車用鋰離子電池的無限戰(zhàn)爭(zhēng)：向下一個(gè)寧德時(shí)代沖鋒
電池是電動(dòng)車的核心零部件，在整車成本中占比可達(dá)40%。在電動(dòng)車所有的零部件里，也沒有像電池一樣，吸引這么多產(chǎn)業(yè)界的目光和資源投入。下圖是一次針對(duì)電動(dòng)車購(gòu)置顧慮的消費(fèi)者調(diào)研，從圖中能明顯看到，里程焦慮、尤其是長(zhǎng)途旅行時(shí)的里程焦慮是消費(fèi)者購(gòu)置電動(dòng)車時(shí)最大考量。
用戶的痛點(diǎn)就是商機(jī)。圍繞著電池，業(yè)界展開了激烈的競(jìng)爭(zhēng)，從底層技術(shù)、制造工藝、服務(wù)運(yùn)營(yíng)等各種維度殺得難解難分。如果把新能源電動(dòng)車與傳統(tǒng)燃油車之間的競(jìng)爭(zhēng)看作一場(chǎng)規(guī)模龐大的戰(zhàn)役，那么電池小戰(zhàn)場(chǎng)就是其中最精彩的局部戰(zhàn)爭(zhēng)。
1、底層技術(shù)維的戰(zhàn)爭(zhēng)
電池技術(shù)進(jìn)步到什么程度，新能源革命就推進(jìn)到哪一步。電池技術(shù)的核心訴求就是提高電池的能量密度。目前主流商用的兩種電池，磷酸鐵鋰電池安全性高，充電循環(huán)次數(shù)高，但能量密度低。三元電池能量密度高，寧德時(shí)代的最好水平已經(jīng)接近300Wh/kg（這個(gè)單位的含義是每kg電池的電量為0.3度電），但容易發(fā)熱，充電循環(huán)次數(shù)比磷酸鐵鋰低。
按照中國(guó)汽車工程協(xié)會(huì)于2020年10月發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》里要求，到2025年高端電動(dòng)車能量密度要達(dá)到350Wh/kg，2030年要達(dá)到400Wh/kg。即使能量密度較高的三元電池，要達(dá)到這兩個(gè)目標(biāo)也是極其困難的。甚至有研究指出，磷酸鐵鋰和三元都是液態(tài)電解液電池，而液態(tài)電解液電池的理論最高能量密度就是350Wh/kg。
要繼續(xù)提高能量密度只能更換技術(shù)路線，從液態(tài)電解液電池走向固態(tài)電池。固態(tài)電池采用金屬鋰作為負(fù)極，固體無機(jī)或高分子材料作為電解質(zhì)。金屬鋰的克容量是液態(tài)電池負(fù)極材料石墨的10倍，能量密度可提升至500Wh/kg。固態(tài)電解質(zhì)不易燃，也不帶腐蝕性，電池工作溫度范圍擴(kuò)大三倍以上，解決電池?zé)崾Э貙?dǎo)致的安全性難題。
技術(shù)路線的轉(zhuǎn)換就意味著商業(yè)格局的變動(dòng)，目前以寧德時(shí)代為核心的一超多強(qiáng)市場(chǎng)格局有望被打破。因此，大量公司一擁而上，紛紛開展固態(tài)電池研究。誰能最先拿出可量產(chǎn)商用的固態(tài)電池，誰就在下一個(gè)電池時(shí)代占據(jù)先機(jī)。
明確宣布進(jìn)軍固態(tài)電池的巨頭公司有國(guó)外的日本豐田，韓國(guó)的LG化學(xué)、三星SDI和SK創(chuàng)新，甚至蘋果公司都已經(jīng)布局固態(tài)電池技術(shù)。國(guó)內(nèi)有當(dāng)升科技、寧德時(shí)代、比亞迪、國(guó)軒高科、贛鋒鋰業(yè)、容百科技，還有一批中小型創(chuàng)企更多，一起加入固態(tài)電池的混戰(zhàn)。
不過，這些電池玩家們很快就會(huì)遇到一個(gè)更為嚴(yán)重的問題——鋰不夠用了。從下圖鋰電池成本曲線可以看到，在2022年之前，出貨量增長(zhǎng)疊加技術(shù)進(jìn)步，電池的成本逐漸下降。但因?yàn)椤百Y源需求”這一因素，曲線在經(jīng)過2022點(diǎn)之后開始上翹。看一下2021年電動(dòng)車銷量就知道問題出在哪里。
2021年僅僅中國(guó)電動(dòng)車銷量就達(dá)到352.1萬輛，同比增長(zhǎng)157.57%。下游強(qiáng)勁的銷量已經(jīng)使得上游鋰鹽的價(jià)格在一年之內(nèi)翻了兩倍多。更不幸的是，我國(guó)是一個(gè)貧鋰國(guó)。
根據(jù)美國(guó)地質(zhì)勘探局（USGS）統(tǒng)計(jì)，全球目前已探明的鋰礦總量超過8000萬噸，將近60%分布于南美的“鋰三角”，即智利、阿根廷和玻利維亞三國(guó)交界處的高海拔鹽湖和鹽沼，22.3%分布在澳大利亞，中國(guó)鋰礦資源僅占6%—7%。
