動力電池的大洗牌時代 誰將脫穎而出?

時間:2019-01-15
來源:第一電動網
分類:度度看車
在大洗牌時代到來之時,誰會被淘汰出局,誰繼續茍延殘喘,誰又將脫穎而出?

誠然,各個行業都會在不同的時間節點開啟洗牌工作。一成不變、不求革新之輩很容易被淘汰,相反,勇于創新、著眼未來的態度會讓自身能力值更加強大。結果則很簡單,前者被洗掉,后者將取代前者的位置。

20世紀70年代,鋰離子電池這個概念首次被提出并開始被研究。時至今日,三元鋰電池已成為汽車電動化的最核心元素。

然而,面對將到來的動力電池大洗牌時代,它信心滿滿,但又似乎憂心忡忡。因為技術,從不承認馬太效應。

就目前的新能源汽車市場來看,我們最為熟知的是三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池,可以說,這兩種動力電池撐起了現階段的全球電動化發展之路。

不過,隨著大家對于續航里程、充電時間、安全性等問題的愈發關注,“老家伙”們開始力不從心。人們在吐槽、抱怨、忍耐的同時,期盼著一種集高能量密度、高安全性、高效率充能、低成本于一身的電池類型早日出現。

“老家伙”腹背受敵,燃料電池、固態電池等“新勢力”伺機而動,利用燃料電池驅動的車型幾年前就已出現在市場當中。那么,在大洗牌時代到來之時,誰會被淘汰出局,誰繼續茍延殘喘,誰又將脫穎而出?

鋰電池,最主流也最危險

準確來說,應該稱之為“三元鋰離子電池”(以下簡稱三元鋰電池)。索尼公司在1991年發布了首個商用鋰離子電池,革命性地改變了消費電子產品的發展之路。如今,鋰離子電池是絕對的主流,3C市場一直依賴于它的存在,相對而言新能源汽車應用得則要晚一些。

不過正如前文所言,若不思進取,創新的浪潮早晚會將你拍打在落后的沙灘上。去年早些時候,世界上歷史悠久的、最有名望的科學雜志《自然》刊登了一篇文章,題為《距離鋰電子電池革命僅余10年》,這篇文章指出,鋰離子電池性能和價格的演進速度正在放緩。

深究原因,無非有二:

其一,技術瓶頸。電池,從本質上來說是一種能夠將儲存的化學能轉化為電能的設備。所以,在晶體結構中可以儲存的電量是有天花板的。就拿手機來說,隨著硬件水平的不斷提升,手機自身的技術與性能呈飛躍式發展,但配套鋰電池的升級之路卻依舊步履蹣跚。

較二十年前,可充電鋰離子電池在電池組所儲存能量方面提升了數倍,看似突飛猛進,實則遠遠不夠,尤其是相對于芯片、軟件等高新技術產業的更新速度。可以說,鋰電池從被需求、不可替代、主流,慢慢得在朝“被替代”前進。

應用到新能源汽車上之后,這種“緩慢”就更加突顯。車企們不可能在一款轎車上放入大量的三元鋰電池,原因很簡單——重量。隨著車重的同步提升,實際續航能力的上揚曲線終將歸于平直,再加上充電設施還未達到完善的程度,三元鋰電池在動力電池領域的發展勢必將率先走向抉擇點。

其二,材料。決定三元鋰電池性能的最主要因素是電池兩極的材料,特別是正極材料。鎳、鈷、錳,這三種金屬元素幾乎主宰了一切。其中,鎳元素最大的意義在于提升能量密度;鈷的作用是穩定材料的層狀結構,且能夠提高材料的循環和倍率性能。

不可或缺,導致了沒得選,這樣一來,鎳和鈷的價格在2017年呈現出了持續激增的狀態,市場供不應求。雖然在2018年下半年出現了下滑,但短期內的不可替代仍促使著價格蓄力反彈。多家正極材料企業和鋰電池企業紛紛表示,基于成本原因,一定要尋找替代品。

