電動汽車及車用電池發(fā)展趨勢
日期：2024-11-25 07:30:28 作者：宏力精密鋼管 閱讀數(shù)：398電動汽車目前最大的問題是價格和純電續(xù)航里程，解決這兩大問題的主要辦法除了提高電池組能量密度之外，還有就是標(biāo)準(zhǔn)化和輕量化，其中標(biāo)準(zhǔn)化主要是指核心部件如電池模塊、電機等的標(biāo)準(zhǔn)化，而輕量化則是指在不降低車輛安全系數(shù)的前提下，將體重較大的部件減重。這就是未來幾年電動汽車技術(shù)發(fā)展的主要方向。
既然電動汽車市場是未來一段時間鋰離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展最重要的推動力，這里我們就簡單來看一看電動汽車及車用電池未來幾年是一個怎樣的發(fā)展趨勢。鑒于電池是電動汽車最核心的零部件，在純電動汽車的制造成本方面，電池的占比也最高，普遍在30%以上，有的甚至40%或50%以上。自2011年電動汽車商業(yè)化元年以來，電動汽車的銷量與電池價格的變化密切相關(guān)，具體見圖5。
電動汽車的銷量與電池價格的變化密切相關(guān)
從圖5可以看到，車載電池組價格每下降10%，電動汽車銷量增長大約在20%～30%之間。不過，隨著這幾年車載電池組價格的大幅度下降(由2011年的1100美元/kWh下降到2014年的390美元/kWh)，現(xiàn)有技術(shù)水平下再繼續(xù)下降的空間不大，價格的驅(qū)動力正在用盡，預(yù)計本年度車載電池組價格的降幅會到10%以下，而海外電動汽車的市場銷量增幅則會降到20%以下。中國電動汽車市場2014年和本年度非常火爆，預(yù)計本年度銷量將突破20萬輛，從而超越美國成為全球最大市場，但這主要是政府強力刺激和市場封閉發(fā)展雙重措施下的結(jié)果，與電池價格的變化的對應(yīng)關(guān)系還不太明顯。
真鋰研究和中國電池網(wǎng)認為，電動汽車目前最大的問題是價格和純電續(xù)航里程，解決這兩大問題的主要辦法除了提高電池組能量密度之外，還有就是標(biāo)準(zhǔn)化和輕量化，其中標(biāo)準(zhǔn)化主要是指核心部件如電池模塊、電機等的標(biāo)準(zhǔn)化，而輕量化則是指在不降低車輛安全系數(shù)的前提下，將體重較大的部件減重。這就是未來幾年電動汽車技術(shù)發(fā)展的主要方向。這些方向目前都有車企和零部件廠商在積極嘗試。這里我們主要介紹車輛和電池方面的進展。
1、進一步降低電池的單位成本
如圖6所示，電動汽車產(chǎn)品開發(fā)目前主要存在兩類情況，一是在解決純電續(xù)航里程的情況下降低車輛的售價，二是在車輛價格已經(jīng)比較低的情況下提升純電續(xù)航里程。特斯拉就是第一類情況的代表，他正在積極開發(fā)3.5萬美元左右的大眾型純電動汽車產(chǎn)品Model Ⅲ，而其中最重要的工作就是要降低電池的單位成本。
特斯拉一直在致力于降低其車載電池組成本的努力。根據(jù)真鋰研究掌握的有限的資料來分析，2009年其第一款產(chǎn)品Roadster EV上市銷售時，電池組成本大概是1,100～1,200美元/kWh;到2012年中期第二款產(chǎn)品Model S EV上市銷售時，大概是700美元/kWh左右，主要得益于電池組系統(tǒng)(BMS、冷卻系統(tǒng)和安全系統(tǒng))價格的下降;2014年特斯拉電池組的成本大概降到了420美元/kWh左右(其中電芯成本大約占比75%)，主要得益于電芯價格的下降。特斯拉公開披露的信息顯示，其2014年支付松下3.1Ah電芯的采購價大約是3.5美元/只(約合313.62美元/kWh)。
但是，420美元/kWh的成本對于Model Ⅲ而言還是太高。有分析表明，要保證Model Ⅲ有220英里(350km)的純電續(xù)航里程，需要搭載至少可存儲44kWh電量的電池組，這樣計算，電池組成本就將1.85萬美元，占到了3.5萬美元售價的近53%，這顯然是不行的。在電機等其他核心部件成本下降空間不大的情況下，必須要大幅度降低電池成本才行，在420美元/kWh的基礎(chǔ)上再減掉一半以上是最好。
