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刀片电池:新能源汽车的动力升级

viking666.com   2021年02月02日

  汽车产业一直是中国经济重要支柱产业,最近几年,新能源汽车的动力电池技术进步明显,仅从续航里程来说,每年大约增加100公里,近两年更超过100公里。仅从续航里程来说,600公里~700公里已经与燃油车处于同一水平,但是因为充电或换电设施不方便,更大程度上是因为电池性能的衰减,在竞争力上仍处下风。从未来趋势上来说,新能源汽车已经占据发展先机,这也是苹果宣布入场新能源汽车,甚至有传言说微软也要起而行之的原因所在。

动力电池竞争

  2021年初,在特斯拉“开年送喜”大降价之后,蔚来更宣称到2023年推出续航里程1000公里的新能源车。如果说,蔚来续航1000公里的固态电池仍然是理想中的概念,那么,2020年3月比亚迪通过视频发布的刀片电池已经在大规模生产的路上了。

  从上可知,动力电池在续航里程上的竞争已经白热化。特斯拉的大幅降价就得益于此。

  而中科院院士欧阳明高在今年1月16日第七届中国电动汽车百人会论坛上演讲时所说的一番话,更说明动力电池的竞争热度一直未减。他说:如果某一位说,它(指车)既能跑1000公里,又能几分钟充完电,而且还特别安全,成本还非常低,那大家不用相信,那是不可能的。

  这句针对目前技术现状的话,被一些人解读为,那些声称能将动力电池做到1000公里者,只能是骗子。说起来,这还是乐视PPT造车效应的过度反应而已。蔚来在未来几年能否做到这一点,并不能说没有可能。相反,如果动力电池能保持目前的技术进步速度,在2023年达到1000公里的续航里程并不是什么困难的事。如果遭遇技术瓶颈,比如,800公里被认为是天花板极限的话,则在近期内是不可能完成的任务。

  不管怎么说,被特斯拉这条“大鲶鱼”不断搅动的这片海域,注定风波难息。

  在同样的演讲中,欧阳明高院士说得很明白:只有实现新能源汽车大规模发展才能实现新能源革命。

  这一过程,又注定是艰难的。

  从乐视首开PPT造车风气以来,一些企业宣称的技术领先,一直是吸引投资与投资者的“不二法门”。蔚来发布会后,引发与固态电池相关的企业股价飞涨,而没有“新概念”的新能源车企股价则应声下跌,仍让人觉得资本市场“记吃不记打”。

  当然,不用怀疑,市场终归会回归理性,一时的喧嚣并不能遮蔽技术落地后的起起伏伏。尤其是汽车作为房子以外最大的耐用消费品,其消费者有可能被迷惑一时,但永远不可能被长期迷惑。

  固态电池与液态电池之争

  蔚来秉持的固态电池与目前市场上常用的液态电解质锂离子电池,实际上都是锂电池。其运行原理并无二致,就是利用锂离子在正负极之间嵌入和脱出的过程,实现电池的充电和放电。

  而不同则在于电解质的物理形态,即固态和液态之别。当前所用的锂电池,其电解质为液态。那么,很好理解,固态电池的电解质就为固态。之所以要改变电解质的形态,目的就是要追求更高的能量密度。这并没有什么高深的科学道理,因为从物理形态上来说,大体上固态的能量密度要高于液态的能量密度。当然,实现起来并不简单,要通过提高正极和负极的比能量来完成。当前的锂电池,负极为石墨材料(碳),通过在石墨负极中添加硅原料,可以提高负极的比能量;既然如此,就可以用硅材料完全替换石墨材料。研究发现,如果用锂金属做负极,效果又可以得到大幅提升。但是,如果用锂金属做负极,就需要把液态的电解质替换成固态。原因在于,锂金属属于极为活跃的金属,一旦和液体电解质接触,就如“干柴遇烈火”不易控制,这对安全性要求极高的电动车来说,是不可能忍受的。那么,选择惰性更强的固态电解质,就势成必然。所谓的“固态电池”,实际上就是目前液态电池的升级版。

  理论上的路线或者说图上的规划路线是清晰的,但付诸实践并不容易。可以说,固态电池目前仍在实验阶段。即使如此,也只是部分企业才能在电池单层叠片层面(比电芯还要小)实现了这样的高性能,而距离形成可用的电池包以及模组,装配到车上并通过车规级的各项测试验证,恐怕不是一年两年能够完成的。

  再者说,即使完成了测试验证,仍需要走过大批量,高效率生产,成本降低到可竞争水平等种种关口。有多少企业倒在批量投产的前夜,前车之鉴不可谓不沉痛。即便可以批量生产,用上新电池的车辆整体性能是否具备超人一筹的竞争力,仍未可知。

  因为,欧洲和日本都曾预期固态电池在2020年可以走出实验室,但因为稳定性,安全性,成本高等问题,仍在“待字闺中”。

  2019年12月10日,曾有媒体报道,特斯拉的固态电池能量密度已经达到了现有锂离子电池的4倍,15分钟可以充电80%,但要正式投入生产仍预计在2024年才有可能。从国内零星的消息来说,国轩高科预计是在2021年开始生产,但要到2025年才能生产出车用的高密度固态电池。另一家公司当升科技只是说其固态电池材料得到了用户认可,至于何时能投产并没有明确消息。

  蔚来作为新能源整车企业真的是在豪赌未来。

  刀片电池回归正道?

