專題
[摘要]伴隨著動力電池市場競爭日趨激烈，圍繞著動力電池的創(chuàng)新不斷提速，新技術(shù)及新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。然而業(yè)內(nèi)認(rèn)為，無論是在結(jié)構(gòu)方面創(chuàng)新，還是材料方面創(chuàng)新，都必須堅持以安全性作為基石，高能量密度、高倍率性能作為主要發(fā)展方向的三大基本原則不變。
作為新能源車最核心的零部件，近年來隨著我國新能車產(chǎn)銷量呈現(xiàn)爆發(fā)式上升，鋰電池行業(yè)迎來發(fā)展的黃金期。為應(yīng)對日益增長的市場需求，動力電池企業(yè)紛紛跑馬圈地，投入巨額資金擴(kuò)產(chǎn)。粗略統(tǒng)計，目前僅國內(nèi)對外公布的規(guī)劃電池產(chǎn)能已超3000GWh。業(yè)內(nèi)人士預(yù)估，動力電池產(chǎn)能過剩已是板上釘釘?shù)氖虑椋麄€行業(yè)也將提前進(jìn)入到下半場競爭。
業(yè)內(nèi)普遍的共識是，動力電池企業(yè)之間的競爭，從根本上來說還是技術(shù)之爭。自2020年特斯拉正式公布4680大圓柱電池后，國內(nèi)電池企業(yè)及整車企業(yè)自然也不甘心被特斯拉搶去風(fēng)頭。在寧德時代及比亞迪的帶動下，主流電池企業(yè)不斷發(fā)布新的電池技術(shù)，創(chuàng)造出新的電池名稱。譬如寧德時代的麒麟電池、比亞迪的刀片電池、蜂巢能源的短刀電池等。
而在整車企業(yè)方面，包括上汽、廣汽、長城、哪吒等都研發(fā)了自己的動力電池技術(shù)。包括上汽的魔方電池、廣汽的彈匣電池、長城的大禹電池、哪吒的天工電池等。在電池新材料尚未突破之際，這些帶著不同名稱的電池技術(shù)，主要還是在電池結(jié)構(gòu)上進(jìn)行創(chuàng)新。大家希望通過電池結(jié)構(gòu)的優(yōu)化創(chuàng)新，來達(dá)到提升電動汽車?yán)m(xù)航能力、安全性及降成本等目的。
截至目前，這些動力電池技術(shù)大多還處于研發(fā)及驗證階段。除比亞迪刀片電池外，還沒有哪種電池技術(shù)在新能源車上得到廣泛的應(yīng)用。技術(shù)方向的轉(zhuǎn)變，可能只在朝夕之間。業(yè)內(nèi)分析認(rèn)為，當(dāng)產(chǎn)能這個相對較低的門檻趨于飽和，技術(shù)將主導(dǎo)下輪競爭。而企業(yè)在技術(shù)方面不斷的推陳出新，除展示自己強(qiáng)大的實力外，也希望借此構(gòu)筑起自己堅固的護(hù)城河。
電池企業(yè)首先發(fā)力
隨著新能源車發(fā)展的不斷深入，提升動力電池能量密度和安全性已逐漸成為剛需。通常這兩個指標(biāo)的提升主要依賴材料創(chuàng)新及結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。然而材料創(chuàng)新由于研發(fā)周期長、前期投入巨大以及難度高等特點，導(dǎo)致進(jìn)度緩慢且收效甚微。相比之下結(jié)構(gòu)創(chuàng)新具有見效快、成本低以及投入小的特點，成為近年來電池企業(yè)和車企提升能量密度及安全性的主流方式。
此前在模塊化趨勢的推動下，鋰電池多采用“電芯-模組-電池包”的三級結(jié)構(gòu)，然而這種結(jié)構(gòu)由于對內(nèi)部空間的利用不夠充分，導(dǎo)致系統(tǒng)能量密度低，不符合行業(yè)發(fā)展要求。因此自2020年以來，以寧德時代CTP技術(shù)為基礎(chǔ)，各大動力電池企業(yè)和新能源車企相繼推出去模組化、集成化的系統(tǒng)創(chuàng)新結(jié)構(gòu)以推升動力電池的空間利用率，借此提升能量密度。