為此，特斯拉主要采取了兩個辦法，一是興建超級電池工廠Gigafactory，依靠規(guī)模降低成本;二是革新電池技術(shù)，依靠技術(shù)降低成本。Gigafactory已于2014年在美國內(nèi)華達州的沙漠里開始建設(shè)，計劃一期生產(chǎn)線2017年建成投產(chǎn)，這也正好是Model Ⅲ計劃上市的時間。應(yīng)特斯拉的要求，松下這幾年一直在研發(fā)新的由正、負極材料構(gòu)成的新一代電池，能夠降低成本、提高能量密度，延長電池壽命。
表5：特斯拉使用的老18650電芯和新20700電芯的情況對比
這種新一代電池就是Gigafactory工廠將要大規(guī)模量產(chǎn)的20700電芯。據(jù)外媒披露，這種新型號電芯的能量密度將增加36%，組成模塊后的重量也會較現(xiàn)有產(chǎn)品降低30%以上，更為重要的是，由于減少了很多電芯包裝裝置的鋼和鋁等材料(能量密度的提高也主要是這個原因)，電芯的制造成本將降低一半。使用新型20700電芯后，模塊也減少了一個層級，這樣，電池組的控制也得到了很大程度提高。
真鋰研究和中國電池網(wǎng)的數(shù)據(jù)顯示，2014年鋰離子電池電芯市場均價約1500元/kWh，折合成美元大約245美元/kWh，其中以車載電池為代表的動力電池電芯約300美元/kWh，以手機電池為代表的小型鋰離子電池電芯不到200美元/kWh。真鋰研究預(yù)計到2020年鋰離子電池的能量密度會普遍提升30%以上，同時電芯均價會普遍下降1/3以上，降到160美元/kWh以下，其中車載電池電芯的均價會降到200美元/以下。
2、提升電池組能量密度
如圖6所示，提升電池組能量密度主要有兩個辦法，一是在不降低安全系數(shù)的情況下，使用輕質(zhì)部材對電池組框架進行輕量化處理，二是提升電芯的能量密度。日產(chǎn)2013年初推出的改款Leaf產(chǎn)品，主要變化是采取了輕量化鋰離子電池架構(gòu)，改進了動力總成布局，這使得Leaf EV的重量減輕了105kg(原來是1,545kg，現(xiàn)在減輕到1,440kg)。減輕重量的具體辦法是：①減輕電芯外殼重量(約減輕了20kg);②減少了用來固定電池模塊的螺釘?shù)臄?shù)量，并去掉了支架多余的壁厚;③減輕了電池模塊的外裝。后兩個辦法減輕了約85kg。這樣，Leaf電池組的能量密度就由之前的86Wh/kg提升到了92.9Wh/kg，車輛的續(xù)航里程也由之前的120km提升到了135km(指實際工況)。
根本辦法還是提升電芯的能量密度。這也同樣有兩種途徑，一是減輕電芯外包裝材料的重量，二是提升電池技術(shù)水平。上面已經(jīng)提到，AESC是直接將Leaf用電芯外殼做輕量化處理，而松下是將電芯做大成20700型號，使得同樣電量情況下使用的電芯數(shù)量更少，從而減輕電芯外殼總重量，以提升能量密度。把電芯做大目前是多數(shù)企業(yè)采取的辦法。這兩種辦法殊途同歸。同樣，提升電芯能量密度的根本辦法還是要靠提升電池技術(shù)水平，現(xiàn)階段這主要是要依靠正極材料技術(shù)水平的提高來實現(xiàn)。幾乎所有電池企業(yè)都把工作重心放在這上面。通過電池技術(shù)進步提升能量密度的辦法主要有兩個：一是采用5V級正極材料提升電池的電壓，二是采用高容量正極材料提升電池的容量，二者結(jié)合當(dāng)然是最佳。
還是以日產(chǎn)Leaf為例，將于今年晚些時候推出的2016款Leaf EV將會有S、SL和SV三個子款，其中入門版的S款將維持24kWh電池組的配置，而SL和SV則會將電池組可存儲電量增加到30kWh，同時電池組體積不變。這樣，車輛的續(xù)航里程將提升25%，以美國EPA數(shù)據(jù)看，續(xù)航里程將由目前的135km提升到169km。即將采用的30kWh電池組就是采用了新的電池技術(shù)，從相關(guān)資料來看，正極材料應(yīng)該是由之前的“LMO+NCA”組合變成了“LNMO+NCA”組合。這個LNMO(鎳錳酸鋰)就是5V級正極材料。電芯的能量密度也因此由157Wh/kg提升到了200Wh/kg左右。
正極材料高容量化的技術(shù)開發(fā)，目前主要集中在兩種三元材料身上，分別是鎳鈷錳酸鋰(NCM)和鎳鈷鋁酸鋰(NCA)，其中NCM的技術(shù)開發(fā)方向是高鎳化。目前動力電池用NCM材料主要使用的是NCM111、NCM532和NCM523這三種，三星SDI給寶馬等車企提供的電芯使用的是NCM622，有中國企業(yè)開發(fā)出了NCM701515，該技術(shù)下一步的發(fā)展就是NCM811，到了NCM811這個階段，NCM材料的容量就基本上和NCA一樣了。中國電池企業(yè)的動力電池技術(shù)開發(fā)目前大多集中在NCM方向;致力于NCA電池技術(shù)開發(fā)的還不多，真鋰研究目前僅知天津力神已經(jīng)開發(fā)出了NCA電池，NCA材料技術(shù)的開發(fā)企業(yè)主要有貝特瑞、天驕科技等。
