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材料决定性能、形态决定未来?动力电池技术争夺战升级

作者:记者 王帅国 来源:经济观察网 发布时间:2022-09-17 浏览:

中国储能网讯:新能源汽车发展十多年来,没有比今天更有活力的时刻了。在整车领域,纯电动、混动、插电混动、增程式混动、氢能等多条路线,由多年前的争议攻伐走到了如今并行发展的阶段。新能源汽车市场的扩容,为秉持各种动力路线的车型带来了发展空间,虽然仍不乏争吵“内耗”,但更多的是包容。

而在被视为新能源汽车“心脏”的动力电池领域,攻伐论战的烈度多年来未明显降低,甚至到今天还有增无减。什么才是动力电池的终极形态?每个玩家都想试图证明自己就是那个天选之子。

对于材料体系、电池形态、制造工艺的争论,随着一家软包电池企业的高调发言再度被挑起。9月9月,国内软包电池头部企业孚能科技董事长王瑀在一场公开发布会上表示:“明年开始软包电池市占率会大幅增加”“软包叠片是动力电池的未来”。

什么样的动力电池代表着行业的未来?是方型电池、圆柱电池、软包电池,抑或固态电池?实际上这个问题难有明确答案。

与电池形态上的比拼相比,电池材料体系之间的较量也在激烈追逐。多年前磷酸铁锂“称王”,如今三元锂后来居上,而最近两年磷酸铁锂再度回归。你追我赶之间,全球汽车产业的面貌也在跟随着跳动。宁德时代(300750)、比亚迪(002594)、松下、LG等巨头之间的市场排位不断变化。一些二三线动力电池企业也在虎视眈眈地盯着头把交椅的位置。

正因为动力电池对车企的至关重要性,当全球新能源汽车渗透率快速增长的同时,一批车企也想要掌握自己的电池话语权,特斯拉、比亚迪、大众、丰田、通用、福特、奔驰、宝马,无一不希望自建电池厂。而国内各大车企,纷纷推出自己的电池技术品牌,以彰显自己电池技术的先进性。

但如此百家争鸣的局面背后,实质上是动力电池面临了难以逾越的物理与化学天花板。动力电池能量密度已经接近理论最高值,但继续提高电池性能又是用户与市场的期望。在这一两难的境况下,动力电池实际上需要在技术为王的基础上,更多地向市场为王的逻辑演进。

材料体系之争暂告段落

现在新能源汽车上使用的锂电池,1976年由英国的科学家M.Stan-leyWhittingham所发明。到20世纪90年代,日本的索尼公司将锂离子电池商业化。

此后,在日产、松下、LG化学、特斯拉等车企与电池厂商的推动之下,锂离子电池开始逐渐进入汽车市场。

在中国2009年开始发展新能源汽车时,日韩的电池技术已经处于领先地位。因此,在行业发展早期,松下、LG化学、三星SDI等日韩企业一度占据中国动力(600482)电池大部分市场份额。

2015年,国家出于促进国内动力电池企业平稳发展的目的,出台了《汽车动力蓄电池行业规范条件》,并配套了四批符合条件的企业名单(俗称“动力电池白名单”),将日韩动力电池企业拒之门外。

在财政资金的持续补贴之下,宁德时代、比亚迪、国轩高科(002074)、孚能科技等一众企业发展迅速。不过,国内动力电池的竞争格局也经历了由比亚迪领衔,到后来宁德时代一家独大,再到如今,二三线电池企业追赶的几个阶段。

这其中,国家补贴政策的驱动对于动力电池的材料体系等影响深远。从刚开始的注重安全,到后来慢慢提高对于能力密度的要求,动力电池的材料体系也经历了以磷酸铁锂为主到以三元锂为主的更替。如今随着补贴的退出,磷酸铁锂凭借着成本更加低廉、安全系数更高的优势,市场占有率又重新回到50%以上。

中汽协发布的最新数据显示:2022年1-8月,中国动力电池累计装车量162.1GWh,累计同比增长112.3%。其中三元电池累计装车量66.0GWh,占总装车量40.7%,累计同比增长61.1%;磷酸铁锂电池累计装车量95.9GWh,占总装车量59.2%,累计同比增长172.2%。无论是装车量还是增速,磷酸铁锂电池都已经远超三元锂电池。

锂、镍、钴、锰等是构成动力电池的基本原料。简单而言,因几大元素的配比不同,便形成不同的电池性能。从这个角度,钠离子电池、无钴电池等新材料电池也开始被研究应用。

在经历了十余年的发展后,行业更清醒地意识到,实际上每一种电池都有其最合适的应用场景,不再争论究竟谁会统治市场,谁会随着时代的发展而消逝。目前,国内形成的共识是,未来三元锂市场凭借更高的能量密度,将占据大部分高端车市场;而对续航里程要求不那么高的中低端汽车市场,则主要将以磷酸铁锂电池为主。

外观形态之争烽火四起

虽业界对于动力电池材料有了一定的共识,但在电池的形态方面又起了争执。由于方型电池具有内阻小、循环寿命长、封装可靠度高、耐受性好、成组相对简单、系统能量效率高等优势,多年来始终占据着主流的市场地位。

