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2021电池能量密度大猜想

2021-03-04 浏览次数:5,765 次 第一电动网

2020年的新能源市场,强力塑造了EV的进化路线。从单打一的高容量,变成两个方向,增加了一个低成本电芯。按照2019年的补贴版本,想要不打折的补贴,能量密度(简称能密)要达到160Wh/kg。而180Wh/kg以下的电芯,刚好比要求稍高。事实上,中低端车型已经对补贴和能密都佛系了。它们的竞争力来自下沉市场和短途需求,重要的是成本。

结构创新不算创新?

但对于中高端车来说,能密的追求是无法绕过的。2015年堪称新能源的“梦想时代”。产业化刚刚起步的时候(骗补的恶心勾当还没曝光),人们对技术和市场常报以美好的憧憬。当时计划的是2018年达到160Wh/kg,2020年达到300Wh/kg,2025年达到400 Wh/kg,2030年达到500Wh/kg。

2018年的时候,160的目标勉强达到了(实际上不是平均水平,而是头部)监管层面仍然抱着上述想法不变,还把这些指标写到《节能与新能源汽车技术路线图》文件里面。顺便说一句,当时针对2020年的新能源销量预测,也破产了。

那么,当时是什么给了我们这么大信心?

百人会副理事长欧阳明高,曾对提高能密的路线图有一番总结。他说,无非三种途径:一、电池材料和电化学体系的创新;二、智能化方向(智慧电池);三、在设计和产品工程进行创新。

从原则上,这些话滴水不漏,没毛病。有意思的是,试验室阶段的项目,拼命做“一”,电池厂同时做“一”、“三”。而“二”无人问津,因为工程理论没有突破。

有些人认为,CTP、刀片这些结构上的变化,不算创新。但结构减重同样能有效提升能密。电池内所有不提供能量的东西(集流体、隔离膜、电解液、包装、导电添加剂、粘结剂)都要越少越好,电芯外的结构件更是如此。

因此,目前几乎很多主流车企都在开发长电芯-大模组-最终类似无模组(CTP)的方案。甚至开发电池系统与车体共用的结构件。

看不上结构优化的人恐怕认为,只有来一次电化学革命,才能彻底解决能密问题。可惜,革命不常有,1859年普兰特的铅酸电池算一次;1976年惠廷汉姆提出“锂嵌入”机理算一次(他也因此得了诺贝尔奖)。现在我们还没等到第三次。

在2016-2019年的时候,提升能密的技术路线多达数十条。大致分为折腾正极、负极、电解液、结构几大派。到了2020年,突然坍缩成死抱着一根救命稻草——固态电池(电解液派)。很简单,其他的方案都凉了。重要的是,几大主机厂和头部电芯企业都做出了产业级别的决策,主攻固态。

正极方案百花齐放

电芯厂商们,已经在正极材料上做出了大胆的尝试。所谓大胆,指的是投入数十亿生产出来,直接产业化。如果引发大规模召回,不但投资打水漂,整个厂都会完。这和试验室里宣布个撩骚的消息(现在舆论已经对此近乎免疫),完全不在一个层面。

量产的电池里面,分为铁电池(磷酸铁锂LFP)和三元锂电池。前者安全性较好,但单体能量密度偏低,虽然可以通过结构优化改善,但对于攀登能密科技树,基本弃疗。

但凡对续航有所诉求的中高端乘用车,大多采用三元方案。具体分为NCA(镍钴铝酸锂)和NCM(镍钴锰酸锂)两大门派。前者的佼佼者为松下,单体能密触及300Wh/kg,全球无出其右。LG、SDI、SKI等韩企紧随其后。

宁德时代为首的中企,因为NCA的IP(知识产权)基本被松下垄断,只好开辟NCM路线。NCM的正极配方,有333、523、622、811(即镍钴锰的摩尔比例)。目前大范围应用的是523,622次之,811拥趸较少。在2019年之前,只有零跑这样的憨大胆敢用。

