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撰文 / 天玑
对于电池的发展周期,行业有公认的进度表,那便是30年为一个周期 。按照三十年一个周期计算,下一代电池的现身时间应在2020年左右。但直到2024年,下一代电池还没有走到大规模商业化阶段。
作为新能源汽车的核心部件,各方对此都高度重视,这不禁让人产生一个疑问,那就是为什么至今还没有新的突破?
30年周期没有失效,但电池的进展依旧漫长
新一代电池为何迟迟没有现身?这还要从电池的核心部分说起。
电池的基本原理是用高活性的金属材料制作阳极,用较稳定的材料制作阴极,阳极材料由于库仑力的原因会发生还原反应(丢失电子),电子流向阴极发生氧化反应(获得电子),电池内部(电解液)则发生阴极的阴离子流向阳极与阳离子结合,由此形成回路,产生电能。不同种类的电池,主要是正负极和电解液材料不同,每一代电池的突破之处也在于此。
以铅酸电池和锂离子电池为例。铅酸电池正极的主要成分是二氧化铅,负极的主要成分是铅,电解液锂离子电池正极的主要成分是含锂的过渡金属氧化物、磷化物,负极的主要成分是碳材料。与铅酸电池相比,锂离子电池的能量密度更高,这是新能源汽车选择锂离子电池的主要原因。
发现新材料,是一个漫长的过程。
锂离子电池的正极材料在1980年就确定下来了,分别是钴酸锂、磷酸铁锂和锰酸锂。但直到1991年,吉野彰摆脱负极锂金属限制,创新性使用石墨作为负极,才开发出了第一款商用锂离子电池。
在锂离子电池之后,行业又发明了几种使用新材料的电池,如固态电池、钠离子电池。
固态电池的发展历史可以追溯到十九世纪。当时迈克尔·法拉第发现了固体电解质硫化银和氟化铅,开启了固态电池的研究序幕。不过由于涉及基础科学研究,固态电池的进展十分缓慢。
直到二十世纪五十年代之后,科学家相继在固态电解质材料上取得了突破,固态电池的发展进程才加快了。到了九十年代,美国橡树岭国家实验室开发了新型固态电解质氮化锂磷氧。
除了材料创新,业界还在物理层面尝试让动力电池“换新”。
动力电池按照形状划分可分为方形、软包和圆柱三种,方形的射击场份额最高,约为60%。
以特斯拉为代表的企业希望用圆柱电池替代方形电池。圆柱电池可以分为小圆柱和大圆柱两类,前者已经是成熟产品,后者是行业新兵。大圆柱电池的代表是特斯拉提出的4680圆柱电池(直径46毫米、高度80毫米的电池)。在特斯拉看来,这是提升续航、降本的最佳尺寸。
除了特斯拉,宁德时代、松下、LG等企业,也布局了大圆柱电池。但大圆柱电池也没有走到商业化阶段,4680电池已经难产。
固态电池最火,但不是未来?
固态电池是动力电池行业的顶流,承载着下一代电池的重任。
现在的动力电池的电解液都是液态,固态电池的电解液变成了固态电解质。按照电解液的形态划分,固态电池又分为准固态、半固态和全固态三种。准固态液体电解质质量百分比<5%,半固态液体电解质质量百分比<10%,全固态则不含有任何液体电解质。
固态电解质具有更高的热稳定性,这能让动力电池使用能量密度更高的正负极材料,从而提高车辆的续航。在“续航是测消费者购车时的最大顾虑”的当下,固态电池无疑能让消费者打消顾虑,因此它也成为了行业追捧的香饽饽。
目前,固态电池的技术路线分为聚合物、氧化物与硫化物三种路线,它们各有优劣。
其中性能最好的是硫化物,是三种材料体系中离子电导率最高的,且质地较为柔软,可塑性强。日韩企业是硫化物的支持者,丰田、三星、松下都选择了这个路线。
其中最为激进的是丰田,它的成果也最丰厚。早在2012年,丰田就拿出了全球首款硫化物固态电池,其专利储备多达1300+项,位列世界第一。
可见日本车企的高管虽然会发出一些贬低新能源汽车的言论,但他们的身体还是很诚实的。不过,丰田也没法让固态电池量产。丰田曾在2017年宣布将在2020-2025年,推出十款以上采用固态电池的纯电车,随后却跳票了。2023年,纯电动汽车销量在丰田总销量中的占比不到1%。
