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超级电池虚与实:噱头还是颠覆性技术?

2020-09-22 08:19:54 来源: 第一财经 举报
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(原标题:超级电池虚与实:噱头还是颠覆性技术?)

特斯拉首席执行官埃隆·马斯克(Elon Musk)日前在推特上宣布,特斯拉 “电池日”将发布一款“具有行业颠覆意义”的动力电池产品,业内认为这款产品就是“超级电池”。

如无意外,特斯拉“电池日”(Battery Day)活动将于9月22日在特斯拉加州工厂举行。此前,受疫情影响,这一活动一再延期。

据外媒报道,特斯拉将在“电池日”活动上公布其“百万英里”电池的细节。“百万英里”电池采用新一代单晶NCM(镍、钴、锰)523阴极和一种新的先进电解质,可以使电动汽车持续行驶100万英里(约合161万公里)。

无独有偶,不仅是特斯拉向超级电池吹响进攻的号角,大众、通用等主机厂以及宁德时代、蜂巢能源、LG化学、三星SDI等国内外动力电池企业皆发起超级电池攻坚战。其中,凭借手握特斯拉订单而一跃成为全球第一大动力电池企业的LG化学在9月17日宣布,今年12月将拆分该公司旗下动力电池事业部门,并取名为“LG能源方案”公司(LG Energy Solutions)。

一位韩系电池业内人士向第一财经记者表示,这主要是LG化学在电池研发及产能扩充方面的资本需求,其中超级电池成为重要一环。截至2020年第一季度,LG化学的总借入现金已突破11万亿韩元,相较于2019年底的8.41万亿韩元明显增加。上述业内人士透露,LG化学的借入现金在2017年之前都保持在2万亿~3万亿韩元的稳定水平,而自从2018年“超级电池”概念提出和动力电池市场不断扩大以来,此金额每年近乎翻一番增长。

动力电池被喻为电动车的“心脏”,各路企业纷纷在此领域布下重兵,一场硬仗难于避免。不过,超级电池究竟是噱头还是真正的技术变革,业内对此持有不同的声音。

戴着“面纱”的超级电池

超级电池究竟是什么模样?

目前,超级电池更多还是停留在概念层面,闯入超级电池领域的企业,往往只给出简单的“公里数”及原理信息。

例如,特斯拉在去年9月、12月及今年4月发布三篇专利文件,分别就材料配方、放电周期及充放电次数进行阐述。该公司称,其技术存在革命性的变化,但并不需要从根本上改变三元锂或磷酸铁锂材料,因此成本上升空间较为有限。至于“超级电池”的细节,这有待特斯拉将于本月22日披露。

此外,宁德时代在前不久也透露,将推出循环充电总续航(总里程)可达200万公里、寿命达16年的电池,目前已可以接受订单并进行生产。宁德时代方面称其研发的长寿命电池的最大特征系采用独有的“自修复长寿命技术”,无论是在磷酸铁锂电池还是三元锂电池上均可采用,因此相较于竞争企业的技术具有成本优势。不过,宁德时代在超级电池细节上同样语焉不详。

正因此,业内对特斯拉的超级电池即将揭开面纱充满好奇。

伊维经济研究院研究部总经理吴辉接受第一财经记者采访时称,仅从续航百万英里来看,不能判断这个技术是不是突破性的。如果是电动车装了100度电,续航里程700~800公里,按照2000次循环,就能达到特斯拉所说的百万英里的目标。

吴辉谈道,如果特斯拉将采取业内所传出来的单晶NCM 523,这一材料属于比较成熟的材料体系,其在产气、热稳定性以及循环性能上都要比多晶NCM523材料更占有优势,但在容量上要低于多晶NCM523材料。因此,单晶NCM523材料更适合应用在一些对倍率性能要求不高但对于循环性能有较高要求的领域。此外,特斯拉将采用先进的电解质,有可能是固态电解质,因此这个超级电池可能是固态电池或者半固态电池。

他还分析指出,电动汽车光谈续航没有意义,要看这个车是在装载了多大的电量的前提下谈单次续航里程和循环寿命。多装电池成本肯定就会高,这个成本高不是电池单价贵,是这个车装电池装得多,所以本质上要提高续航,还是得提高电池的能量密度,不能靠多装电池。

韩国工程院院士、汉阳大学教授宣良国向第一财经记者表示,动力电池的寿命限制主要还是在电芯材料和电芯设计两个层面。因此,通过改善结构设计使电池稳定且不会快速跳变,或直接引入新的电芯材料提高初始容量及正负极材料的稳定性,这是提高电池寿命的两条核心路线,绝大多数超级电池往往都是从这两条路线中进行选择。

面对多座碉堡

经过多年奋战,动力电池的技术明显提高以及成本明显下降。此前,动力电池的成本在电动车的成本中占比高达50%~60%,而如今在不少电动车型中占比降低至30%甚至更低。与此同时,电动车的综合续航里程也从之前普遍集中在300公里之下到现在不少车型已突破500公里甚至更高。

不过,在动力电池技术攻坚战过程中,主机厂与动力电池制造商不得不面对成本与安全等多座碉堡。无论是国际上的特斯拉和松下,还是国内的比亚迪、宁德时代、蔚来及广汽新能源等企业,皆卷入过电池导致新能源汽车起火的事故中。目前,国家监管平台的数据显示,2020年以来,国内54辆新能源汽车着火。

特斯拉超级电池能否解决安全及成本等难题而顺利推进商用化进程?

