纯电动车的悲哀

“比亚迪刀片电池以一己之力把磷酸铁锂从边缘化拉回来”,在6月13日的2021年中国汽车重庆论坛上,比亚迪总裁王传福如是说。

磷酸铁锂电池在产销数据上的逆袭,给了王传福更多底气。据中汽协数据,2021年5月磷酸铁锂电池装机量为4.5GWh,环比增长40.9%,产量达8.8GWh,占5月全国动力电池产量的63.6%。即使5月磷酸铁锂电池的装机量未超越三元锂电池,但从5月产量数据来看,磷酸铁锂电池逆袭三元锂电池只是时间问题。

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2021年5月动力电池产量数据  来源:中国汽车动力电池产业创新联盟

磷酸铁锂电池逆袭三元锂电池,这对王传福和比亚迪来说,是个好事。但对纯电动车产业来说,这不是个好消息。

虽然解决了动力电池安全性问题,但磷酸铁锂在能量密度等方面表现并不出色。在纯电动车强调安全性的当下,磷酸铁锂逆袭无可厚非。但对于纯电动车来说,仅仅安全是不够的。

成本高、能量密度不足、保值率低、充电慢、会自燃…从零部件的角度来看,纯电动车所有的槽点都是源于电池。当你花30万买下一辆纯电动车时,就等于你花10万买了一堆电池。这堆电池可能某一天会烧掉你的车、让你的车在冬天趴窝、你需要到处找充电桩喂饱它,而且它贬值的速度超乎你想象。你受得了吗? 

事实上,电池不行这件事,已经是常识。锂电池技术的发展,早已进入一个相对停滞期。

1982年,诺贝尔奖得主约翰·古迪纳夫在牛津大学的研究组首次报道了钴酸锂正极材料的研究。1996年,同样是约翰·古迪纳夫,发现了磷酸铁锂材料性能优于传统的正极材料,磷酸铁锂电池开始走出实验室实现商业化。 

前述的钴酸锂电池及磷酸铁锂电池,就是当前纯电动汽车所搭载的三元锂电池与磷酸铁锂电池的原型。这些技术早在二三十年前就已被提出或基本定型。即使现在单位锂电池的能量密度逼近300Wh/kg,但电池技术的发展始终只是量变。后人在锂电池问世的这几十年里,翻烂元素周期表也没有造出更合适的替代材料,只能通过改变材料配比,改进制作工艺以提升技术参数。

最近几年,纯电动车市场受到资本追捧,电池技术发展滞后的问题被端上台面。锂电池制造工艺的改进与电池材料的微创新逐渐榨干磷酸铁锂电池的潜能,而三元锂电池的安全性问题也迟迟得不到解决。市场对先进电池技术的需求与当下动力电池研发能力、制造工艺的错配成为阻碍纯电动车发展的主要矛盾。

简言之,看似先进且迅速发展的纯电动车,是一个略显畸形的产品。 

囿于电池技术的缓慢发展,“固态电池”、“石墨烯”等字眼成为新能源车企产品的卖点。这给市场一种错觉,动力电池存在的诸多问题看似有很多解法。 

但截至目前,这些字眼只存在于PPT和实验室里,车上还没有。

当企业开始造词而不是造电池

当纯电动车市场渗透率逐步上升后,向往尖端科技的极客群体,已无法满足市场膨胀的需求,新能源车企需要新的消费群体的青睐。纯电动车想取代燃油车,从路线上来说很容易–解决电池问题。但现在的情况是这样,电池问题还没解决,为了“忽悠”新的人群,企业只能开动宣传机器了。

2021年以来,为了缓解行业和消费者对动力电池的焦虑,推出新型电池技术概念成为电池供应商和车企的日常。宣发新电池技术,既能提升纯电动车企的科技品牌形象,又能拉一波股价,何乐而不为? 

5月21日,动力电池巨头宁德时代宣布将于7月发布钠离子电池。尽管宁德时代尚未公布钠离子相关技术参数,但在锂电池原材料价格持续波动的当下,宁德时代这一表态依旧点燃了资本市场。消息发布后,中盐化工、华阳股份等钠电池概念股一度涨停,宁德时代的市值也在随后的5月31日短暂突破一万亿元人民币关口。

道理很简单,钠离子电池所需的钠元素并不稀缺,如果钠离子电池技术成功应用,宁德时代就有机会摆脱被上游原材料供应商吸血的局面,同时也意味着价格更低的电池问世。

但在部分业内人士看来,钠离子电池并不会改变现有动力电池技术路线的格局。

“钠电池现在最理想的技术指标也赶不上磷酸铁锂电池,只是比铅酸电池好一点”,真锂研究分析师墨柯对虎嗅表示。据业界推算,钠电池从实验室到大规模量产至少还需要5年时间。这意味着,宁德时代即将发布的钠电池技术几乎不会对当下的新能源汽车产业起到帮助。