这主要是因为硫化物路线的技术难度太高。这种材料容易与正负极材料发生副反应,造成界面高阻抗,导致内阻增大。另外,它还容易与空气中的水分发生反应,释放有毒的硫化氢气体,这对生产、加工和运输环节提出了很高的要求,企业需要一些特殊手段。
目前,半固态电池的商业化进展比较快。
去年12月,蔚来创始人李斌做了一场直播续航测试,测试的对象就是半固态电池(容量为150度)。这款半固态电池包由蔚来汽车和卫蓝新能源合作开发,单电芯能量密度为360Wh/kg,整包能量密度260Wh/kg。采用了原位固化的固液电解质,无机预锂化的硅碳负极,纳米级包覆的超高镍正极。经过李斌实测,搭载150度半固态电池的ET7的续航超过1044km(剩余36km),平均百公里能耗为13.2千瓦时。
在测试的时候,李斌还表示,这款半固态电池包不会向第三方供货。“目前,150度电池包非常难量产,产量比较低,良率也很有挑战。”李斌说。
难产只是半固态电池的挑战之一,有业内人士透露,这或许是目前全球单位(每WH)成本最高的电池包,甚至超过了特斯拉的4680电池成本。“无论是材料还是制造工艺,肯定都是最贵的。”
可以看到,即便是进展较快的半固态电池,现在也面临成本问题。以此推导,全固态电池的普及之日更是遥遥无期。因此,固态点吃的问题不是“是不是未来”,而是什么时候能“拉出来溜溜”。
钠电池是未来吗?
如果回到电池进化的原点,半固态或者固态电池其实都不能算是真正的下一代电池,它们的正负极材料依然是锂离子,只是在电解液部分有创新。行业也在研发新的正负极材料,那就是钠离子电池。
相比锂离子电池,钠离子电池的优势并不是更高的能量密度,而是优秀的低温性能。
新能源汽车在冬季和高寒地区,续航会打折扣,这是由于锂离子电池不耐低温。
目前,锂离子电池的工作温度区间为 -20℃-60℃,在我国东北地区,-20℃只是日常。钠离子电池可以在-40℃-80℃ 的温度区间正常工作,在-20℃ 环境下的容量保持率近 90%,在-40 ℃低温下可以放出 70%的容量,在高温 80 ℃时仍然可以正常循环充放电使用。
如果新能源能够使用钠离子电池,其市场覆盖范围自然会更广。另外,相比锂电池,钠电池的成本更低。
宁德时代、比亚迪都布局了钠电池业务。更重要的是,钠电池已经走到商业化阶段了。
今年1月,全球首款搭载钠离子电池的新能源汽车江淮钇为“花仙子钠电版”正式向用户批量交付,这款车由中科海钠宣布与江淮钇为联合推出。在此之前,孚能科技与江铃集团合作推出的江铃易至EV3(青春版)也下线了。
钠电版花仙子为A00级车型,采用的钠离子电芯为中科海钠ME12圆柱电芯,其能量密度大于等于140Wh/kg,续航里程为252公里。江铃 易至EV3(青春版)也是A00级车型,续航为251公里,孚能科技目前已投产的钠离子电池能量密度在140至160Wh/kg之间。
从数据上来看,这两款钠电池车型的续航明显要短一些。而新能源汽车的发展方向是续航越来越长,难道钠电池也不是动力电池的下一个选择?这取决于能量密度和成本。磷酸铁锂电池就是在这两点的帮助下,在市场份额上超越了三元锂电池。
现在,钠电池的能量密度已经接近磷酸铁锂电池,中科海钠在研钠离子电芯能量密度已超过160Wh/kg。此时,成本是否经济,就显得更重要。毕竟新能源苦电池久矣,广汽董事长曾庆洪和小米董事长雷军都公开吐槽过电池太贵。
其中最重要的是相对成本,即相对于磷酸铁锂电池的成本。浙江青钠董事长王子煊曾公开表示,当碳酸锂价格下探到10万元/吨时,钠离子电池的边际成本领先12%左右;如果碳酸锂价格回归到5万元/吨,钠离子电池的边际成本仅领先约5%。也就是说,当钠电池在成本上“遥遥领先”磷酸铁锂电池时,市场就有更强的推广动力。
鉴于江淮钇为的销量并不算好,难以通过终端的规模优势让钠离子电池降本。与磷酸铁锂电池相比,钠离子电池的现状是处于从1到N的起步阶段。
总的来看,无论是固态电池还是4680电池、钠电池,业界一直都在探索可能性,但目前还没有找到可以替代锂电池的选项。