  2020年3月29日,比亚迪在线上发布会,首次对外公布了“刀片电池”顺利通过“针刺试验”的完整视频。业界认为,“刀片电池”将改变行业对三元锂电池的依赖,将动力电池的技术路线引向新的赛道,并重新定义新能源汽车的安全标准。

  这里,顺便说一句,锂电池的常用命名方式主要有两种,一是以电池中正极元素来命名,二是以电池最核心的反应机理和特征来命名(如固态电池,柔性电池等)。三元锂电池所采用的就是第一种命名方式,因为其正极材料中包含了镍,钴,锰/铝三种金属元素,被命名为“三元”。

  从中国新能源汽车刚起步时起,动力电池的技术路线就是竞争的焦点。随着电池技术的开发,由于三元锂电池具备更优的续航里程,才逐渐成为新能源乘用车的主流,而磷酸铁锂电池则被更多地应用在商用车上。在比亚迪董事长王传福看来,新能源乘用车因为许多企业过于追求续驶里程的优势,导致了对动力电池的非理性竞争,也就是对动力电池的能量密度产生了偏执追求。这种发展路线可以说是“误入歧途”,并使新能源乘用车的安全品质大打折扣。

  王传福强调,刀片电池的方向之一,就是要把动力电池的发展引回行稳致远的正道,安全尤其是避免电池着火被视为首要问题。当然,对于新能源乘用车来说,更高的能量密度,更高续航里程仍然是动力电池行业的追求,甚至被认为是新能源汽车行业发展的宿命。

  但不可否认,就目前的市场表现来说,磷酸铁锂电池的市场份额在不断下滑。中国汽车动力电池产业创新联盟的数据显示,2019年,我国动力电池装车量累计62.2GWh,同比累计增长9.2%。其中三元锂电池的装车量累计40.5GWh,占总装车量65.2%,同比累计增长22.5%;磷酸铁锂电池装车量累计20.2GWh,占总装车量32.5%,同比累计下降了9.0%。这也与三元锂电池的续航表现优于磷酸铁锂电池相一致。

  尽管刀片电池在安全性上优于三元锂电池,但不应忘记三元锂电池的安全性提升并非停滞不前。

  实际上,动力电池之争主要是比亚迪与宁德时代的竞争。由此可知,磷酸铁锂刀片电池对于比亚迪的市场意义有多重要。

  在过去几年,宁德时代和比亚迪一直是动力电池的前两位。两家公司的市场份额,加起来超过7成。

  抛开技术优劣不谈,两家的市场份额很大程度上是因为产品战略选择的原因。比亚迪主要采取的是垂直供应体系,对外供应方面并没有明显突破。这可能与比亚迪作为整车公司有很大关系。宁德时代则不同,几乎完全依靠横向供应体系,外销是其主要战略。好处是绝大多数车企会选择与宁德时代合作,尤其是与特斯拉达成向上海工厂供应电池的协议之后,发展势头更为迅猛。据统计,2016年之前,比亚迪的市场份额高于宁德时代,从2017年开始,宁德时代就反超了比亚迪。此后,两家公司的市场份额差距呈拉大趋势。2019年,宁德时代的装车量达到了31.46GWh,而比亚迪只有10.75GWh。

  同样,从市场价值评估来看,宁德时代的市值高于比亚迪的市值超过了1/3。那么,比亚迪期望刀片电池能够撼动三元锂电池的市场地位。据比亚迪的消息,“几乎所有的汽车品牌,都在和我们探讨基于‘刀片电池’技术的合作方案。”刀片电池能收获多少,仍需要市场和时间来检验。这也预示着,比亚迪在2017年开始改变销售策略后,要大干一场,不能总采取守势,必须主动进攻。2018年,比亚迪就发布了共享开放的e平台。当年10月,王传福曾透露,打算将电池业务分拆并上市,时间点在2022年之前。这就是2020年3月,比亚迪旗下五家弗迪系公司(弗迪电池有限公司,弗迪视觉有限公司,弗迪科技有限公司,弗迪动力有限公司,弗迪模具有限公司)的成立,宣布刀片电池通过检测的时间也在3月,王传福的谋划怎么看都是意味深长。王传福自己说得更明白:“弗迪系和比亚迪的关系,就像行星和恒星的关系。弗迪系的每一家公司,既是围绕比亚迪产业优势而生的行星,更是各自领域独当一面,对外赋能的耀眼的明星。”这其中,弗迪电池更承担着巨大使命。由于近两年新能源补贴政策的调整,比亚迪的盈利能力出现下滑,再加上特斯拉的竞争升级,尤其需要弗迪电池分担市场压力。

  磷酸铁锂刀片电池会是一把利剑吗?

