET7車型NEDC續航里程將超1000公里,而該電池包則計劃于2022年第四季度交付。

        ▲蔚來對其所發布固態電池的相關描述,來源:蔚來汽車官方微博

          在蔚來開完發布會后,1000公里續航幾乎成為新能源車企的新指標。隨后,在1月15日下午,廣汽也發布“黑科技”石墨烯快充電池。據廣汽描述,該石墨烯快充電池最快8分鐘就能充電至80%且單車續航里程可達1000公里。

          一夜之間,好像電池技術革命已經到來,“固態電池”、“石墨烯”不再遙遠,而1000公里續航更是輕而易舉,一切都變得科幻起來。

          隨后的1月16日,中國科學院院士歐陽明高在中國電動汽車百人會2021論壇對這股1000km風潮做出點評:“如果有人告訴你,這個車能跑1000km,幾分鐘能充滿電,還很安全,成本還很低,這是不可能的,大家不要相信?!?/FONT>

          除歐陽明高的回應外,多數業內觀點也認為蔚來所推出的360Wh/kg能量密度電池無法在2022年量產裝車。

          拋開量產難度,前述車企所提出的新型電池概念也并不具備革命性,其所使用的技術方法只能算“微創新”。

          以廣汽的石墨烯快充電池為例,這個名字看上去給人以一種廣汽已研發出純石墨烯電池的錯覺,但實際上廣汽只是在鋰電池中加入石墨烯材料作為導電劑。這項技術并非廣汽首創。石墨烯供應商昊鑫科技技術總監張曉鴻就曾公開表示,比亞迪秦、唐系列的電池都已采用石墨烯作為導電劑。

          而蔚來宣布推出的固態電池也不是真正的固態電池,雖然被定義為“固態電池”,但該電池實際上是半固態電池,仍需使用電解液、隔膜。

          在這波車企的電池概念創造中,除了能看出企業在營銷上的狡黠外,也不難發現動力電池已經很久沒有突破性的技術創新了。

          以特斯拉的2020年電池日為例,除了一百萬英里電池的跳票,特斯拉推出的“4680電池”、“無極耳”技術的概念也令人失望。

          其中,4680電池并不是電化學意義上的技術創新,是和目前寧德時代的CTP無模組技術、比亞迪刀片電池方向一致的大模組或者無模組結構改進。而特斯拉提出的“無極耳”電池的技術設想其實與消費電子電池的全極耳技術無異。

        ▲特斯拉對4680無極耳電池的相關參數描述,來源:特斯拉官方微博

          車企與電池廠商不斷在電池技術上做文章,無法改變電化學材料技術停滯的現實。當車企開始將電池技術作為賣點時,也正意味著電池的問題已成為全行業的焦慮。

          此外,對于在自動駕駛、智能網聯等領域并不突出的車企,電池的優劣在很大程度上就決定了車型的產品力。

          遺憾的是,車企們空有對動力電池技術的設想,沒有電芯研發制造能量。想解決電池問題,還要靠電池供應商。

          02 按下葫蘆浮起瓢

          動力電池業內通常會從能量密度、安全性、成本、使用壽命、耐溫性、補能速度等6個維度去評價一款動力電池的產品力。

          鋰電池一般以電池所采用的正極材料命名。而三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池的主要區別也在正極材料。磷酸鐵鋰材料是目前最安全的鋰離子電池正極材料,但其額定電壓是3.2V,在目前的主流正極材料中處于下游,所以磷酸鐵鋰電池的能量密度相對較低。而鋰鎳鈷錳等三元鋰電池正極材料的額定電壓普遍超過3.5V。

          雖然三元鋰電池的能量密度表現更好,但三元鋰電池的自燃溫度在200℃左右,遠低于磷酸鐵鋰500-800℃的自燃溫度。另外,三元鋰材料的化學反應更加劇烈,會釋放氧分子,在高溫作用下電解液會迅速燃燒,發生連鎖反應。

          這也是搭載三元鋰電池的純電動車頻繁自燃的原因。而三元鋰電池的電解液本身就是易燃物,所以從材料的角度出發,三元鋰電池的安全問題無法根治。

          在新能源汽車產業發展的各個階段,每個評價維度的權重也不同。在純電動車發展初期,里程焦慮是頭等難題,能量密度更高的三元鋰電池成為香餑餑。

          隨著動力電池工藝改進,純電動車續航追平燃油車,安全性成了新的問題。而在鋰、鈷等動力電池原材料價格持續波動的當下,成本問題也開始凸顯。

          令人遺憾的是,當電池安全性成為焦點時,市場上并未出現全新的電池以取代三元鋰電池。2020年以來,特斯拉、小鵬等車企接連開始轉向磷酸鐵鋰電池。即使磷酸鐵鋰有刀片電池、CTP等技術的加持,但從電化學材料的角度來看,市場選擇能量密度更低的磷酸鐵鋰是一種妥協。

