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动力电池的大洗牌时代

2019-01-21 07:56
来源: 汽车商业评论

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  诚然,各个行业都会在不同的时间节点开启洗牌工作。一成不变、不求革新之辈很容易被淘汰,相反,勇于创新、着眼未来的态度会让自身能力值更加强大。结果则很简单,前者被洗掉,后者将取代前者的位置。

  20世纪70年代,锂离子电池这个概念首次被提出并开始被研究。时至今日,三元锂电池已成为汽车电动化的最核心元素。

  然而,面对将到来的动力电池大洗牌时代,它信心满满,但又似乎忧心忡忡。因为技术,从不承认马太效应。

  就目前的新能源汽车市场来看,我们最为熟知的是三元锂电池和磷酸铁锂电池,可以说,这两种动力电池撑起了现阶段的全球电动化发展之路。

  不过,随着大家对于续航里程、充电时间、安全性等问题的愈发关注,“老家伙”们开始力不从心。人们在吐槽、抱怨、忍耐的同时,期盼着一种集高能量密度、高安全性、高效率充能、低成本于一身的电池类型早日出现。

  “老家伙”腹背受敌,燃料电池、固态电池等“新势力”伺机而动,利用燃料电池驱动的车型几年前就已出现在市场当中。那么,在大洗牌时代到来之时,谁会被淘汰出局,谁继续苟延残喘,谁又将脱颖而出?

  锂电池,最主流也最危险

  准确来说,应该称之为“三元锂离子电池”(以下简称三元锂电池)。索尼公司在1991年发布了首个商用锂离子电池,革命性地改变了消费电子产品的发展之路。如今,锂离子电池是绝对的主流,3C市场一直依赖于它的存在,相对而言新能源汽车应用得则要晚一些。

  不过正如前文所言,若不思进取,创新的浪潮早晚会将你拍打在落后的沙滩上。去年早些时候,世界上历史悠久的、最有名望的科学杂志《自然》刊登了一篇文章,题为《距离锂电子电池革命仅余10年》,这篇文章指出,锂离子电池性能和价格的演进速度正在放缓。

  深究原因,无非有二:

  其一,技术瓶颈。电池,从本质上来说是一种能够将储存的化学能转化为电能的设备。所以,在晶体结构中可以储存的电量是有天花板的。就拿手机来说,随着硬件水平的不断提升,手机自身的技术与性能呈飞跃式发展,但配套锂电池的升级之路却依旧步履蹒跚。

  较二十年前,可充电锂离子电池在电池组所储存能量方面提升了数倍,看似突飞猛进,实则远远不够,尤其是相对于芯片、软件等高新技术产业的更新速度。可以说,锂电池从被需求、不可替代、主流,慢慢得在朝“被替代”前进。

  应用到新能源汽车上之后,这种“缓慢”就更加突显。车企们不可能在一款轿车上放入大量的三元锂电池,原因很简单——重量。随着车重的同步提升,实际续航能力的上扬曲线终将归于平直,再加上充电设施还未达到完善的程度,三元锂电池在动力电池领域的发展势必将率先走向抉择点。

  其二,材料。决定三元锂电池性能的最主要因素是电池两极的材料,特别是正极材料。镍、钴、锰,这三种金属元素几乎主宰了一切。其中,镍元素最大的意义在于提升能量密度;钴的作用是稳定材料的层状结构,且能够提高材料的循环和倍率性能。

  不可或缺,导致了没得选,这样一来,镍和钴的价格在2017年呈现出了持续激增的状态,市场供不应求。虽然在2018年下半年出现了下滑,但短期内的不可替代仍促使着价格蓄力反弹。多家正极材料企业和锂电池企业纷纷表示,基于成本原因,一定要寻找替代品。

  “NCM811(镍:钴:锰=8:1:1))”的出现让三元锂电池可以有力回击质疑。原则上说,相对于已经成熟的“532”和“622”,811在镍的占比上进一步得到了提升,能量密度增加的同时,成本随之降低。随着未来的进一步发展,无钴锂电池也在逐步浮出水面。