還有一種電池技術(shù)值得高度關(guān)注，就是全固態(tài)鋰離子電池技術(shù)。使用固態(tài)電解質(zhì)的、能量密度可輕松達到300Wh/kg的全固態(tài)鋰離子電池技術(shù)開發(fā)也越來越清晰地看到了量產(chǎn)的曙光。豐田已經(jīng)試制出了2Ah的全固態(tài)鋰離子電池產(chǎn)品，裝配在其微型電動汽車上收集實證試驗數(shù)據(jù)。豐田計劃2020年之前將全固態(tài)鋰離子電池技術(shù)投入商業(yè)化應(yīng)用。通用汽車參與投資的美國Sakti3也已掌握了相關(guān)技術(shù)，目前正在設(shè)計開發(fā)以最小的設(shè)備投資實現(xiàn)最大生產(chǎn)效率的全固態(tài)鋰離子電池生產(chǎn)線(以現(xiàn)有方式制造的話，生產(chǎn)效率會非常低下，從而導(dǎo)致成本會高得離譜，必須要開發(fā)一種全新的生產(chǎn)方式)。
從媒體的相關(guān)報道來看，Sakti3希望在2017年或2018年前后上市銷售其全固態(tài)鋰離子電池產(chǎn)品，至于其產(chǎn)品單位kWh價格，可能會比現(xiàn)有的鋰離子電池還要低。如果是這樣，那鋰離子電池技術(shù)就即將迎來一場革命。也有人認為，現(xiàn)有的液態(tài)鋰離子電池從上世紀(jì)70年代開始相關(guān)理念和實證試驗就在齊頭并進推進，但真正開始商業(yè)化應(yīng)用是在90年代。全固態(tài)鋰離子電池大致是從2010年前后開始廣受關(guān)注的，相對應(yīng)，其商業(yè)化應(yīng)用也可能得到2030年前后。但在我們看來，技術(shù)的發(fā)展自進入21世紀(jì)以來一直呈現(xiàn)出加速度發(fā)展?fàn)顟B(tài)，這從IT技術(shù)的巨大進步就可見一斑。只要制造固態(tài)電池所需材料的資源不是如白金(燃料電池催化劑的核心用材)般那么稀缺和昂貴，其他都不是問題。
綜合來看，鋰離子電池及其相關(guān)材料產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進入到了技術(shù)制勝的發(fā)展階段。技術(shù)制勝的根本在于新材料技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。
3、模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化
IT技術(shù)的飛躍發(fā)展得益于電腦的快速普及，而對于電腦快速普及起至關(guān)重要作用的就是電腦部件和各種接口的標(biāo)準(zhǔn)化，因此，假如有一天電動汽車及車載電池也能實現(xiàn)模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化，不難想象，這肯定會推動電動汽車制造成本快速下降，從而使電動汽車迅速普及。從汽車制造來看，跨國車企們于20世紀(jì)90年代興起的平臺化戰(zhàn)略極大降低了汽車的制造成本，為汽車快速普及做出了巨大貢獻。目前，汽車平臺化戰(zhàn)略已經(jīng)發(fā)展到了平臺精益化和模塊化階段。相對應(yīng)，電動汽車的制造也要求在精益化的基礎(chǔ)上對平臺構(gòu)建進行模塊化構(gòu)建。簡而言之，就是在平臺內(nèi)盡可能實現(xiàn)更多的模塊共享。模塊化平臺將有效減少汽車部件的生產(chǎn)成本與固定投資，縮短工程時間，并支持更多車型。顯然，全新的模塊化平臺，將進一步降低電動汽車研發(fā)周期和制造成本。
與模塊化發(fā)展戰(zhàn)略緊密配套的是標(biāo)準(zhǔn)化工作的推進。以大眾集團2012年推出的MQB模塊化平臺為例，該平臺是MQB發(fā)展的第三階段。第一階段的MQB只能在同等級車型中應(yīng)用，第二階段則可以跨等級地在中型車和小型車上同時應(yīng)用，現(xiàn)在這個MQB模塊化平臺則進一步實現(xiàn)了車輛的標(biāo)準(zhǔn)化和定制化。