去年六月，寧德時代發(fā)布CTP3.0電池，即麒麟電池。通過提高電池包利用空間，麒麟電池比能量大增，磷酸鐵鋰系統(tǒng)能量密度160wh/kg，三元高鎳可達(dá)250wh/kg。值得注意的是，麒麟電池相較特斯拉4680電池還能提升13%的能量密度。業(yè)內(nèi)人士分析，寧德時代這項領(lǐng)先的電池集成技術(shù)勢必再度強(qiáng)化寧王的核心技術(shù)與市場競爭力，潛力非常大。
而近期有關(guān)麒麟電池量產(chǎn)裝車的消息頻出。三月份有消息傳出，寧德時代自研的麒麟電池已經(jīng)全面實現(xiàn)量產(chǎn)，這款電池從發(fā)布到量產(chǎn)，僅僅只用了九個月時間。而外媒也細(xì)心研究過麒麟電池，并與特斯拉的4680電池進(jìn)行對比，最終得出的結(jié)論是，麒麟電池的體積利用率高達(dá)72%，而特斯拉4680電池體積利用率僅為63%，兩者間的差距接近10%。
基本可以這樣理解，電池的體積利用率越高，那么電池的容量就能越大。因此麒麟電池相較于4680才會有13%的能量密度提升。事實上，麒麟電池最大的亮點就是，能夠讓電動車實現(xiàn)1000公里續(xù)航，而目前市面上還沒有哪款電池能夠做到。值得注意的是，寧德時代的麒麟電池還獲得權(quán)威雜志《時代周刊》的肯定，將其評定為2022年度最佳發(fā)明。
四月再度傳來消息，麒麟電池全球量產(chǎn)首發(fā)極氪009車型已正式交付。該電池包可同時適用三元鋰和磷酸鐵鋰兩種體系，能量密度大幅提升，充電方面更實現(xiàn)10分鐘快充。寧德時代首席科學(xué)家吳凱表示，麒麟電池的冷卻功能比傳統(tǒng)電池冷卻面積提高約四倍，在快充會發(fā)熱的條件下，可做到不犧牲任何壽命，不犧牲能量密度，也不需要任何安全測試。
比亞迪推出的刀片電池，因為形似刀片而得名，該電池主打的是安全性。用比亞迪董事長王傳福的話來講：刀片電池提振了比亞迪徹底終結(jié)新能源汽車安全痛點的信心，讓全球動力電池技術(shù)路線重回正軌，讓自燃的標(biāo)簽從新能源車的字典里徹底抹掉。自去年三月刀片電池正式發(fā)布以來，刀片電池逐漸在比亞迪全系車型中應(yīng)用，實現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用落地。
根據(jù)針刺試驗的結(jié)果顯示，三元鋰電池在針刺瞬間表面溫度超過500度，傳統(tǒng)方形的磷酸鐵鋰電池被穿刺后表面溫度會迅速達(dá)到200至400度，而比亞迪的刀片電池表面溫度始終只有30至60度。中科院院士歐陽明高指出，刀片電池短路時產(chǎn)熱更少且散熱更快，安全性能優(yōu)異。同時在續(xù)航上，刀片電池比傳統(tǒng)磷酸鐵鋰電池提升50%，且生產(chǎn)成本更低。
蜂巢能源也于去年十二月重磅發(fā)布龍鱗甲電池。官方資料顯示，通過技術(shù)優(yōu)化，采用磷酸鐵鋰電芯的龍鱗甲電池系統(tǒng)體積成組效率大幅提升至76%，續(xù)航超過800公里，采用高錳鐵鎳電芯超過900公里，采用三元電芯則超過1000公里，可幫助整車企業(yè)在有限的空間內(nèi)，大幅拓展續(xù)駛里程的上限。極致的兼容性也為整車企業(yè)縮短新車型的研發(fā)周期。
值得注意的是，龍鱗甲電池成本優(yōu)勢也明顯，由于采用了電芯底部防爆閥的設(shè)計，取消了中央的排氣通道，這樣的創(chuàng)新設(shè)計使龍鱗甲電池減少了近20%的結(jié)構(gòu)件，為電池包減重將近20公斤。這些結(jié)構(gòu)件的減少和減重，使電池包的成組率提升至76％，達(dá)到目前行業(yè)最高水平。因此不僅能直接降低物料成本，又能提升生產(chǎn)效率，還能提升整車?yán)m(xù)航里程。
除上述企業(yè)外，其他主流電池企業(yè)也紛紛公布自己在技術(shù)方面的創(chuàng)新布局。如中創(chuàng)新航推出的頂流電池，可以做到6C快充，電芯能量密度可以做到300Wh/kg；孚能科技推出的電池解決方案SPS，通過大電芯配合層疊布置，可使電池的系統(tǒng)部件減少50%，材料成本降低33%，提升體積利用率達(dá)到75%。此外捷威動力也推出降本增效的積木電池等。