  但凡事都有两面性,NCM811也并非无懈可击。不止一个专家曾指出,镍比例越高,整个正极材料的热稳定性就越差。高温不稳定、低温效能低本来就是三元锂电池的短板,这样一来,安全性成为了必须要优先逾越的障碍。

  于是很多动力电池企业将重心放在了安全性上,蜂巢能源科技有限公司全球营销副总裁Jeffrey Yambrick(严博瑞)对于NCM811十分看好,但也承认稳定性是必须要关注的问题:“NCM811关注的问题是如何在高温下保证稳定性,我们进行了优化。在蜂巢能源的研发团队通过正极材料的改进,使得正极材料能够在零下20—60摄氏度正常工作,高温140—150摄氏度使得阻抗增大3个数量级形成断路,保证电芯的安全。”

  坦白讲,现在谈论三元锂电池的末日还为时过早,有朝一日一旦在材料上有所突破,亦或是在能量技术方面挑破了天花板,三元锂电池的技术优势将有望再一次得到发挥。

  磷酸铁锂电池,何去何从

  严格意义上说,磷酸铁锂电池也是锂电池的一种,其指的是用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。所以,其与三元锂离子电池最本质的区别在于正极材料。

  磷酸铁锂电池相对于三元锂电池有着明显的短板——能量密度低,仅凭这一点,似乎就可以一板砖将其拍死。但是别忘了,磷酸铁锂电池的优势同样突出,之所以在新能源物流车、客车、货车上普遍采用磷酸铁锂电池,最大的原因就是因其高稳定性与低成本。

  短期内,磷酸铁锂电池在小型城市代步车、商用车领域依旧有着稳定的市场,再加上2021年新能源车政策的取消,磷酸铁锂电池在成本方面的优势将更为受用。

  尽管能量密度没有锂电池高,但磷酸铁锂电池自身并未停止升级的脚步,突破200Wh/kg并非痴人说梦。“在磷酸铁锂电池上还是有很多的空间可以继续开发出来,我们到现在一直没有放弃磷酸铁锂电池,不断的持续投入,我觉得这是一个正确的决策,做磷酸铁锂电池不会涉及到镍金属、钴金属等资源,所以有很大的发展。”国轩高科工程研究院总院院长蔡毅对磷酸铁锂电池的发展很有信心。

  2017年,沃特玛对磷酸铁锂材料的使用量达到近2万吨,占据了近三成的市场份额。虽然在2018年,沃特玛受债务危机影响一蹶不振,需求端变得更加集中,供应体系变化很大。但是,比亚迪、贝特瑞、北大先行等企业却依旧计划进一步扩产,这也从侧面反映了动力电池企业对磷酸铁锂电池未来的一种预期。

  新技术有戏没戏

  “真正意义的能源安全就是氢能源,真正意义的新能源汽车是燃料电池汽车。”明天氢能董事长王朝云对于自己从事的新能源领域颇为自信。

  之所以王朝云把燃料电池看作是真正的新能源,并不仅仅是因为他是相关从业者,更重要在于他对这项技术本质的理解。他表示,燃料电池只需要氢气和空气,有了氢就可以用燃料电池,可以通过电化学反应转化成电能和热。就这个观点而言,他说得不无道理。

  我们身边的纯电动车用的是电驱动,电从哪里来?参考一年多前的数据,火电占全国发电量的比重为73.93%,水电占全国发电量的比重为18.26%。火力发电和水力发电,顾名思义,前者利用煤炭资源燃烧时产生的热能,通过发电动力装置转换成电能,后者则是将水能转换为电能。

  不用多说大家都能明白,无论是源头的资源利用,还是后期的排放,大部分电力都不可能百分之百的实现清洁无污染,利用的也都是传统能源,所以何来新能源之说?