刀片电池的结构创新

  比亚迪动力电池的技术路线与三元锂电池(各自的正极材料不同)的技术路线是两个方向。似乎国内大多数厂家都选择的是三元锂电池,但奔驰和丰田这样的顶尖车企却选择与比亚迪合作,国际市场对比亚迪动力电池更为认可。刀片电池技术的进步,更将这种认可推向了新高度。

  刀片电池的诞生

  刀片电池依旧延续了磷酸铁锂的技术路线,刀片电池改变的只是电芯的形状,正极材料仍然是磷酸铁锂。要知道,在刀片电池这个名字出现之前,这项技术曾被称为“超级磷酸铁锂电池”。只不过现在看来,“刀片电池”这个名字更有想象力和冲击力罢了。

  比亚迪之所以一直执着于用磷酸铁锂做正极材料,是因为磷酸铁锂在安全性上,相比于三元锂电池具有一定的优势。而三元锂电池的优势,则在于其续航里程更长,这是源于三元锂电池具有更强的导电性,能带来更高的能量密度。

  前面也曾提到,王传福对于偏执追求续航里程,相对忽略了安全性的做法颇为诟病。但比亚迪并不是一味排斥三元锂电池,相反使用了一定比例的三元锂电池。毕竟增加续航里程,与安全性兼顾是发展的方向,而刀片电池的应运而生,正是两种电池优势结合的完美解决方案。

  刀片电池的工作原理

  依据刀片的形象,并不难想象刀片电池的模样,无非是把电芯做得更长,更薄,类似于刀片一样。

  如果说,以前由多个电池组结构成的电池包,是一个个块状体或圆柱体电池组成的,那么,刀片电池就是薄如刀片的电芯组合在一起的。

  这么做不仅仅是电池形状的改变,关键是电池包内的空间布局得以优化,同样体积的空间能布设更多数量的电芯,使得电池的能量密度大大提高,达到了增加续航里程的目的。块状体电池堆叠方式的空间利用率只有80%,如果考虑到结构电池包必须的支撑件和散热件,更多的空间被浪费掉了,结果整体空间利用率只有40%。而刀片电池的结构布置可以比块状体更紧密。再加上刀片电池本身可以充当支架,又节省了一些空间,整体上,刀片电池的空间利用率可以达到60%。也就是说,电池包里的电池数量显著增加,这意味着能量密度显著增加,续航里程的增加就是自然而然的事情了。

  针刺实验显示的优势

  原本磷酸铁锂电池相比于三元锂电池就有安全方面的优势。如今,块状或柱状磷酸铁锂电池改成刀片形状后,安全性能进一步提高。这是因为,刀片电池比块状电池的短路回路更长,表面散热面积更大,过热导致的自燃现象大为降低,甚至杜绝了自燃。

  针刺测试是国际上通行的检测电池安全性的试验。针刺试验表明,三元锂电池会产生剧烈燃烧并伴随爆炸,表面温度超过500度;磷酸铁锂块状电池会出现冒烟现象,但没有明火和爆炸,温度在200度与400度之间;刀片电池无明火,无烟,表面温度只有30度到60度,安全稳定性跃升到一个新的量级。可以说,刀片电池完全解决了电池自燃的问题。

  刀片电池的优势,就是得益于电池结构的创新。

  刀片电池的结构创新

  刀片电池通过结构创新,在成组时可以跳过模组来设计刀片电池,相较于有模电池包设计,刀片电池的重量比能量密度可达到180Wh/kg,比有模电池组提升大约9%。

  所谓无模组设计,就是将电芯直接集成为电池包(即CTP技术),将磷酸铁锂电芯长度阵列式封装在“600mm ≤ 第一尺寸 ≤ 2500mm ”的电池包中,将电芯通过阵列方式排布在一起,直接组成电池包,减少了模组结构和单体连接线束,提升了封装效率,增加了集成化。

  依赖刀片电池形状的特殊性和材料的稳定性,密集排布的刀片电池可以充当简单的结构件,不再需要单独做支架,空间利用率由40%提升到60%。从而解决了磷酸铁锂电池单位体积能量密度过小的缺点,带电量约增加20%~30%。续航里程同样提升20%~30%,可达600公里,而且兼顾了高安全,长寿命,不像三元锂电池为了迁就续航里程人为忽略了安全性。