          磷酸鐵鋰材料本身的能量密度提升,已觸及天花板。

          虎嗅在查閱工信部網站披露文件后發現,工信部新能源汽車推薦車型目錄中,多個選用磷酸鐵鋰電池的車企的不同車型能量密度均沒有變化。

          以宇通客車為例,在工信部2021年第五批新能源汽車推廣應用推薦車型目錄中,搭載寧德時代磷酸鐵鋰電池的宇通牌ZK6732BEVQZ3純電動客車能量密度為161.20Wh/kg,而在15個月前,工信部的2020年第一批新能源汽車推廣應用推薦車型目錄中,宇通牌ZK6815BEVG14純電動城市客車的能量密度為161.40Wh/kg。

        ▲關于宇通客車相關車型的信息,來源:工信部

          這意味著,宇通客車車型所搭載的磷酸鐵鋰電池能量密度至少已有15個月沒有提升?!坝钔ㄓ玫蔫F鋰電池是寧德時代最好的鐵鋰電池,能量密度兩三年沒提升過”,一位接近寧德時代的人士對虎嗅表示。

          眾所周知,鋰電池由正極片、負極片、隔膜、電解液、結構件等元件構成,鋰電池的充放電通過鋰離子在正負極之間的移動實現。在單位體積和重量的條件下,搬運更多能量或儲存更多鋰離子的電池能量密度就更高。

          在這樣的前提下,提升鋰電池能量密度的路徑就包括:1、在單位體積和重量條件下,讓鋰離子的搬運活動更頻繁。2、在單位體積和重量條件下,塞進更多鋰離子。

          而比亞迪刀片電池及寧德時代CTP技術就是通過改進鋰電池電芯結構以實現能量密度的提升。這相當于在商品房里減少公攤面積,增加住房的實際面積,對鋰離子來說是個好事。

          當前,由于三元鋰電池在安全性、成本等方面的劣勢,磷酸鐵鋰電池依舊有巨大的市場需求。固態電池等新型電池量產仍未有具體時間線,部分電池廠商選擇繼續在磷酸鐵鋰電池上下重注。

          2021年初,寧德時代中國區乘用車解決方案部總裁項延火就曾表示,寧德時代計劃通過對磷酸鐵鋰材料體系的設計與挖掘,將磷酸鐵鋰電池的能量密度提升至200Wh/kg-230Wh/kg。此外,比亞迪也曾表示磷酸鐵鋰電池材料仍有提升空間,在單體能量密度上也會通過材料體系和工藝的優化繼續提升。

          但從寧德時代的表態來看,磷酸鐵鋰電池未來能量密度的提升將更多從電芯結構入手。據項延火介紹,寧德時代目前正在開發第二代平臺化的CTP電池系統,計劃于2022年-2023年投放市場。

          磷酸鐵鋰這條技術路線上,未來的終極解決方案或許是類似于寧德時代CTC(Cell To Pack,將電芯集成到電池包)技術的電芯結構。寧德時代預計于2025年在車輛上應用CTC技術。

          即使改變電芯結構后的磷酸鐵鋰電池能量密度仍有提升空間,但當前三元鋰電池的能量密度仍以每年超過10%的增長率提高,等到2025年,采用CTC技術的磷酸鐵鋰在能量密度上將被三元鋰電池甩開一大截。

          磷酸鐵鋰前途未卜,改進三元鋰電池材料成為另一條突圍路徑。當前,LG化學與寧德時代等廠商都在探索超高鎳三元鋰電池,四元電池及811電池就是這條技術路線的產物。通過提高三元鋰電池中鎳元素的比例,可以將電池能量密度進一步提升并降低原材料成本。

          據前述接近寧德時代人士測算,未來超高鎳電池能量密度有望到達350Wh/kg。但在鎳含量超過 90% 后,電池的熱穩定性會迅速下降,同時容量保持率也開始下降。也就是安全性降低、更容易衰減。

          當前,改善高鎳三元電池安全性的主要方式是提升其結構穩定性。通過用鎂、鈦等元素摻雜和金屬氧化物的包覆以穩定電池的層結構。但這個解決方案并不完美,摻雜和包覆用量多會很大程度降低材料的容量,過少就不能很好地穩定材料的結構,因此無法從根本上解決高鎳三元材料的安全性問題。