“NCM811(鎳:鈷:錳=8:1:1))”的出現讓三元鋰電池可以有力回擊質疑。原則上說,相對于已經成熟的“532”和“622”,811在鎳的占比上進一步得到了提升,能量密度增加的同時,成本隨之降低。隨著未來的進一步發展,無鈷鋰電池也在逐步浮出水面。

但凡事都有兩面性,NCM811也并非無懈可擊。不止一個專家曾指出,鎳比例越高,整個正極材料的熱穩定性就越差。高溫不穩定、低溫效能低本來就是三元鋰電池的短板,這樣一來,安全性成為了必須要優先逾越的障礙。

于是很多動力電池企業將重心放在了安全性上,蜂巢能源科技有限公司全球營銷副總裁Jeffrey Yambrick(嚴博瑞)對于NCM811十分看好,但也承認穩定性是必須要關注的問題:“NCM811關注的問題是如何在高溫下保證穩定性,我們進行了優化。在蜂巢能源的研發團隊通過正極材料的改進,使得正極材料能夠在零下20—60攝氏度正常工作,高溫140—150攝氏度使得阻抗增大3個數量級形成斷路,保證電芯的安全。”

坦白講,現在談論三元鋰電池的末日還為時過早,有朝一日一旦在材料上有所突破,亦或是在能量技術方面挑破了天花板,三元鋰電池的技術優勢將有望再一次得到發揮。

磷酸鐵鋰電池,何去何從

嚴格意義上說,磷酸鐵鋰電池也是鋰電池的一種,其指的是用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池。所以,其與三元鋰離子電池最本質的區別在于正極材料。

磷酸鐵鋰電池相對于三元鋰電池有著明顯的短板——能量密度低,僅憑這一點,似乎就可以一板磚將其拍死。但是別忘了,磷酸鐵鋰電池的優勢同樣突出,之所以在新能源物流車、客車、貨車上普遍采用磷酸鐵鋰電池,最大的原因就是因其高穩定性與低成本。

短期內,磷酸鐵鋰電池在小型城市代步車、商用車領域依舊有著穩定的市場,再加上2021年新能源車政策的取消,磷酸鐵鋰電池在成本方面的優勢將更為受用。

盡管能量密度沒有鋰電池高,但磷酸鐵鋰電池自身并未停止升級的腳步,突破200Wh/kg并非癡人說夢。“在磷酸鐵鋰電池上還是有很多的空間可以繼續開發出來,我們到現在一直沒有放棄磷酸鐵鋰電池,不斷的持續投入,我覺得這是一個正確的決策,做磷酸鐵鋰電池不會涉及到鎳金屬、鈷金屬等資源,所以有很大的發展。”國軒高科工程研究院總院院長蔡毅對磷酸鐵鋰電池的發展很有信心。

2017年,沃特瑪對磷酸鐵鋰材料的使用量達到近2萬噸,占據了近三成的市場份額。雖然在2018年,沃特瑪受債務危機影響一蹶不振,需求端變得更加集中,供應體系變化很大。但是,比亞迪、貝特瑞、北大先行等企業卻依舊計劃進一步擴產,這也從側面反映了動力電池企業對磷酸鐵鋰電池未來的一種預期。

新技術有戲沒戲

“真正意義的能源安全就是氫能源,真正意義的新能源汽車是燃料電池汽車。”明天氫能董事長王朝云對于自己從事的新能源領域頗為自信。

之所以王朝云把燃料電池看作是真正的新能源,并不僅僅是因為他是相關從業者,更重要在于他對這項技術本質的理解。他表示,燃料電池只需要氫氣和空氣,有了氫就可以用燃料電池,可以通過電化學反應轉化成電能和熱。就這個觀點而言,他說得不無道理。

我們身邊的純電動車用的是電驅動,電從哪里來?參考一年多前的數據,火電占全國發電量的比重為73.93%,水電占全國發電量的比重為18.26%。火力發電和水力發電,顧名思義,前者利用煤炭資源燃燒時產生的熱能,通過發電動力裝置轉換成電能,后者則是將水能轉換為電能。

不用多說大家都能明白,無論是源頭的資源利用,還是后期的排放,大部分電力都不可能百分之百的實現清潔無污染,利用的也都是傳統能源,所以何來新能源之說?