主流車企紛紛跟進(jìn)
無論是新舊造車時代，車企在汽車產(chǎn)業(yè)鏈中的重要地位都沒有改變，但車企與供應(yīng)商之間的關(guān)系卻與以往大不相同。有行業(yè)人士認(rèn)為，在燃油車時代，整車企業(yè)是產(chǎn)業(yè)鏈中議價能力最強(qiáng)的。但是到了電動車時代，換成電池企業(yè)成為產(chǎn)業(yè)鏈中最有話語權(quán)的環(huán)節(jié)。更何況整個產(chǎn)業(yè)鏈利潤分配不均衡，讓車企成為名副其實的打工人，這顯然讓車企無法忍受。
更重要的是，在全球汽車加速電動化的背景下，動力電池供不應(yīng)求，新能源車企與電池廠商之間的供需矛盾也隨之凸顯。2021年新能源車企們更普遍遭遇電池荒。危機(jī)之下，車企們開始重新審視被忽視良久的供應(yīng)體系問題，大家不得不摒棄將專業(yè)的事情交給專業(yè)的人的想法，意識到不僅要把車造好，更要自建動力電池研發(fā)體系，打通產(chǎn)業(yè)鏈的閉環(huán)。
如今越來越多的車企踏上自造電池之路，除廣汽、上汽等主流車企外，包括蔚來、哪吒等新勢力品牌也接連入場。大家在布局產(chǎn)能的同時，也在不斷發(fā)布全新的電池技術(shù)，向外界展示自己的硬實力。早在2021年九月，蔚來汽車發(fā)布自研動力電池系統(tǒng)并稱之為三元鐵鋰電池，其獨(dú)特之處在于采用三元鋰與磷酸鐵鋰電芯混合排布的方式，引起巨大反響。
去年六月，蔚來汽車又公開關(guān)于柱狀電池發(fā)明專利。根據(jù)專利描述，蔚來汽車通過設(shè)計全新的柱狀電池，優(yōu)化了極耳的分布方式，即將正極耳和負(fù)極耳設(shè)置在同側(cè)，改進(jìn)了當(dāng)前圓柱電池部分缺點。同時正極耳和負(fù)極耳設(shè)置成多圈環(huán)狀分布，優(yōu)化了極耳分布，減小了電芯內(nèi)阻。從描述上不難發(fā)現(xiàn)，該柱狀電池似乎和特斯拉的4680電池有部分相似之處。
與比亞迪的刀片電池類似，廣汽埃安推出的彈匣電池，同樣主打安全性。這種電池結(jié)構(gòu)是將多個電芯組成電池模組，再用多個模組組成整個動力電池包。該電池技術(shù)采用了耐高溫材料，各個電芯之間也采用了隔熱材料，即便其中某個電芯發(fā)生熱失控，也不會波及到其他電芯。當(dāng)時埃安搭載彈匣電池系統(tǒng)安全技術(shù)的三元電池包還通過了針刺熱擴(kuò)散試驗。
最新消息是，今年三月底埃安舉行了彈匣電池2.0槍擊試驗發(fā)布會，即在15米處對預(yù)留射擊開口的滿電電池整包進(jìn)行射擊。面對如此嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)，彈匣電池2.0整包槍擊后未發(fā)生起火和爆炸，拆開電池系統(tǒng)外殼后整體結(jié)構(gòu)完整，僅有三個電芯爆裂性損壞，靜置24小時后電池溫度恢復(fù)至常溫，順利通過了槍擊試驗。而這在全球范圍內(nèi)，尚屬于首次。
去年八月，來自上汽創(chuàng)新研發(fā)總院捷能公司的電池技術(shù)專家們深度解讀了上汽魔方電池的奧秘。總結(jié)來看，魔方電池最明顯的特點就是通過躺式電芯將電池包厚度做薄，電池包內(nèi)部空間利用率大幅提升；通過側(cè)向噴發(fā)，解決了立式電芯向上噴發(fā)的潛在危險性，安全性得到提升。這些技術(shù)的加持下，魔方電池成功挑戰(zhàn)了針刺實驗，沒有起火、爆炸現(xiàn)象。
同為造車新勢力的哪吒汽車，也推出了自己的天工電池。據(jù)哪吒汽車總裁助理兼汽車工程研究院常務(wù)副院長張洪雷介紹，針對動力電池安全性、續(xù)航、壽命三大痛點，哪吒汽車研發(fā)的天工電池通過超強(qiáng)防護(hù)、高集成化的設(shè)計，高效智能的恒溫?zé)峁芾硐到y(tǒng)及全生命周期的電池閉環(huán)管理系統(tǒng)，解決用戶對安全、續(xù)航和壽命的擔(dān)心，大幅提升用戶使用體驗。