今年以来,备受关注的是,已进入特斯拉电池供应商名单的宁德时代,被指其NCM811电池在某种程度上存在着安全隐患。这缘于采用宁德时代NCM811电池的广汽新能源的主打纯电动车型Aion S在今年发生三起自燃事故。对此,广汽新能源内部人士接受第一财经记者采访时称,第一起自燃事故已基本查明,起火缘于该车此前经过相对激烈的碰撞,而后两起还在与电池供应商调查起火的原因,一旦查清楚原因会及时对外公布。

宁德时代内部人士在接受第一财经记者采访时回应称,广汽新能源电动车的电芯是由宁德时代供应,而广汽新能源电动车釆用的电池包,部分由其自己生产,部分由宁德时代提供。究竟是哪个环节出现安全隐患,还在与广汽新能源共同调查中。

所谓NCM811电池,指的是正极材料中镍、钴、锰的配比为8:1:1的三元锂电池。宁德时代2019年上市的NCM811/石墨体系电芯,单体能量密度超过240Wh。这比磷酸铁锂电芯密度要高40%以上,比一般的三元锂电池也要高15%以上。电池单体能量密度提升,能帮助提升电池包的能量密度,继而提升车辆的续航里程。此外,有业内人士估算过,采用811材料生产的三元电芯,做成电池包后,每瓦时成本可下降8%。

NCM811电池正成为全球动力电池企业攻关的方向之一,不过,因为其安全性问题, LG化学、SKI原计划2018年推出用于电动汽车的NCM811电池,但后来推迟了。目前,国际上NCM811的方形和软包电池,还没有大规模推广。

作为新型的NCM811技术,其应用难度是多个维度的,首先是电芯生产,NCM811材料受其高镍含量、表面残碱高、热稳定性差等因素的制约,对正极材料生产厂家及电池企业的生产制造环境及技术水平提出更高的要求;其次,电池的安全性是一项系统工程,由于单体性能的变化,模组、系统乃至整车,应该做出有针对性的设计,在生产过程也要提升要求。因此,NCM811电池大规模商业化还是受到一定限制。

宁德时代NCM 811电池通过提高镍的比例来削减钴的比重,降低电池的生产成本,但在动力电池中高活性的镍元素比重越大,正极材料的热稳定性相对降低,当电池遇到高温、外力等冲击时可能容易引发热失控。在搭载宁德时代NCM 811的电动车发生多次起火事件之后,有传言称宁德时代基本否定了已占其动力电池市场20%的NCM811路线而将转向能量密度较低的NCM523电池。对此,宁德时代上述内部人士称,这一传言不实,在发展NCM811新技术过程中会遭遇挑战,但不会因为遇到困难就放弃,这是未来应对日韩等先进电池技术的武器之一,将会继续攻破难关不断完善NCM811技术。

新技术往往会遇到未知的挑战,而即将揭开面纱的特斯拉超级电池,能否攻破安全及成本等多座碉堡而引发动力电池行业变革?

动力电池行业研究人士王凡正在研究不同种类电池的可靠性,为此在全国各个不同气候的地区就电池寿命进行研究与试验。他谈到,电池的性能稳定程度主要是基于电解液及电芯之间的隔膜层是否稳定,而他发现,在一些被称为“梦想电池”的超级电池上出现一些早期的廉价动力电池会出现的情况,例如因不同天气影响电池的寿命。

王凡认为,即便是相较于超级电池技术更加具象化且专利数量多出近三倍的NCM 811电池,尚且由于几起自燃而引发动力电池行业深思并不断进行改进,那么超级电池作为相对抽象化的概念,其安全性能是否得到保证仍需更多验证。

由于目前特斯拉尚未公布超级电池具体的材料及构成,业界暂时难以估算其成本,但普遍认为成本势必会增长。此外,“超级电池”是否具有商业化的价值也被质疑。上海工程技术大学汽车工程学院教师刘淼接受第一财经记者采访时谈到,以电池为代表的“三电系统”确实是许多新能源汽车的核心部件,但考量一辆新能源汽车的真正使用寿命,远远没有电池一个部件这么简单。

刘淼提到,正如“木桶效应”,汽车是由众多配件共同运作的系统,且每一个配件如齿轮般相连,因此汽车的整体寿命不是取决于寿命最长的零部件,而是取决于寿命最短的零部件。

例如,连接电池及电机的电机线板的质保期限一般只有几年,远远低于超级电池所设计的使用年限。刘淼称,这种配件如果要有较大幅度的寿命提升,除了将材料完全替换,否则还是比较困难。在他看来,即使超级电池在技术上可以实现,但新能源车其他部件没有同样长的使用寿命,这意味着超级电池的现实价值并没有鼓吹的那样大。

郭晨琦 本文来源:第一财经 责任编辑:郭晨琦_NBJ9931
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