此外,宁德时代并不是第一个关注到钠离子的企业。早在2013年,以钠电池技术路线为突破方向的美国初创公司Aquion Energy就曾获得比尔·盖茨的投资。但在2017年这家公司就因融资失败宣告破产。

“钠电池量产应用还存在诸多困难,目前宁德时代可能更多是想通过新的技术路线给上游供应商施压的心态”,墨柯说。

除宁德时代的钠离子电池外,即将在国产特斯拉Model Y搭载的LG化学四元锂电池也是近期动力电池技术进展的焦点之一。 

根据描述,LG化学的四元锂电池因第四元素铝及镍的比例增加,大幅降低了正极材料中钴的比例,有望将电池中的钴元素含量大幅减少,从而实现成本的降低。在全球钴产量极度波动导致动力电池成本上升的当下,四元锂电池在无钴化方面的技术成就是值得肯定的。但从根本来看,所谓的四元锂电池仍旧是概念炒作。 

“现在的三元锂电池不是只有三种元素,增加元素以改良电池性能很多企业都在做,LG化学的四元锂电池只是在名字上有创新,如果其他企业愿意,现在市面上也能有五元锂、六元锂”,一位动力电池企业内部人士对虎嗅表示。

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宁德时代对四元电池的回应 来源:万得股票

 从特斯拉在2020电池日推出4680电池、无极耳技术以来,发明电池技术的风气就已出现。

 2021年1月9日,蔚来汽车发布新车型ET7并推出一款单体能量密度达360Wh/kg的固态电池。据蔚来宣称,搭载该电池包的ET7车型NEDC续航里程将超1000公里,而该电池包则计划于2022年第四季度交付。

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 蔚来对其所发布固态电池的相关描述  来源:蔚来汽车官方微博

在蔚来开完发布会后,1000公里续航几乎成为新能源车企的新指标。随后,在1月15日下午,广汽也发布“黑科技”石墨烯快充电池。据广汽描述,该石墨烯快充电池最快8分钟就能充电至80%且单车续航里程可达1000公里。 

一夜之间,好像电池技术革命已经到来,“固态电池”、“石墨烯”不再遥远,而1000公里续航更是轻而易举,一切都变得科幻起来。

随后的1月16日,中国科学院院士欧阳明高在中国电动汽车百人会2021论坛对这股1000km风潮做出点评:“如果有人告诉你,这个车能跑1000km,几分钟能充满电,还很安全,成本还很低,这是不可能的,大家不要相信。“除欧阳明高的回应外,多数业内观点也认为蔚来所推出的360Wh/kg能量密度电池无法在2022年量产装车。 

抛开量产难度,前述车企所提出的新型电池概念也并不具备革命性,其所使用的技术方法只能算“微创新”。 

以广汽的石墨烯快充电池为例,这个名字看上去给人以一种广汽已研发出纯石墨烯电池的错觉,但实际上广汽只是在锂电池中加入石墨烯材料作为导电剂。这项技术并非广汽首创。石墨烯供应商昊鑫科技技术总监张晓鸿就曾公开表示,比亚迪秦、唐系列的电池都已采用石墨烯作为导电剂。

而蔚来宣布推出的固态电池也不是真正的固态电池,虽然被定义为“固态电池”,但该电池实际上是半固态电池,仍需使用电解液、隔膜。

在这波车企的电池概念创造中,除了能看出企业在营销上的狡黠外,也不难发现动力电池已经很久没有突破性的技术创新了。

以特斯拉的2020年电池日为例,除了一百万英里电池的跳票,特斯拉推出的“4680电池”、“无极耳”技术的概念也令人失望。其中,4680电池并不是电化学意义上的技术创新,是和目前宁德时代的CTP无模组技术、比亚迪刀片电池方向一致的大模组或者无模组结构改进。而特斯拉提出的“无极耳”电池的技术设想其实与消费电子电池的全极耳技术无异。

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特斯拉对4680无极耳电池的相关参数描述  来源:特斯拉官方微博 

车企与电池厂商不断在电池技术上做文章,无法改变电化学材料技术停滞的现实。当车企开始将电池技术作为卖点时,也正意味着电池的问题已成为全行业的焦虑。此外,对于在自动驾驶、智能网联等领域并不突出的车企,电池的优劣在很大程度上就决定了车型的产品力。 

遗憾的是,车企们空有对动力电池技术的设想,没有电芯研发制造能量。想解决电池问题,还要靠电池供应商。

按下葫芦浮起瓢 

动力电池业内通常会从能量密度、安全性、成本、使用寿命、耐温性、补能速度等6个维度去评价一款动力电池的产品力。

锂电池一般以电池所采用的正极材料命名。而三元锂电池与磷酸铁锂电池的主要区别也在正极材料。磷酸铁锂材料是目前最安全的锂离子电池正极材料,但其额定电压是3.2V,在目前的主流正极材料中处于下游,所以磷酸铁锂电池的能量密度相对较低。而锂镍钴锰等三元锂电池正极材料的额定电压普遍超过3.5V。