          在這樣的情況下,一個既能保持電芯能量密度又可兼顧安全性的過渡性方案出現了——固混電池。通過將電池中的電解液換成固態電解質與電解液混合的狀態,可大幅提升電池的安全性。

          據前述人士介紹,當電解液占整體電解質的5%-10%時,動力電池的安全問題可基本解決。但如何提高固混電池的能量密度仍是個難題?!半娊庖旱拿芏冉咏拿芏?,但固態電解質的密度比電解液大很多,如果在相同體積的電池中加入固態電解質,電池的重量就會增加,同時意味著單位質量的能量密度降低”,他說。

          因此,想提升固混電池的能量密度,仍需在正負極材料上做文章。

          “當前所有技術路線的終點都是材料問題,我們的終極目標是解決電池材料的問題,如果解決不了就只能從其他方面改進,但改進終究是有極限的”,前述人士說。

          03 下一代電池何時到來?

          既然前述的這些電池都沒有成為“六邊形戰士”的潛力,那么誰行呢?

          電池能量密度的提升不同于集成電路容量的增長模式,儲能電池的能量密度提升是臺階式的,當新的電池材料體系確定時,電池的理論能量密度就已經確定。因此,只有發明出新的材料體系,電池能量密度的飛躍才有可能實現。

          上一次電池材料體系的更替,是鋰電池出現并超越鉛酸電池。也正因為鋰電池應用,我們才得以告別“大哥大”,用上智能機。當下的新能源汽車行業,需要這樣的革命再次發生。

        ▲工信部于2020年底發布的動力電池技術路線圖2.0,來源:工信部

          事實上,超越鋰離子電池能量密度的電池材料體系早已存在,但這些電池材料的量產應用都面臨基礎科學難題、技術瓶頸與工程化應用的挑戰。

          以目前業內認可度最高的全固態電池為例,采用鋰金屬為負極材料的全固態電池雖然可以從本質上提升電池的安全性與能量密度,但其所需的鋰金屬負極的枝晶問題在過去的三十多年中都沒有解決。

          此外,寧德時代創始人曾毓群也曾在接受采訪時表示,全固態電池所需的固態電解質中離子擴散速度僅為電解液的十分之一,若要提升能量密度只能將固態顆粒納米化。整體而言,根據當前的研發水平,全固態電池的能量密度并未超越液態鋰電池,且成本更高。如果全固態電池在技術上實現了突破,350Wh/kg甚至400Wh/kg的安全電芯也將成為現實。

          全固態電池的量產還存在諸多難題。但部分車企和電池廠商已給出全固態電池量產時間點。

          日前,LG新能源亞洲營銷總經理樸鎮庸在2021中國汽車論壇上透露,LG新能源正在著手開發擁有更優秀安全性能的聚合物和硫化物的全固態電池,爭取2026年實現量產。而寧德時代此前也曾表態,將在2025年左右量產全固態電池。

        ▲寧德時代此前發布的技術路線,來源:寧德時代官方

          然而,造出新型電池是一個系統性的工程,這需要全行業的努力、電池材料基礎科學發展和電池制造工藝的提升。

          此外,量產也不代表大規模商用?!爱斍皹I內估算全固態電池的成本比鋰電池高4倍以上,即便固態電池商用,也是先在消費電子產品上應用,等固態電池成本降下來才會在汽車上使用,悲觀一點的話,大規模商用要2030年”,墨柯說。

          電池技術的突破不會一蹴而就,新能源汽車零部件的切換也要經過時間的考驗。在全固態電池到來之前,三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池仍將繼續占領市場。

          但可以確定的是,當全固態電池開始大規模取代三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池時,燃油車將會被純電動車掃進歷史的垃圾堆。

          參考資料:

          1、《三元正極材料安全性及其改善方法》--趙甜夢

          2、《高能量密度鋰電池開發策略》--儲能科學與技術

          3、《鈷酸鋰正極材料與鋰離子電池的發展——2019 年諾貝爾化學獎解讀》--黃云輝

          4、《鋰離子動力電池技術現狀及發展趨勢》--科技進展

          5、《重新梳理動力電池技術路線與前景》--汽車縱橫

          6、《動力電池技術發展瓶頸分析及建議》--張微

          7、《新能源汽車電池技術發展瓶頸分析及對策研究》--張微

          8、《新能源汽車降本增效技術路線》--嚴佳麗

          9、《電動汽車新一代動力電池的研究現狀》--陶思成

          作者:梓楠法師

          來源:虎嗅APP

        標簽:純電動車 我要反饋 
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