  说回正题,作为氢燃料电池,其工作原理是电解水的逆反应,即将氢气和空气中的氧气进行化学反应,然后产生电能(电荷转移形成电流)和水,反应的地方便是燃料电池堆。氢燃料电池有两个特点需要特别关注,其一,其使用的是宇宙最为丰富的氢元素,不会存在资源枯竭的问题;其二,在整个工作过程中,排出的唯一废物是“水”,不存在污染问题。

  此外,氢燃料电池车的加氢效率很高,基本上和加油的时间差不多。续航里程方面,目前量产的几款车型,如本田Clarity、丰田Mirai等均可以达到500公里以上。

  但是,燃料电池也有它的问题:一个是成本,另一个是安全。在这里不做技术层面的赘述,举几个鲜活的例子:目前加氢站的成本至少需要2000万人民币左右,这还不算土地成本。由于氢燃料电池车需要完备的储氢设备,所以成本也很高。根据丰田和日产的日本官网显示,丰田Mirai在日本的售价要比日产LEAF贵上一倍。

  此外安全也是大问题,氢不稳定,遇到空气可燃,并且无色无味,如果车内储氢瓶无法做到碰撞后的绝对密封,或是及时排出氢气,一旦发生车辆碰撞,后果将不堪设想。

  王朝云认为,从现在的技术水平角度和性能角度来讲,中国氢燃料电池技术和日韩水平几乎接近。对于安全问题,他对技术层面很有信心,“我们的燃料电池,氢气跟空气可以隔离,要用的时候就用,不用的时候就隔离,隔离就不会燃烧爆炸。”

  2018年底,全国政协副主席、致公党中央主席、中国科学技术协会主席万钢曾撰文表示,“纯电动汽车的短板是续驶里程和充电时间,尚不能满足量大面广的远程公交、双班出租、城市物流、长途运输等市场需求。为此,应及时把产业化重点向燃料电池汽车拓展。”虽然目前还存在这样那样的问题,但燃料电池的优势太过于突出,对企业们的诱惑太大,如果给它时间,规模化也并非完全不可能。

  固态电池要比燃料电池看上去更远一些,但从电池结构角度来说,其和现在的三元锂电池要更接近,固态电池与后者最明显的区别,就是采用的电解质为固态结构。

  不要小瞧这个变化,Fisker曾宣称,他们的固态电池已经申请了专利,其能量密度是传统锂电池的2.5倍,具备9分钟恢复160公里的续航能力。相对于三元锂电池,固态电池有着高能量密度和高稳定性的特点,但在电导率方面是短板。

  目前很多整车企业、动力电池企业都在布局研发固态电池,其中包括大众、丰田、宝马、博世、日立、戴森等,国内的动力电池企业也有了一定的相关技术储备,其中宁德时代CATL早已获得了固态电解质膜片及锂离子电池、锂离子电池的固态电解质材料等多项专利。

  目前对于固态电池的研发还处于技术储备阶段,离规模化量产还有很长一段路要走。“目前特别热的固态电池,在行业内的判断,其真正能够成功的以同等略高一点的能量在新能源汽车上示范运营,还是要至少3-5年的时间。”安徽利维能动力电池董事长孙晓东给出了一个他心目中的落地时间表。

  固态电池的意义不在于短期内的替代,而是着眼未来。无论是技术特点还是接受度,固态电池在很多人眼中是一个完美的选项。虽然这个完美的存在离最终规模化还有距离,但从半固态液流电池这个“过渡”技术入手,或许可以容易很多。

  通常来讲,某一个领域不会只允许单一技术存在,多种技术相辅相成要更为实际。磷酸铁锂电池和三元锂电池全力突破瓶颈,并分别主攻商用车和乘用车市场;燃料电池和固态电池布局未来,为前两者提供技术方向支持。洗牌的重点不在于洗掉谁,而是最终留下谁。

(文章来源:汽车商业评论)

(责任编辑:DF381)

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