下一代電池的技術(shù)走線如何 未來(lái)5年的動(dòng)力電池電芯技術(shù)預(yù)測(cè)

背景：下一代電池的技術(shù)路線。是否會(huì)突然轉(zhuǎn)向？例如從磷酸鐵鋰到三元鋰，有些企業(yè)就沒(méi)跟上節(jié)奏，而豐田都在搞燃料電池和固態(tài)電池了，韓國(guó)最近也在大力推燃料電池。

動(dòng)力電池電芯技術(shù)的發(fā)展目前對(duì)于中國(guó)電動(dòng)汽車的進(jìn)一步發(fā)展尤為重要。電動(dòng)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，電池應(yīng)該是破解電動(dòng)汽車諸多難題，特別是里程焦慮、成本過(guò)高、性能提升關(guān)鍵要素。電池產(chǎn)業(yè)應(yīng)該走在整個(gè)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的最前列。鋰動(dòng)力電池的技術(shù)路線需要加快創(chuàng)新和緊迫感，這個(gè)核心因素是因?yàn)橹袊?guó)目前在汽車的整體技術(shù)和導(dǎo)向性完全在純電動(dòng)汽車上面，在車輛動(dòng)力系統(tǒng)革新各種技術(shù)路線競(jìng)爭(zhēng)中，既有傳統(tǒng)燃油車的提升路線，也有混合動(dòng)力的路線，近期討論和辯論比較多的氫燃料的路線。

在未來(lái)的五年內(nèi)2023年左右，在動(dòng)力電芯產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和實(shí)際產(chǎn)品落地和工藝研究方面到底能進(jìn)展到多大的幅度，是值得我們來(lái)仔細(xì)談一談的。

1）動(dòng)力電池電芯技術(shù)的革新

動(dòng)力電池從磷酸鐵鋰往三元電芯發(fā)展并不是一蹴而就的。如下圖所示，在國(guó)內(nèi)快速轉(zhuǎn)化之前，國(guó)外的電芯已經(jīng)在化學(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。而當(dāng)2016年以后轉(zhuǎn)入三元電芯開(kāi)發(fā)，一下子跟上了韓國(guó)電芯的技術(shù)路徑。

圖1 國(guó)外典型企業(yè)的電芯化學(xué)體系路徑演進(jìn)

在車用方面有四個(gè)重要的方面是需要解決的：

圖2 下一代動(dòng)力電池的訴求

• 電芯價(jià)格的問(wèn)題：隨著補(bǔ)貼退坡，未來(lái)的電池價(jià)格需要繼續(xù)往下降，階段性來(lái)說(shuō)在2021年初，電芯價(jià)格需要往下達(dá)到7毛/Wh，約100美金/kWh。而到2023進(jìn)一步降低到6毛/Wh，約80美金/kWh

• 電芯壽命：現(xiàn)有523體系的壽命大概是8到10年左右，重度使用可能更快一些，希望可以把它延長(zhǎng)到10年

• 電芯安全問(wèn)題：提高電芯的安全性，改良的做法是需要一點(diǎn)點(diǎn)去優(yōu)化電解液配方、隔膜等關(guān)鍵因素，需要更本征的安全機(jī)制，目前方形電芯的過(guò)充的保護(hù)和泄壓閥機(jī)制帶來(lái)的頂蓋成本需要進(jìn)一步降低

• 電芯能量密度：國(guó)家定下的硬性目標(biāo)是2020年實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品層級(jí)可實(shí)現(xiàn)300Wh/kg，具體到產(chǎn)品落地上是否能兼顧以上的種種還需要有2年的時(shí)間

在這里還是重點(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)劃可以分為如下幾個(gè)檔次。由于電池帶電量普遍會(huì)從40kWh開(kāi)始，電池比能量是決定車?yán)m(xù)航里程的重要因素。目前的電池系統(tǒng)的主流能量密度在140kWh/kg-160kWh/kg之間。

表1 面向2020年的電池規(guī)劃

想要在各個(gè)車型上面獲取更多的續(xù)航里程來(lái)滿足客戶，很重要的就是降低電池的重量，盲目的通過(guò)增加電池重量來(lái)增大續(xù)航里程，如下下圖所示會(huì)導(dǎo)致電池重量占整車整備質(zhì)量占比較高，導(dǎo)致了能耗的增加，可載重量的減少。在目前的技術(shù)條件下，系統(tǒng)的能量密度在140-160瓦時(shí)/公斤，續(xù)航里程設(shè)計(jì)都已經(jīng)普遍集中到了350-400Km。而國(guó)內(nèi)高端車型是在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500Km。目前來(lái)看國(guó)外的大眾MEB平臺(tái)、BMW 的INEXT系列和奔馳的EQ系列都是規(guī)劃了不同的能量，通過(guò)控制總的總量來(lái)選擇。

圖3 不同能量密度和電池的配置的電池系統(tǒng)重量

根據(jù)現(xiàn)在主流的動(dòng)力電池的實(shí)際情況，產(chǎn)品迭代速度也分為激進(jìn)路線和平和路線，實(shí)際上需要在滿足安全性、壽命等指標(biāo)的情況下，來(lái)綜合考慮能量密度；雖然能量密度的提高會(huì)帶來(lái)成本的大幅度降低，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。在制造層面環(huán)境控制的要求，短期內(nèi)也有個(gè)產(chǎn)線改造的過(guò)程。

圖4 國(guó)內(nèi)外主流電芯的能量密度的路線

從現(xiàn)在主流的電池供應(yīng)商的反饋來(lái)說(shuō)，未來(lái)五年的電芯的技術(shù)研發(fā)層面可能較快，但是為了符合車輛的要求迭代速度其實(shí)并沒(méi)有我們想象的更快，汽車企業(yè)因此在現(xiàn)有的技術(shù)路線上直接去嘗試固態(tài)電池，以跨越式的路徑嘗試來(lái)解決問(wèn)題。前端時(shí)間，大眾近日宣布向QuantumScape投資了約1億美元，目標(biāo)是在2025年前建立固態(tài)電池生產(chǎn)線。大眾將會(huì)派遣一位高管擔(dān)任QuantumScape董事會(huì)成員，該公司計(jì)劃在2025年研發(fā)并擁有可量產(chǎn)的固態(tài)電池。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)還不夠完善到用于電動(dòng)汽車中，障礙包括成本和生產(chǎn)難度等，固態(tài)電池想要運(yùn)用在車輛上基本上都還處于初始研究階段。

• 豐田董事長(zhǎng)內(nèi)山田武(Takeshi Uchiyamada），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。

如下圖所示，這也代表在研發(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)法排上用處。

圖5 車企的固態(tài)電池投資面臨著很多現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題

小結(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，但是要足夠支撐整個(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。