  不仅如此,刀片电池还改善了磷酸铁锂耐低温性差的缺点。其更为科学的热管理系统,让换热效率维持在较高水平,即使放在零下20度的严寒环境下,刀片电池的放电能力至少是常温时的90%,在低温环境下仍能保持电池性能的稳定,从而较好地改善了磷酸铁锂电池低温续航衰减难题。

  但这并不是说,刀片电池有多么完美,其缺点是被碰撞后的修复更为困难。可以想象,薄如刀片,又利用每个电芯自身作为支架,失去了支撑结构的保护屏障,在受到外力冲击下,就无法保证电芯的完整性。

  总结来说,刀片电池是一种结构创新,而非材料创新,可以称之为磷酸铁锂电池技术的升级,就如比亚迪最早将其恰如其分地命名为超级磷酸铁锂电池一样。目前的改进,使它与三元锂电池之间的差距在缩小,再加上磷酸铁锂成本低,正好弥补了新能源汽车补贴终止后成本大幅上升的问题。仅就目前来看,刀片电池的充电速度和续航能力与三元锂电池仍有差距,最大优势不过是其综合能力,没有明显短板。在突出的安全性之外,尚有电池包强度,续航能力,使用寿命,充放电功率,低温性能等方面的综合优势。

  当然,动力电池的结构创新,并非比亚迪一家。从模组来说,就从355模组和590模组,进步到宁德时代的 CTP(无模组)。近期,国轩高科的JTM(Jellyroll To Module,即从卷芯到模组),也是一种创新,能量和存储效率都有所提升。

  再进一步,刀片电池有可能直接将电池包连在车辆上,或者是单体直连到车辆上,创新仍有空间。

  欧阳明高院士站在更高的高度,从未来十年交通智慧能源生态的角度,提出两个大有可为的组合:一个是分布式光伏+电池+电动汽车+物联网+区块链;另一个是集中式远距离的风电与光伏+氢能储能及发电+燃料电池汽车+物联网+区块链。

  一个是分布式,另一个是集中式智慧能源系统,两者结合就是未来智慧能源的大系统。

电动车是未来的方向

  如果说,几年前还是少数人认为电动车是汽车行业未来的话,那么到今天,这样认为的人已经是呈几何级数增加。在这样的局面下产生出的旺盛需求,更催快了未来变成现实的速度。

  对于中国来说,依赖海外石油的程度已经达到危险的地步,超过了国际公认的70%供应量红线。在这样的关头,当务之急已不是寻找新的能源来源地,而是找到新的替代能源。中国缺石油,但不缺电动车电池与发动机必需的锂和稀土金属。中国一旦实现汽车完全电动化,对石油的依赖就得以自然缓解。相比于石油要从国外进口,电力完全可以在中国自己广袤的国土上解决,不论是光伏,水电,风电和核电,中国都不落后,其中光伏与核电还处于世界领先水平,风与水资源也相对充足,关键是可循环再生能源。

  实际上,欧洲国家尤其是西欧发达国家,相比中国更加激进,不少国家早就确定了燃油车完全退出的时间表。

  发展电动车已经成为全球共识。

  多少年来,中国燃油车完全依赖日欧美技术,理性看待已没有超越的可能。燃油车发动机和变速箱的技术堡垒,以及各种技术专利,使我们在技术上很难突破。中国作为世界第一大燃油车消费市场,已经被固化在整车组装环节,每生产一辆汽车,就为国外企业赚一次钱。

  发展电动车则不同,且不说有没有先天优势,起码大家处于大致相同的起点,都在奋勇尝试,就看谁的投入更大。相比较,中国在市场上的优势就突出出来,再加上政府的补贴政策,发展基础已经具备。现在完全取消补贴,目的很明确,就是放手让生产厂家去市场的大海里游泳,要生存就要不断升级技术,不论是去年比亚迪发布刀片电池,还是蔚来信誓旦旦2023年准定会推出续航里程1000公里的固态电池,创新的氛围已经形成。起码,在动力电池领域,中国并不落后。展望未来,不论是动力电池,还是电动车,充电桩,势必生产得越多,成本就越低,竞争能力就越强。

  仅以动力电池为例,其价格在十年间,已经下降了90%,后续仍然会延续这样的势头。这也是在发展中解决问题的最好例证。

  这一点对于欧美日韩也是机会,不惟是中国的机会。但不同的是,对于中国是一个百年难遇的机会,失去了有可能再等一百年。

  电动车的技术进步不应也不会局限于动力电池,其最终目的是完全自动驾驶。电驱动的操作方便性与控制轻便性,以及软件的应用性,同自动驾驶具有天然的适配性,这也是燃油车难以比肩的。

  温俊 江西青莲新能源汽车服务有限公司CEO

  本文发表于《中国工业和信息化》杂志2021年1月刊总第31期

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