從單純造車，再到電池生產(chǎn)及技術(shù)創(chuàng)新，在新能源車市場爭奪戰(zhàn)的下半場，部分車企對整合垂直供應(yīng)鏈的熱情持續(xù)升溫。大家普遍的共識是，若想要確保自己的競爭力，勢必要在動力電池研發(fā)以及成組效率上發(fā)力。車企除了布局電池產(chǎn)能，還針對安全性、續(xù)航里程及壽命等行業(yè)痛點，不斷推出新的電池成組技術(shù)，勢必推動新能源車發(fā)展邁上新的臺階。
材料創(chuàng)新才是終極目標(biāo)
當(dāng)前動力電池行業(yè)競爭不斷加劇，各大廠商對電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和電芯組合方面的改造升級顯然已經(jīng)不能滿足行業(yè)的實際需求。而從實際的裝機(jī)情況來看，除了自產(chǎn)自銷的比亞迪已經(jīng)實現(xiàn)對刀片電池的大規(guī)模應(yīng)用外，其他的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化的并不多。如今行業(yè)更期待更具性價比、創(chuàng)造力、前瞻性的技術(shù)不斷出現(xiàn)，如鈉離子電池、半固態(tài)電池等。
首先鈉離子電池方面。2021年七月，寧德時代發(fā)布首代鈉離子電池，其電芯單體能量密度達(dá)到160Wh/kg，接近磷酸鐵鋰。業(yè)內(nèi)認(rèn)為，相較于磷酸鐵鋰和三元鋰電池，鈉離子電池在成本、安全、快充和低溫性能上有較大優(yōu)勢。尤其是從原材料的儲備來看，鈉資源在全球的儲量非常豐富，其在地殼中的豐度位于第六位，豐富的原料儲備避免了價格波動。
與電池級碳酸鋰每噸均價數(shù)十萬元相比較，鈉離子電池所需的輕質(zhì)純堿均價不足5000元每噸。而且鈉離子電池還能采用銅基正極材料來避開價格較高的過渡金屬化合物。同時負(fù)極材料可通過價格較低的無煙煤加工獲得，隔膜成本基本與鋰電池相近。根據(jù)中科海鈉的綜合測算，鈉離子電池成本比磷酸鐵鋰電池低約40%，未來成本有望降至0.2元/WH。
不過由于鈉離子電池能量密度短板，此前在新能源車領(lǐng)域應(yīng)用較少。不過近日動力電池龍頭企業(yè)寧德時代高對外宣布，其鈉離子電池將首發(fā)落地奇瑞車型。同日在奇瑞 ICAR 品牌之夜上，奇瑞和寧德時代聯(lián)合推出全新電池品牌ENER-Q。該品牌將覆蓋純電、插混、增程全動力類型及鈉離子電池、磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池、M3P等材料體系電池系統(tǒng)。
寧德時代研究院副院長黃起森指出，在乘用車應(yīng)用方面，鈉離子電池普遍可以滿足續(xù)航400公里以下的車型需求。通過結(jié)合寧德時代首創(chuàng)的AB電池系統(tǒng)集成技術(shù)，還可以實現(xiàn)鈉鋰電池混搭，使鈉離子電池應(yīng)用有望擴(kuò)展到500公里續(xù)航車型。這種續(xù)航車型會面向65%的市場，應(yīng)用前景非常廣闊，也為鈉離子電池在新能源車領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化落地提供了條件。
而在寧德時代之前，今年二月思皓新能源與中科海鈉聯(lián)合打造的行業(yè)首臺鈉離子電池試驗車公開亮相。該試驗車基于思皓花仙子打造，定位于微型電動車。應(yīng)用了鈉離子電池包的思皓花仙子續(xù)航里程將達(dá)252公里，電池容量25kWh，快充時間為15至20分鐘。思皓新能源負(fù)責(zé)人表示，等到鈉離子電池技術(shù)和性能成熟后，則可以應(yīng)用于中大型電動車上。