虽然三元锂电池的能量密度表现更好,但三元锂电池的自燃温度在200℃左右,远低于磷酸铁锂500-800℃的自燃温度。另外,三元锂材料的化学反应更加剧烈,会释放氧分子,在高温作用下电解液会迅速燃烧,发生连锁反应。这也是搭载三元锂电池的纯电动车频繁自燃的原因。而三元锂电池的电解液本身就是易燃物,所以从材料的角度出发,三元锂电池的安全问题无法根治。

在新能源汽车产业发展的各个阶段,每个评价维度的权重也不同。在纯电动车发展初期,里程焦虑是头等难题,能量密度更高的三元锂电池成为香饽饽。随着动力电池工艺改进,纯电动车续航追平燃油车,安全性成了新的问题。而在锂、钴等动力电池原材料价格持续波动的当下,成本问题也开始凸显。

令人遗憾的是,当电池安全性成为焦点时,市场上并未出现全新的电池以取代三元锂电池。2020年以来,特斯拉、小鹏等车企接连开始转向磷酸铁锂电池。即使磷酸铁锂有刀片电池、CTP等技术的加持,但从电化学材料的角度来看,市场选择能量密度更低的磷酸铁锂是一种妥协。

磷酸铁锂材料本身的能量密度提升,已触及天花板。

虎嗅在查阅工信部网站披露文件后发现,工信部新能源汽车推荐车型目录中,多个选用磷酸铁锂电池的车企的不同车型能量密度均没有变化。以宇通客车为例,在工信部2021年第五批新能源汽车推广应用推荐车型目录中,搭载宁德时代磷酸铁锂电池的宇通牌ZK6732BEVQZ3纯电动客车能量密度为161.20Wh/kg,而在15个月前,工信部的2020年第一批新能源汽车推广应用推荐车型目录中,宇通牌ZK6815BEVG14纯电动城市客车的能量密度为161.40Wh/kg。

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关于宇通客车相关车型的信息  来源:工信部

这意味着,宇通客车车型所搭载的磷酸铁锂电池能量密度至少已有15个月没有提升。“宇通用的铁锂电池是宁德时代最好的铁锂电池,能量密度两三年没提升过”,一位接近宁德时代的人士对虎嗅表示。

众所周知,锂电池由正极片、负极片、隔膜、电解液、结构件等元件构成,锂电池的充放电通过锂离子在正负极之间的移动实现。在单位体积和重量的条件下,搬运更多能量或储存更多锂离子的电池能量密度就更高。

在这样的前提下,提升锂电池能量密度的路径就包括:1、在单位体积和重量条件下,让锂离子的搬运活动更频繁。2、在单位体积和重量条件下,塞进更多锂离子。而比亚迪刀片电池及宁德时代CTP技术就是通过改进锂电池电芯结构以实现能量密度的提升。这相当于在商品房里减少公摊面积,增加住房的实际面积,对锂离子来说是个好事。 

当前,由于三元锂电池在安全性、成本等方面的劣势,磷酸铁锂电池依旧有巨大的市场需求。固态电池等新型电池量产仍未有具体时间线,部分电池厂商选择继续在磷酸铁锂电池上下重注。

2021年初,宁德时代中国区乘用车解决方案部总裁项延火就曾表示,宁德时代计划通过对磷酸铁锂材料体系的设计与挖掘,将磷酸铁锂电池的能量密度提升至200Wh/kg-230Wh/kg。此外,比亚迪也曾表示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。

但从宁德时代的表态来看,磷酸铁锂电池未来能量密度的提升将更多从电芯结构入手。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。

磷酸铁锂这条技术路线上,未来的终极解决方案或许是类似于宁德时代CTC(Cell To Pack,将电芯集成到电池包)技术的电芯结构。宁德时代预计于2025年在车辆上应用CTC技术。

即使改变电芯结构后的磷酸铁锂电池能量密度仍有提升空间,但当前三元锂电池的能量密度仍以每年超过10%的增长率提高,等到2025年,采用CTC技术的磷酸铁锂在能量密度上将被三元锂电池甩开一大截。

磷酸铁锂前途未卜,改进三元锂电池材料成为另一条突围路径。当前,LG化学与宁德时代等厂商都在探索超高镍三元锂电池,四元电池及811电池就是这条技术路线的产物。通过提高三元锂电池中镍元素的比例,可以将电池能量密度进一步提升并降低原材料成本。