說回正題,作為氫燃料電池,其工作原理是電解水的逆反應,即將氫氣和空氣中的氧氣進行化學反應,然后產生電能(電荷轉移形成電流)和水,反應的地方便是燃料電池堆。氫燃料電池有兩個特點需要特別關注,其一,其使用的是宇宙最為豐富的氫元素,不會存在資源枯竭的問題;其二,在整個工作過程中,排出的唯一廢物是“水”,不存在污染問題。

此外,氫燃料電池車的加氫效率很高,基本上和加油的時間差不多。續航里程方面,目前量產的幾款車型,如本田Clarity、豐田Mirai等均可以達到500公里以上。

但是,燃料電池也有它的問題:一個是成本,另一個是安全。在這里不做技術層面的贅述,舉幾個鮮活的例子:目前加氫站的成本至少需要2000萬人民幣左右,這還不算土地成本。由于氫燃料電池車需要完備的儲氫設備,所以成本也很高。根據豐田和日產的日本官網顯示,豐田Mirai在日本的售價要比日產LEAF貴上一倍。

此外安全也是大問題,氫不穩定,遇到空氣可燃,并且無色無味,如果車內儲氫瓶無法做到碰撞后的絕對密封,或是及時排出氫氣,一旦發生車輛碰撞,后果將不堪設想。

王朝云認為,從現在的技術水平角度和性能角度來講,中國氫燃料電池技術和日韓水平幾乎接近。對于安全問題,他對技術層面很有信心,“我們的燃料電池,氫氣跟空氣可以隔離,要用的時候就用,不用的時候就隔離,隔離就不會燃燒爆炸。”

2018年底,全國政協副主席、致公黨中央主席、中國科學技術協會主席萬鋼曾撰文表示,“純電動汽車的短板是續駛里程和充電時間,尚不能滿足量大面廣的遠程公交、雙班出租、城市物流、長途運輸等市場需求。為此,應及時把產業化重點向燃料電池汽車拓展。”雖然目前還存在這樣那樣的問題,但燃料電池的優勢太過于突出,對企業們的誘惑太大,如果給它時間,規模化也并非完全不可能。

固態電池要比燃料電池看上去更遠一些,但從電池結構角度來說,其和現在的三元鋰電池要更接近,固態電池與后者最明顯的區別,就是采用的電解質為固態結構。

不要小瞧這個變化,Fisker曾宣稱,他們的固態電池已經申請了專利,其能量密度是傳統鋰電池的2.5倍,具備9分鐘恢復160公里的續航能力。相對于三元鋰電池,固態電池有著高能量密度和高穩定性的特點,但在電導率方面是短板。

目前很多整車企業、動力電池企業都在布局研發固態電池,其中包括大眾、豐田、寶馬、博世、日立、戴森等,國內的動力電池企業也有了一定的相關技術儲備,其中寧德時代CATL早已獲得了固態電解質膜片及鋰離子電池、鋰離子電池的固態電解質材料等多項專利。

目前對于固態電池的研發還處于技術儲備階段,離規模化量產還有很長一段路要走。“目前特別熱的固態電池,在行業內的判斷,其真正能夠成功的以同等略高一點的能量在新能源汽車上示范運營,還是要至少3-5年的時間。”安徽利維能動力電池董事長孫曉東給出了一個他心目中的落地時間表。

固態電池的意義不在于短期內的替代,而是著眼未來。無論是技術特點還是接受度,固態電池在很多人眼中是一個完美的選項。雖然這個完美的存在離最終規模化還有距離,但從半固態液流電池這個“過渡”技術入手,或許可以容易很多。

通常來講,某一個領域不會只允許單一技術存在,多種技術相輔相成要更為實際。磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池全力突破瓶頸,并分別主攻商用車和乘用車市場;燃料電池和固態電池布局未來,為前兩者提供技術方向支持。洗牌的重點不在于洗掉誰,而是最終留下誰。

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