未來(lái)五年 誰(shuí)是下一代動(dòng)力電池王者

新能源汽車的發(fā)展是一個(gè)系統(tǒng)工程,包括整車的正向研發(fā)、“三電”核心技術(shù)、輕量化、智能化等很多方面,但是最基礎(chǔ)和最重要的應(yīng)該是電池技術(shù)的突破,它是破解電動(dòng)汽車?yán)锍探箲]、成本過(guò)高、性能提升等諸多難題的關(guān)鍵要素。因此,電池產(chǎn)業(yè)應(yīng)該走在整個(gè)新能源汽車產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的最前列。未來(lái)的五年內(nèi),也就是到2023年左右,動(dòng)力電芯產(chǎn)品的研發(fā)和落地,以及工藝研究方面到底能進(jìn)展到多大的幅度,值得我們來(lái)仔細(xì)研究。

●中國(guó)動(dòng)力電池市場(chǎng)曾在磷酸鐵鋰路線堅(jiān)持了較長(zhǎng)時(shí)間,現(xiàn)已普遍轉(zhuǎn)向三元鋰的研發(fā)生產(chǎn)。

●看未來(lái)五年,高鎳三元正極+硅碳負(fù)極是提升比能量(續(xù)航)最可行的方案。

●固態(tài)電池短期內(nèi)無(wú)法派上用場(chǎng),預(yù)計(jì)2025年迎來(lái)量產(chǎn)應(yīng)用的節(jié)點(diǎn)。

●電池技術(shù)每年都有一些逐步的提升,但創(chuàng)新速度可能不及預(yù)期。

一、動(dòng)力電池電芯技術(shù)的革新

從中國(guó)新能源汽車推廣示范開(kāi)始,逐漸形成了磷酸鐵鋰的主體地位,大約從2010年“風(fēng)靡”到2015年,三元鋰則是后來(lái)居上。2015年的新能源汽車市場(chǎng)中,三元鋰和磷酸鐵鋰電池的配套占比還是“三七開(kāi)”,2016年“四六開(kāi)”,2017年接近打平,2018上半年三元鋰已經(jīng)開(kāi)始反超。

動(dòng)力電池從磷酸鐵鋰往三元鋰路線的轉(zhuǎn)移并不是一蹴而就,如下圖所示,在國(guó)內(nèi)快速轉(zhuǎn)化之前,國(guó)外電池企業(yè)已經(jīng)在電芯化學(xué)體系上做了一些變革。之所以給我們“忽如一夜春風(fēng)來(lái)”的感覺(jué),主要還是我們?cè)诹姿徼F鋰的路線上堅(jiān)持了比較長(zhǎng)的時(shí)間。當(dāng)2016年以后普遍轉(zhuǎn)向三元鋰電芯開(kāi)發(fā),一下子跟上了日韓的技術(shù)路徑。

『國(guó)外典型企業(yè)的電芯化學(xué)體系路徑演進(jìn)』

目前國(guó)內(nèi)三元材料動(dòng)力電池體系均為鎳鈷錳酸鋰(NCM)。鎳具有提高材料能量密度的作用, 根據(jù)三種過(guò)渡金屬離子占比不同,分為低鎳的NCM424、NCM333、NCM523和高鎳的NCM622、NCM811等材料。其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程主要是從低鎳的NCM333、523等向高鎳的622、811 方向發(fā)展。

對(duì)于整車而言,動(dòng)力電池有四大關(guān)鍵問(wèn)題需要重點(diǎn)突破:

●電芯價(jià)格:隨著新能源汽車補(bǔ)貼不斷退坡,未來(lái)的電池價(jià)格需要繼續(xù)往下降。分階段來(lái)說(shuō),在2021年初,電芯價(jià)格需要往下探到0.7元/Wh,約100美金/kWh;到2023年進(jìn)一步降低到6毛/Wh,約80美金/kWh。

●電芯壽命:現(xiàn)有NCM523體系的壽命大概是8到10年左右,重度使用的話耗損更快,預(yù)期是把壽命延長(zhǎng)到10年。

●電芯安全:提高電芯的安全性,改良的做法是逐步優(yōu)化電解液配方、隔膜等關(guān)鍵因素,需要更源頭化的安全機(jī)制。

●電芯能量密度:補(bǔ)貼政策每年都會(huì)給電池能量密度刻畫新的基準(zhǔn)線,國(guó)家也定下了《汽車產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》,到2020年實(shí)現(xiàn)電池單體能量密度300Wh/kg。

我們重點(diǎn)探討一下電池比能量對(duì)電動(dòng)汽車發(fā)展的影響。目前主要的純電動(dòng)汽車平臺(tái)規(guī)劃可以分為以下幾個(gè)檔次。電池裝載量普遍會(huì)從40kWh開(kāi)始,想要獲取更長(zhǎng)續(xù)航里程光增加電池是不夠的,電池本身的體積和重量都大,堆積得越多,反而會(huì)導(dǎo)致能耗增加續(xù)航減少。