据前述接近宁德时代人士测算,未来超高镍电池能量密度有望到达350Wh/kg。但在镍含量超过 90% 后,电池的热稳定性会迅速下降,同时容量保持率也开始下降。也就是安全性降低、更容易衰减。 

当前,改善高镍三元电池安全性的主要方式是提升其结构稳定性。通过用镁、钛等元素掺杂和金属氧化物的包覆以稳定电池的层结构。但这个解决方案并不完美,掺杂和包覆用量多会很大程度降低材料的容量,过少就不能很好地稳定材料的结构,因此无法从根本上解决高镍三元材料的安全性问题。 

在这样的情况下,一个既能保持电芯能量密度又可兼顾安全性的过渡性方案出现了–固混电池。通过将电池中的电解液换成固态电解质与电解液混合的状态,可大幅提升电池的安全性。 

据前述人士介绍,当电解液占整体电解质的5%-10%时,动力电池的安全问题可基本解决。但如何提高固混电池的能量密度仍是个难题。“电解液的密度接近水的密度,但固态电解质的密度比电解液大很多,如果在相同体积的电池中加入固态电解质,电池的重量就会增加,同时意味着单位质量的能量密度降低”,他说。 

因此,想提升固混电池的能量密度,仍需在正负极材料上做文章。 

“当前所有技术路线的终点都是材料问题,我们的终极目标是解决电池材料的问题,如果解决不了就只能从其他方面改进,但改进终究是有极限的”,前述人士说。

下一代电池何时到来? 

既然前述的这些电池都没有成为“六边形战士”的潜力,那么谁行呢? 

电池能量密度的提升不同于集成电路容量的增长模式,储能电池的能量密度提升是台阶式的,当新的电池材料体系确定时,电池的理论能量密度就已经确定。因此,只有发明出新的材料体系,电池能量密度的飞跃才有可能实现。

上一次电池材料体系的更替,是锂电池出现并超越铅酸电池。也正因为锂电池应用,我们才得以告别“大哥大”,用上智能机。当下的新能源汽车行业,需要这样的革命再次发生。纯电动车的悲哀

工信部于2020年底发布的动力电池技术路线图2.0 来源:工信部 

事实上,超越锂离子电池能量密度的电池材料体系早已存在,但这些电池材料的量产应用都面临基础科学难题、技术瓶颈与工程化应用的挑战。

以目前业内认可度最高的全固态电池为例,采用锂金属为负极材料的全固态电池虽然可以从本质上提升电池的安全性与能量密度,但其所需的锂金属负极的枝晶问题在过去的三十多年中都没有解决。

此外,宁德时代创始人曾毓群也曾在接受采访时表示,全固态电池所需的固态电解质中离子扩散速度仅为电解液的十分之一,若要提升能量密度只能将固态颗粒纳米化。整体而言,根据当前的研发水平,全固态电池的能量密度并未超越液态锂电池,且成本更高。如果全固态电池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。

全固态电池的量产还存在诸多难题。但部分车企和电池厂商已给出全固态电池量产时间点。日前,LG新能源亚洲营销总经理朴镇庸在2021中国汽车论坛上透露,LG新能源正在着手开发拥有更优秀安全性能的聚合物和硫化物的全固态电池,争取2026年实现量产。而宁德时代此前也曾表态,将在2025年左右量产全固态电池。

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宁德时代此前发布的技术路线 来源:宁德时代官方

然而,造出新型电池是一个系统性的工程,这需要全行业的努力、电池材料基础科学发展和电池制造工艺的提升。

此外,量产也不代表大规模商用。“当前业内估算全固态电池的成本比锂电池高4倍以上,即便固态电池商用,也是先在消费电子产品上应用,等固态电池成本降下来才会在汽车上使用,悲观一点的话,大规模商用要2030年”,墨柯说。

电池技术的突破不会一蹴而就,新能源汽车零部件的切换也要经过时间的考验。在全固态电池到来之前,三元锂电池和磷酸铁锂电池仍将继续占领市场。

但可以确定的是,当全固态电池开始大规模取代三元锂电池和磷酸铁锂电池时,燃油车将会被纯电动车扫进历史的垃圾堆。

参考资料:

1、《三元正极材料安全性及其改善方法》–赵甜梦

2、《高能量密度锂电池开发策略》–储能科学与技术

3、《钴酸锂正极材料与锂离子电池的发展——2019 年诺贝尔化学奖解读》–黄云辉

4、《锂离子动力电池技术现状及发展趋势》–科技进展

5、《重新梳理动力电池技术路线与前景》–汽车纵横

6、《动力电池技术发展瓶颈分析及建议》–张微

7、《新能源汽车电池技术发展瓶颈分析及对策研究》–张微

8、《新能源汽车降本增效技术路线》–严佳丽

9、《电动汽车新一代动力电池的研究现状》–陶思成

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