5年内的动力电池技术

本文是汽车之家深评问道栏目,链接如下:

https://www.autohome.com.cn/news/201807/920153.html#pvareaid=103453

背景:下一代电池的技术路线。是否会突然转向?例如从磷酸铁锂到三元锂,有些企业就没跟上节奏,而丰田都在搞燃料电池和固态电池了,韩国最近也在大力推燃料电池。

动力电池电芯技术的发展目前对于中国电动汽车的进一步发展尤为重要。电动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,电池应该是破解电动汽车诸多难题,特别是里程焦虑、成本过高、性能提升关键要素。电池产业应该走在整个电动汽车产业创新的最前列。锂动力电池的技术路线需要加快创新和紧迫感,这个核心因素是因为中国目前在汽车的整体技术和导向性完全在纯电动汽车上面,在车辆动力系统革新各种技术路线竞争中,既有传统燃油车的提升路线,也有混合动力的路线,近期讨论和辩论比较多的氢燃料的路线。

在未来的五年内2023年左右,在动力电芯产品的开发和实际产品落地和工艺研究方面到底能进展到多大的幅度,是值得我们来仔细谈一谈的。

1)动力电池电芯技术的革新

动力电池从磷酸铁锂往三元电芯发展并不是一蹴而就的。如下图所示,在国内快速转化之前,国外的电芯已经在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。而当2016年以后转入三元电芯开发,一下子跟上了韩国电芯的技术路径。

 

图1 国外典型企业的电芯化学体系路径演进

在车用方面有四个重要的方面是需要解决的:

图2 下一代动力电池的诉求

  • 电芯价格的问题:随着补贴退坡,未来的电池价格需要继续往下降,阶段性来说在2021年初,电芯价格需要往下达到7毛/Wh,约100美金/kWh。而到2023进一步降低到6毛/Wh,约80美金/kWh
  • 电芯寿命:现有523体系的寿命大概是8到10年左右,重度使用可能更快一些,希望可以把它延长到10年
  • 电芯安全问题:提高电芯的安全性,改良的做法是需要一点点去优化电解液配方、隔膜等关键因素,需要更本征的安全机制,目前方形电芯的过充的保护和泄压阀机制带来的顶盖成本需要进一步降低
  • 电芯能量密度:国家定下的硬性目标是2020年实现产品层级可实现300Wh/kg,具体到产品落地上是否能兼顾以上的种种还需要有2年的时间

在这里还是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如下几个档次。由于电池带电量普遍会从40kWh开始,电池比能量是决定车续航里程的重要因素。目前的电池系统的主流能量密度在140kWh/kg-160kWh/kg之间。

表1 面向2020年的电池规划

车型 电池能量 对应续航(NEDC)
紧凑型轿车、SUV 40-50kWh 350-400km
中级轿车、紧凑型SUV 60-70kWh 400-500km
紧凑型SUV、轿车 90-100kWh 500-600km
跑车、大型SUV 110-120kWh >600km

想要在各个车型上面获取更多的续航里程来满足客户,很重要的就是降低电池的重量,盲目的通过增加电池重量来增大续航里程,如下下图所示会导致电池重量占整车整备质量占比较高,导致了能耗的增加,可载重量的减少。在目前的技术条件下,系统的能量密度在140-160瓦时/公斤,续航里程设计都已经普遍集中到了350-400Km。而国内高端车型是在2020年左右,通过电芯设计的优化,往上把续航里程提高500Km。目前来看国外的大众MEB平台、BMW 的INEXT系列和奔驰的EQ系列都是规划了不同的能量,通过控制总的总量来选择。

图3 不同能量密度和电池的配置的电池系统重量

根据现在主流的动力电池的实际情况,产品迭代速度也分为激进路线和平和路线,实际上需要在满足安全性、寿命等指标的情况下,来综合考虑能量密度;虽然能量密度的提高会带来成本的大幅度降低,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。在制造层面环境控制的要求,短期内也有个产线改造的过程。

图4 国内外主流电芯的能量密度的路线

从现在主流的电池供应商的反馈来说,未来五年的电芯的技术研发层面可能较快,但是为了符合车辆的要求迭代速度其实并没有我们想象的更快,汽车企业因此在现有的技术路线上直接去尝试固态电池,以跨越式的路径尝试来解决问题。前端时间,大众近日宣布向QuantumScape投资了约1亿美元,目标是在2025年前建立固态电池生产线。大众将会派遣一位高管担任QuantumScape董事会成员,该公司计划在2025年研发并拥有可量产的固态电池。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,固态电池技术还不够完善到用于电动汽车中,障碍包括成本和生产难度等,固态电池想要运用在车辆上基本上都还处于初始研究阶段。
  • 丰田董事长内山田武(Takeshi Uchiyamada),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。

如下图所示,这也代表在研发层面需要在内部和外部创新公司共同解决,短期内无法排上用处。

图5 车企的固态电池投资面临着很多现实的问题

小结: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,但是要足够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。

标签

发表评论