此外還有消息稱，比亞迪全新微型電動車海鷗也將采用鈉離子電池，并將于今年第二季度上市；多氟多已與三家大型主機(jī)廠商達(dá)成共識，將在上半年陸續(xù)發(fā)布裝車計劃；孚能科技正基于江鈴新能源EV3車型開展鈉離子電池前期適配性工作等。不過業(yè)內(nèi)人士稱，鑒于鈉離子電池當(dāng)前接近1元/WH的價格，其在電動車上的規(guī)模應(yīng)用估計得等到2025年后。
其次在半固態(tài)電池方面。基于規(guī)模化、商業(yè)化、成本等諸多問題，動力電池的終極形態(tài)全固態(tài)電池可能在2030年前都很難實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，而作為折中方案的半固態(tài)電池得以率先步入市場。與液態(tài)電池相比，半固態(tài)電池在安全性、能量密度與循環(huán)壽命等多個方面更具優(yōu)勢。在眾多動力電池企業(yè)推動下，半固態(tài)電池今年內(nèi)有望迎來量產(chǎn)裝車關(guān)鍵時點。
國軒高科工程研究院總院副院長徐興無透露，公司研發(fā)的單體能量密度360Wh/kg、系統(tǒng)能量密度達(dá)到260Wh/kg的半固態(tài)電池已經(jīng)開始進(jìn)入裝車測試階段。配套車型的電池包電量達(dá)160KWh，具備快充性能，續(xù)航里程超過1000km。半固態(tài)電池匹配客戶需求，預(yù)計年內(nèi)將批量交付。同時公司研發(fā)的400Wh/kg三元半固態(tài)電池在實驗室已有原型樣品。
去年十二月，孚能科技也表示，目前公司已有半固態(tài)產(chǎn)品實現(xiàn)量產(chǎn)裝車。據(jù)悉孚能科技推出的半固態(tài)電池，就是把部分電解液換成了固態(tài)，提升了能量密度，還改變了上代動力電池系統(tǒng)多電芯串聯(lián)的設(shè)計，簡化了電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了快充效率，官方表示在-20℃的環(huán)境中，SPS 系統(tǒng)容量始終保持在 90% 以上，且充電10 分鐘，可達(dá) 400 千米的續(xù)航。
今年三月，東風(fēng)嵐圖推出純電動車型嵐圖追光。據(jù)官方信息顯示，該車型接近40萬元的售價卻在未上市前就收獲萬輛訂單。這款車到底有什么吸引人的地方？答案就是其搭載的半固態(tài)電池，它是國內(nèi)首款搭載了該電池的車型，被認(rèn)為是新能源車的顛覆者和固態(tài)電池的普及者。作為業(yè)內(nèi)首個8系三元電芯半固態(tài)電池，其已通過針刺試驗，續(xù)航580KM。
此外包括寧德時代、億緯鋰能、贛鋒鋰業(yè)、蔚來汽車等也公布半固態(tài)電池進(jìn)展，多數(shù)預(yù)計將在年內(nèi)實現(xiàn)半固態(tài)電池量產(chǎn)裝車。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，動力電池市場競爭日趨激烈，推動著動力電池技術(shù)創(chuàng)新不斷加速。然而無論是在結(jié)構(gòu)方面創(chuàng)新，還是材料方面創(chuàng)新，都必須堅持安全性作為基石，高能量密度、高倍率性能作為主要發(fā)展方向的三大基本原則不變。
從目前情況來看，以寧德時代麒麟電池、比亞迪刀片電池、特斯拉4680電池為代表的電池技術(shù)和產(chǎn)品雖然各領(lǐng)風(fēng)騷，然而由于市場局限，短時間內(nèi)恐難決出絕對王者；鈉離子電池、半固態(tài)電池等全新技術(shù)仍在大規(guī)模應(yīng)用前夜，還遠(yuǎn)不具備顛覆當(dāng)前動力電池產(chǎn)業(yè)格局的條件。然而唯有不斷的創(chuàng)新，才能成為企業(yè)打造核心競爭力，推動行業(yè)發(fā)展的動力。
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