MQB模塊化平臺從最初開發(fā)就把變化作為設(shè)計的前提，盡可能減少零部件種類。采用MQB同一模塊平臺的車型，能夠共享相同規(guī)格的發(fā)動機、變速器及空調(diào)等總成，零部件通用化比例可達60%;另一個特征是能夠適應(yīng)未來動力傳動系統(tǒng)的多樣化。車身的設(shè)計考慮了支持多種動力傳動系統(tǒng)，使同一車身構(gòu)造可以搭載多種動力傳動系統(tǒng)(渦輪增壓汽油機、高壓共軌柴油增壓發(fā)動機、天然氣發(fā)動機、乙醇燃料發(fā)動機、雙燃料發(fā)動機、插電混動系統(tǒng)、純電動系統(tǒng)等都支持);此外，MQB模塊化平臺還導(dǎo)入了眾多輕量化技術(shù)和電子新技術(shù)，引入了發(fā)動機模塊化概念和電池模塊化概念。
表6：大眾集團和寶馬的電動汽車產(chǎn)品的電池和續(xù)航情況
從表6可以看到，德國車企寶馬、保時捷、奧迪、大眾(后三者同屬大眾集團旗下車企)等正在共同致力于電動汽車標(biāo)準(zhǔn)化工作。目前已經(jīng)能夠找到一些規(guī)律，如：屬于高端豪車系列的PHEV產(chǎn)品的純電續(xù)航里程一般在30km級別(奧迪Q7 e-Tron例外，在50km級別)，屬于經(jīng)濟型車或中低端豪車系列的PHEV產(chǎn)品的純電續(xù)航里程一般在50km級別，而純電動汽車(EV)的續(xù)航里程一般在150-200km之間。
確定車輛的純電續(xù)航里程之后，再根據(jù)車輛的性能要求、車重情況等確定要配備多大的電池組。所以我們可以看到，純電續(xù)航里程30km級別的PHEV車款，配備的電池組容量也各不相同;50km級別的PHEV和150-200km之間的EV亦是如此。當(dāng)然，隨著電池技術(shù)的進步，電池能量密度的提高，上述純電續(xù)航里程的標(biāo)準(zhǔn)也會相應(yīng)地水漲船高，如30km級別的PHEV產(chǎn)品2017年前后的發(fā)展目標(biāo)是50km級別，這是在電池組體積不變的前提下要達到的目標(biāo)。
此外，大眾集團還在不同品牌的車款之間嘗試使用相同的電池組，以及在同一款產(chǎn)品的電池組上嘗試使用不同電池企業(yè)的電芯產(chǎn)品，這就是電池模塊標(biāo)準(zhǔn)化工作的核心內(nèi)容。從表6可以看到，大眾集團在奧迪A3 e-Tron和大眾Golf GTE這兩款PHEV車上使用的都是松下提供的8.8kWh電池組，而在E-UP!和E-Golf這兩款EV產(chǎn)品上則都分別使用了松下和三星SDI的電芯。
圖7. 三星SDI汽車動力電池技術(shù)目標(biāo)路線圖(制圖：真鋰研究，2015年8月)
這個工作需要電池企業(yè)的密切配合。不僅是大眾集團，寶馬等其他德國車企也有類似需求。三星SDI目前就在密切配合德國車企的相關(guān)工作，并為此制定了自己的動力電池技術(shù)目標(biāo)路線圖(見圖7)。三星SDI已將其20Ah級別的電芯產(chǎn)品分為20Ah、22Ah、24Ah、26Ah和28Ah這5個子款，每個子款的殼體是固定的，但具體容量和電壓都可以根據(jù)車企的具體需求而微調(diào)。如24Ah子款在體積不變的情況下，容量可以在24～26Ah(不含26Ah)之間微調(diào)，電壓可以在3.6～3.75V微調(diào)。表6中三星SDI提供的24.5Ah、25Ah電芯產(chǎn)品就是這種微調(diào)的結(jié)果。
結(jié)語
對于電動汽車、動力電池及相關(guān)材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，中國很多企業(yè)還是很努力的。比如，工信部的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，很多國產(chǎn)電動汽車搭載的電池組的能量密度都在80Wh/kg以上，有的甚至超過了100Wh/kg，比前幾年有了長足進步。在使用電芯絕大多數(shù)還是能量密度較低的磷酸鐵鋰電芯的情況下，如果沒有降低安全系數(shù)，那么這種進步還是讓人欣喜的。在降低電池制造成本、提升電池組能量密度乃至電池模塊的標(biāo)準(zhǔn)化等方面，中國都有企業(yè)在積極努力工作，有的已經(jīng)取得了一定的成果。這是希望!