镍含量越高,容量优势越明显,但镍多了有个坏处,容易爆炸。必须在热管理和隔膜上拥有足够的控制手段,才能平衡。

到了2019年底,电池热控和平衡水平达到实用化,811电池开始普及,毕竟能密提升是王道。小鹏P7、爱驰U5、AION LX都是采用宁德时代的NCM811电池包,ARCFOX α-T采用北汽新能源与SKI合资的BEST NCM 811电池包。

ARCFOX α-T

值得一提的是,SKI的客户还包括大众、现代、起亚、戴姆勒。

当然,还有更彻底的正极方案,就是将镍提高到九成(90505)。为避免超高镍的结构不稳定,在正极表面包覆纳米材料。这样有两个好:减重、不影响锂离子从正极脱嵌(锂嵌入的反向),但目前价格太贵。客户看了报价都摇头。产业化就是这样,越是贵,越没人买;上不了量,成本降不下来,也就愈没人买。破局点在厂商推动技术发展降成本。

固态何时落地有争议

钒电池和锂硫电池,也是对正极的革新,但两者因为体积的问题,难以应用在乘用车上。和正极材料日新月异比起来,负极创新乏善可陈。石墨烯被搁置,石墨烯基难堪大用。掺硅负极进入实用化,但提升有限。

目前,正负极的技术发展正在进入死胡同。有些人认为逼近物理极限。但“物理极限”这个结论最好不用,历史上用了的人,不乏大咖,都被狠狠打脸。但正负极暂时没有实用化前景的新方案,是事实。排除那些无法走出试验室的电池,对电解液进行革新,即采用固态方案,突然得到众人点赞。

固态电池的好处是明显的。没有麻烦的液体,也就没有漏液。损坏、刺穿不会起火爆炸。也不需要隔膜,柔性的固态电解质可以做的非常薄。正负极之间距离可以缩短到十几微米,电池厚度大大下降,重量减轻(传统电池的电解液和隔膜占据65%的重量),能密一下子就上去了。

对市场上主流三元电池的续航和安全性,消费者仍然不满意。主机厂对此心知肚明。目前唯一能看到微光露出的“隧道”,就是固态方案。

厂商们提出的落地时间,显示了他们对固态电池的商业化进程的固有看法。

蔚来ET7将推固态电池版本

蔚来声称在2022年Q4在ET7上装备150KWh的固态电池。大众宣布2025年量产固态电池。丰田和松下联合开发固态电池,打算2030年推出。北汽、长城也投资了固态电池。

丰田固态电池,图片源自网络

不过,科学界对此有不同看法。美国知识界有院士认为,全固态电池(排除蔚来作为过渡的“固液电池”),需要10年时间,才能在制造工艺上达到量产条件。前提是在此期间没有巨大科学突破。

早在2019年的时候,大批投资就已经集中到这个方向上来。这一年,刚好是811电池取得突破、实现普及的时候。

很明显,一种技术能走多远,在投放市场之初,电芯厂和主机厂都有数。和舆论的后知后觉比起来,真正牵引方向的是生产力量。而非监管、智库、知识界、新闻界或者消费者。

理解这一点,就能明白,在风起青萍之末前,厂商们就已经估量出舆论走向。这种信息的不对称很有意思。在明面上,厂商并未从一开始就大张旗鼓地宣示技术方向,他们对外界并无进行基础知识普及的义务。有时候被误解也很少从技术角度申辩。

这表明,在能密这个问题上,因为技术膈膜,各方已经很难在同一层面上对话了。知识界的看法虽然多数时候不统一,但他们往往在事态发展初期过于乐观。遭遇挫折时又过于悲观。厂商们对这样的“机会主义者”一般不怎么理睬。

虽然几年前的能密和销量预测都没有实现,但对于解决续航焦虑门槛的估量,恐怕是正确的。那就是到了400Wh/kg的时候,电动车的便利性(综合各种应用场景),和燃油车就可以各擅胜场了。如果充电桩建设(特别是市区公用桩和高速超充站)再给力一点,电动车的消费拐点(即渗透率超过50%)会提前来到。屡屡落空的销量预测,也终将落到实处。

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