新能源汽车的发展是一个系统工程,包括整车的正向研发、“三电”核心技术、轻量化、智能化等很多方面,但是最基础和最重要的应该是电池技术的突破,它是破解电动汽车里程焦虑、成本过高、性能提升等诸多难题的关键要素。因此,电池产业应该走在整个新能源汽车产业创新的最前列。未来的五年内,也就是到2023年左右,动力电芯产品的研发和落地,以及工艺研究方面到底能进展到多大的幅度,值得我们来仔细研究。

●中国动力电池市场曾在磷酸铁锂路线坚持了较长时间,现已普遍转向三元锂的研发生产。

●看未来五年,高镍三元正极+硅碳负极是提升比能量(续航)最可行的方案。

●固态电池短期内无法派上用场,预计2025年迎来量产应用的节点。

●电池技术每年都有一些逐步的提升,但创新速度可能不及预期。

一、动力电池电芯技术的革新

从中国新能源汽车推广示范开始,逐渐形成了磷酸铁锂的主体地位,大约从2010年“风靡”到2015年,三元锂则是后来居上。2015年的新能源汽车市场中,三元锂和磷酸铁锂电池的配套占比还是“三七开”,2016年“四六开”,2017年接近打平,2018上半年三元锂已经开始反超。

动力电池从磷酸铁锂往三元锂路线的转移并不是一蹴而就,如下图所示,在国内快速转化之前,国外电池企业已经在电芯化学体系上做了一些变革。之所以给我们“忽如一夜春风来”的感觉,主要还是我们在磷酸铁锂的路线上坚持了比较长的时间。当2016年以后普遍转向三元锂电芯开发,一下子跟上了日韩的技术路径。

『国外典型企业的电芯化学体系路径演进』

目前国内三元材料动力电池体系均为镍钴锰酸锂(NCM)。镍具有提高材料能量密度的作用, 根据三种过渡金属离子占比不同,分为低镍的NCM424、NCM333、NCM523和高镍的NCM622、NCM811等材料。其产业化进程主要是从低镍的NCM333、523等向高镍的622、811 方向发展。

对于整车而言,动力电池有四大关键问题需要重点突破:

●电芯价格:随着新能源汽车补贴不断退坡,未来的电池价格需要继续往下降。分阶段来说,在2021年初,电芯价格需要往下探到0.7元/Wh,约100美金/kWh;到2023年进一步降低到6毛/Wh,约80美金/kWh。

●电芯寿命:现有NCM523体系的寿命大概是8到10年左右,重度使用的话耗损更快,预期是把寿命延长到10年。

●电芯安全:提高电芯的安全性,改良的做法是逐步优化电解液配方、隔膜等关键因素,需要更源头化的安全机制。

●电芯能量密度:补贴政策每年都会给电池能量密度刻画新的基准线,国家也定下了《汽车产业中长期发展规划》,到2020年实现电池单体能量密度300Wh/kg。

我们重点探讨一下电池比能量对电动汽车发展的影响。目前主要的纯电动汽车平台规划可以分为以下几个档次。电池装载量普遍会从40kWh开始,想要获取更长续航里程光增加电池是不够的,电池本身的体积和重量都大,堆积得越多,反而会导致能耗增加续航减少。

目前主流的电池系统能量密度在140kWh/kg-160kWh/kg之间,续航里程设计已经普遍达到350-400Km。 国内高端电动车型的规划是在2020年左右,通过电芯设计的优化,往上把续航里程提高到500Km。目前来看国外的大众MEB平台、宝马的iNext系列和奔驰的EQ系列都是规划了不同的能量密度,通过控制总的电池装载量来选择。

从主流电池厂商的进展来看,产品迭代速度也分为激进路线和平和路线,需要在满足安全性、寿命等指标的情况下,综合考虑能量密度的提升。对于制造同一个大小的电池来说,电池瓦时数高了,每瓦时的制造成本就会降低。根据制造层面环境控制的要求,短期内也有个产线改造的过程。

『国内外主流电芯的能量密度提升路线』

目前圆柱型动力电池已率先实现高镍产品量产,方形、软包电池突破在即,预计2019年行业将迎来高镍产品量产的普遍性突破。在其他类型的动力技术突破前,高镍三元正极产品生命周期预计至少五年。

二、固态电池应用还有多远?

从主流电池供应商的反馈来说,未来五年的电芯层面的技术研发可能较快,但是为了符合车辆的要求,实际应用的迭代速度其实并没有我们想象的更快。因此有部分汽车企业已经在尝试固态电池,以跨越式的路径来解决问题。

前段时间,大众宣布向QuantumScape投资约1亿美元,目标是在2025年研发并拥有可量产的固态电池。大众从很多年前开始关注QuantumScape,2014年12月已持有后者5%的股权,如今的1亿美元为新增投资,这也说明大众对于后者的技术实现可能性较为确定。在日本,日本政府、日本电池制造商及本田、日产和丰田三大主要汽车制造商将联合研发固态锂离子电池。但是根据几位大佬的表态来看,时间节点要在2025年后了。

日产研究与先进工程高级副总裁Takao Asami接受采访说,2025年前,固态电池技术还没完善到用于电动汽车中,障碍包括成本和生产难度等,现在基本上都还处于初始研究阶段。丰田董事长内山田武也表示:“我们正在努力研究,如果想大规模量产,还有一些问题没有解决”。这也说明,固态电池在研发层面需要在内部和外部创新公司共同解决,短期内无法派上用处。

『车企的固态电池投资面临着成本、生产工艺等很多现实的难题』

总结:

冷静下来看,近五年的动力电池电芯技术每年都有一些逐步的提升,但考虑到要支撑整个电动汽车的快速普及,电芯层面的创新速度可能不及我们的预期。综合来看,2020年单纯实现300Wh/kg的目标是够得着的,问题是实现了这个目标是否就表示能用在电动汽车上呢?答案并不确定。汽车动力电池是一个系统工程,满足比能量要求只是条件之一,其他性能(充放电倍率、功率、寿命、安全性等)也至关重要。在实现高比能量的目标的基础上,综合发展、提高其他各项性能指标,还需要投入更多的时间和精力。