毋庸置疑，在政府的精心呵護和強力推動下，中國電動汽車市場的發(fā)展前景越來越光明，購買電動汽車的消費者數(shù)量在顯著增加。不過，對于電動汽車、車用動力電池及相關(guān)材料的產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，我們必須承認，總體來說目前只是數(shù)量上去了，但質(zhì)量還不夠，我們還有很多的工作要做。質(zhì)量上去的核心工作是提高企業(yè)的技術(shù)水平和制造能力，同時清理產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境，杜絕劣幣驅(qū)逐良幣等不良現(xiàn)象再度發(fā)生，鼓勵創(chuàng)新，更加旗幟鮮明地保護知識產(chǎn)權(quán)。這些工作踏踏實實去做的話，中國電動汽車及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展還是有希望的。
政府有關(guān)主管部門在制定相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策的時候，也希望能夠更加周全地考慮問題。比如，有關(guān)部門意識到了企業(yè)數(shù)量眾多但規(guī)模普遍不大的狀況將會影響到日后中國鋰電產(chǎn)業(yè)的競爭力，已經(jīng)出臺了相關(guān)措施。首先工信部于2015年3月公布的《汽車動力蓄電池行業(yè)規(guī)范條件》規(guī)定鋰離子動力電池單體(電芯)生產(chǎn)企業(yè)的年產(chǎn)能不得低于2億Wh規(guī)模。緊接著工信部又在2015年9月公布的《鋰離子電池行業(yè)規(guī)范條件》規(guī)定鋰離子電池企業(yè)年產(chǎn)能不得低于1億Wh規(guī)模，同時對4大關(guān)鍵材料產(chǎn)業(yè)的年產(chǎn)能也做出了相應(yīng)限制。真鋰研究認為，出發(fā)點是良好的，但做法欠妥。這樣做最容易導(dǎo)致兩個結(jié)果：一是企業(yè)為了生存而不得不擴充產(chǎn)能，導(dǎo)致中低端產(chǎn)能過剩現(xiàn)象進一步加劇;二是那些致力于開發(fā)新技術(shù)的中小創(chuàng)新型企業(yè)可能會因為這樣的產(chǎn)能要求而胎死腹中。希望工信部能夠繼續(xù)出臺相關(guān)配套政策，防止上述不良結(jié)果發(fā)生。
在真鋰研究和中國電池網(wǎng)看來，近年來國際油價一直在跌跌不休，目前已跌到了40美元/桶的超低位水平，但與此同時，電動汽車的銷量卻絲毫沒有受到影響，每年都有顯著增長;煤炭價格也屢創(chuàng)新低，煤電成本日益走低的同時風(fēng)光發(fā)電規(guī)模卻越來越大。這些足以表明新能源和新能源汽車的發(fā)展勢頭已不可阻擋。
我們有理由相信，包括風(fēng)光發(fā)電、電動汽車、鋰離子電池及相關(guān)材料產(chǎn)業(yè)等在內(nèi)的整個新能源新材料產(chǎn)業(yè)體系，將會成為拉動全球經(jīng)濟走出低谷的最大推動力。全球正在經(jīng)歷一次新能源革命，這次革命主要由新材料、新技術(shù)推動。任何一個行業(yè)的發(fā)展不是一帆風(fēng)順的，但人類前進的步伐不會停歇，辦法總比困難多!