来自中国汽车工业协会与高工产业研究院的数据显示,2017年至2021年,方型电池在中国动力电池市场的占比从57.5%上升至86.5%;软包电池在中国动力电池市场的占比从15.3%下降至7.4%;圆柱电池在中国动力电池市场的占比从27.2%下降至6.2%。

在国际市场上,方型电池的占比并不如国内市场。起点研究院发布的数据显示,在全球范围内,今年上半年方型电池装机量133.8GWh,占比65.2%;软包电池装机量41.6GWh,占比 20.3%;圆柱电池装机量29.7GWh,占比14.5%。

不过,当行业将固态电池作为未来的发展方向之一后,动力电池形态上又出现了巨大变数。在上述孚能科技的发布会上,王瑀对外喊出了“软包叠片是动力电池的未来”的口号,其理论正是基于对电池形态的全新理解。

据王瑀介绍:“软包电池与方型和圆柱电池不同的地方在于它的包装材料,软包电池的包装材料是铝塑膜,方型和圆柱电池包装材料主要是铝壳、钢壳。软包电池可以包含叠片、卷绕两种工艺;也可以包含任何的材料,正极材料从磷酸铁锂到三元锂,固体材料可以从石墨到硅碳;电解质也可以从液态组织到半固态再到固态,所以它是包罗万象的。”

独立财经智库远川研究院曾在有关软包电池生存现状的一篇文章中指出,目前动力电池厂都在研发固态电池,由于使用固态电解质,柔软性不足,只能使用叠片方式,因此无法使用圆柱封装方式,使用方型封装则会削弱它的能量密度优势,反倒是软包封装和固态电池是最适配的。

未来总是存在诸多不确定性,软包的电池形态能否在固态电池时代迎来飞跃,目前还不能下结论。

此外,许多汽车厂商也推出了一系列新的电池技术品牌,如比亚迪的刀片电池,宁德时代的麒麟电池,广汽埃安的弹匣电池、岚图的云母、琥珀电池,上汽的躺式电池,等等。这些电池也在强调电池形态与结构的功效。但更多情况下,它们采取的是外购电芯+电池包结构创新的模式,虽宣扬不起火不爆炸,但严格而言属于品牌营销语境,与真正的技术突破还有距离。

行业盼望质的飞跃

目前来看,全球的动力电池厂商依旧在围绕着能量密度、安全性、循环寿命、充电速度等消费者面临的痛点做相应的提升工作。

但行业面临的一个重要问题是,作为动力电池的核心指标之一,已经接近量产的新产品的能量密度,已经达到甚至超过理论最高值300Wh/kg。

例如,特斯拉即将于今年年底实现大规模生产的4680电池单体能量密度已达到300Wh/kg,而它的电池组能量密度为217Wh/kg;今年6月,宁德时代发布的第三代 CTP技术——麒麟电池,电池组能量密度更是已经达到255Wh/kg。

根据宁德时代官方的描述,在相同的电化学体系、电池包尺寸下,材料用三元高镍版的麒麟电池,比同体积的特斯拉4680高出13%的能量密度。

近期,孚能科技发布的SPS大软包电池系统,由于采用高效液冷板与底盘的一体化设计,半固态大软包电芯直接集成于系统底盘(省去了电池模组),使系统零部件减少50%,体积利用率增加30%至75%,比宁德时代麒麟电池的体积利用率还要高出3个百分点。这意味着,在同等条件下,SPS大软包电池系统能量密度比后者还要高出一些。

在能量密度已经达到最高值后,安全性能、低温情况下的使用性能与充电速度的重要性愈发凸显出来。时不时被爆出的新能源车失火、爆炸,假期排队数小时充电的报道,每次都会引发一波又一波关于新能源汽车技术成熟与否的谈论。

因此,电池厂商与车企想尽了一切办法,在电池系统中使用高效液冷板、导热片、纳米保温材料,以及高效排气通、低温快速自加热设计、全极耳技术等等。充电方面,则是电池厂商与充电桩厂商在相互配合,同时提高电芯的充电倍率与充电桩的电流、电压。

但这些问题的解决方案,或由于实际效果并不如商家宣传的那么好,或由于新的解决方案还没有被消费者感受到,因此市面上的质疑之声仍不在少数。

因此,理论能量密度可以达到500Wh/kg、不需要可燃液体作为电解质的固态电池,被行业看作是目前解决上述多个问题的最佳方案。但目前还没有真正的技术能力实现固态电解液,于是半固态电池充当起中间过渡品。

今年3月,在2022中国电动汽车百人会论坛上,中国科学院院士欧阳明高表示,中国动力电池产业化的目标为:到2025年,液态体系电池单体能量密度将达到350Wh/kg;2030年,液态电池向固态电池过渡的固液混合体系电池单体能量密度为400Wh/kg;2035年,准/全固态体系电池单体能量密度将达500Wh/kg。

这也意味着,现在距离液态体系电池发展至固态体系电池至少还需要十余年的时间。在这期间,是否会出现性能更好的电池化材料体系,软包电池是否会取代方型电池成为主流,一切都还是一个未知数。

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关键字:锂电池

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