目前主流的電池系統(tǒng)能量密度在140kWh/kg-160kWh/kg之間,續(xù)航里程設(shè)計(jì)已經(jīng)普遍達(dá)到350-400Km。 國(guó)內(nèi)高端電動(dòng)車型的規(guī)劃是在2020年左右,通過(guò)電芯設(shè)計(jì)的優(yōu)化,往上把續(xù)航里程提高到500Km。目前來(lái)看國(guó)外的大眾MEB平臺(tái)、寶馬的iNext系列和奔馳的EQ系列都是規(guī)劃了不同的能量密度,通過(guò)控制總的電池裝載量來(lái)選擇。

從主流電池廠商的進(jìn)展來(lái)看,產(chǎn)品迭代速度也分為激進(jìn)路線和平和路線,需要在滿足安全性、壽命等指標(biāo)的情況下,綜合考慮能量密度的提升。對(duì)于制造同一個(gè)大小的電池來(lái)說(shuō),電池瓦時(shí)數(shù)高了,每瓦時(shí)的制造成本就會(huì)降低。根據(jù)制造層面環(huán)境控制的要求,短期內(nèi)也有個(gè)產(chǎn)線改造的過(guò)程。

『國(guó)內(nèi)外主流電芯的能量密度提升路線』

目前圓柱型動(dòng)力電池已率先實(shí)現(xiàn)高鎳產(chǎn)品量產(chǎn),方形、軟包電池突破在即,預(yù)計(jì)2019年行業(yè)將迎來(lái)高鎳產(chǎn)品量產(chǎn)的普遍性突破。在其他類型的動(dòng)力技術(shù)突破前,高鎳三元正極產(chǎn)品生命周期預(yù)計(jì)至少五年。

二、固態(tài)電池應(yīng)用還有多遠(yuǎn)?

從主流電池供應(yīng)商的反饋來(lái)說(shuō),未來(lái)五年的電芯層面的技術(shù)研發(fā)可能較快,但是為了符合車輛的要求,實(shí)際應(yīng)用的迭代速度其實(shí)并沒(méi)有我們想象的更快。因此有部分汽車企業(yè)已經(jīng)在嘗試固態(tài)電池,以跨越式的路徑來(lái)解決問(wèn)題。

前段時(shí)間,大眾宣布向QuantumScape投資約1億美元,目標(biāo)是在2025年研發(fā)并擁有可量產(chǎn)的固態(tài)電池。大眾從很多年前開(kāi)始關(guān)注QuantumScape,2014年12月已持有后者5%的股權(quán),如今的1億美元為新增投資,這也說(shuō)明大眾對(duì)于后者的技術(shù)實(shí)現(xiàn)可能性較為確定。在日本,日本政府、日本電池制造商及本田、日產(chǎn)和豐田三大主要汽車制造商將聯(lián)合研發(fā)固態(tài)鋰離子電池。但是根據(jù)幾位大佬的表態(tài)來(lái)看,時(shí)間節(jié)點(diǎn)要在2025年后了。

日產(chǎn)研究與先進(jìn)工程高級(jí)副總裁Takao Asami接受采訪說(shuō),2025年前,固態(tài)電池技術(shù)還沒(méi)完善到用于電動(dòng)汽車中,障礙包括成本和生產(chǎn)難度等,現(xiàn)在基本上都還處于初始研究階段。豐田董事長(zhǎng)內(nèi)山田武也表示:“我們正在努力研究,如果想大規(guī)模量產(chǎn),還有一些問(wèn)題沒(méi)有解決”。這也說(shuō)明,固態(tài)電池在研發(fā)層面需要在內(nèi)部和外部創(chuàng)新公司共同解決,短期內(nèi)無(wú)法派上用處。

『車企的固態(tài)電池投資面臨著成本、生產(chǎn)工藝等很多現(xiàn)實(shí)的難題』

總結(jié):

冷靜下來(lái)看,近五年的動(dòng)力電池電芯技術(shù)每年都有一些逐步的提升,但考慮到要支撐整個(gè)電動(dòng)汽車的快速普及,電芯層面的創(chuàng)新速度可能不及我們的預(yù)期。綜合來(lái)看,2020年單純實(shí)現(xiàn)300Wh/kg的目標(biāo)是夠得著的,問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)了這個(gè)目標(biāo)是否就表示能用在電動(dòng)汽車上呢?答案并不確定。汽車動(dòng)力電池是一個(gè)系統(tǒng)工程,滿足比能量要求只是條件之一,其他性能(充放電倍率、功率、壽命、安全性等)也至關(guān)重要。在實(shí)現(xiàn)高比能量的目標(biāo)的基礎(chǔ)上,綜合發(fā)展、提高其他各項(xiàng)性能指標(biāo),還需要投入更多的時(shí)間和精力。