為了搶鋰，原本專注于電池制造的寧德時(shí)代不得不向上游鋰礦環(huán)節(jié)延申。去年9月，寧德時(shí)代出手以更高的報(bào)價(jià)截胡了國(guó)內(nèi)鋰礦企業(yè)贛鋒鋰業(yè)對(duì)加拿大千禧鋰業(yè)的收購(gòu)，甚至不惜代替千禧鋰業(yè)向贛鋒鋰業(yè)支付1000萬美元的解約費(fèi)，意在獲取千禧鋰業(yè)手里握有的阿根廷兩個(gè)鋰鹽湖項(xiàng)目100%權(quán)益。
如果用固態(tài)金屬鋰取代目前的負(fù)極材料石墨，對(duì)鋰礦的需求會(huì)更大。純資本運(yùn)作的商戰(zhàn)沒法從根本上解決缺鋰的難題，還是要從技術(shù)上想辦法，比如鈉電池。
去年8月，寧德時(shí)代發(fā)布第一代鈉離子電池，電芯單體能量密度達(dá)到160Wh/kg，預(yù)計(jì)下一代產(chǎn)品可以達(dá)到200Wh/kg；正常溫度下15分鐘可充電80%以上；在-20°C超低溫環(huán)境環(huán)境下，能保持90%以上的放電率。這些性能參數(shù)比一般的磷酸鐵鋰電池還要優(yōu)越一點(diǎn)，用在市內(nèi)代步通勤車上基本可以滿足需求。
最大的優(yōu)勢(shì)在于，地球上鈉的儲(chǔ)備量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于鋰，海洋鋰的鈉元素幾乎取之不盡，提取方法也較簡(jiǎn)單。如果工藝成熟的話，可以進(jìn)一步降低電池的價(jià)格。國(guó)內(nèi)的中科海納、星空鈉電、鈉創(chuàng)新能源等已經(jīng)投身鈉電池賽道，于寧德時(shí)代競(jìng)爭(zhēng)。
2、制造工藝維的戰(zhàn)爭(zhēng)
從底層技術(shù)角度提高能量密度并沒有解決車用電池的全部問題，從下面電池包結(jié)構(gòu)圖中就可以發(fā)現(xiàn)，電池模塊只占其中的一部分，除此之外還有各種配件，比如冷卻系統(tǒng)、絕緣層、接線盒、連接端子等等，這些都要占據(jù)空間，導(dǎo)致電池包的綜合能量密度降低。
要提高電池包的綜合電量密度，就需要從電池制造工藝的角度簡(jiǎn)化電池包的結(jié)構(gòu)，盡力減少輔助配套的部件，盡可能在有限空間里塞下更多電芯。比亞迪的刀片電池和寧德時(shí)代的CTP技術(shù)(cell to package，電芯-電池包結(jié)構(gòu)，省掉中間的模組環(huán)節(jié))都是這種思路。
傳統(tǒng)的電池包有電芯-模組-電池包三層結(jié)構(gòu)，設(shè)置中間一層模組的結(jié)構(gòu)是為了加強(qiáng)電池包的穩(wěn)固性，并用模組將不同區(qū)域的電芯之間做隔離。一個(gè)電芯出現(xiàn)熱過載，不會(huì)影響整個(gè)電池包。但缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、配件太多，導(dǎo)致電池包的空間利用效率不高。
比亞迪刀片電池的做法是將電芯的厚度減薄，長(zhǎng)度拉長(zhǎng)到跟電池包差不多，電芯的外觀由方形變成細(xì)細(xì)的長(zhǎng)條形，類似一塊長(zhǎng)刀片，因此被稱為刀片電池。一個(gè)電池包由10—20個(gè)電芯并排疊放組成，取消中間模組結(jié)構(gòu)。在不改變電芯材料的前提下，通過簡(jiǎn)化零部件，提高電池包的空間利用效率，提高了電池包的綜合電量密度。
寧德時(shí)代的CTP技術(shù)跟刀片電池類似，也是減少了中間的模組環(huán)節(jié)，由電芯直接組成電池包。除了CTP，寧德時(shí)代還開發(fā)出一種CTC方案（Cell to Chassis，電芯到地盤），將電芯與車身、底盤、電驅(qū)動(dòng)、熱管理及各類控制模塊等集成一體，連電池包外殼也省掉了。
在制造工藝上做文章的企業(yè)還有廣汽埃安。去年3月廣汽埃安聯(lián)合中航鋰電推出 “彈匣電池”，采用類似的思路，通過納米孔隔熱材料、液冷系統(tǒng)等手段，將電芯耐熱溫度提高了30%，并第一次通過了三元電池的穿刺實(shí)驗(yàn)，相比于比亞迪在刀片電池發(fā)布會(huì)上的針刺實(shí)驗(yàn)又提升了一步。畢竟三元電池的發(fā)熱效應(yīng)比磷酸鐵鋰更嚴(yán)重。
業(yè)界霸主特斯拉在另一個(gè)方向上努力提升電池性能。跟國(guó)內(nèi)普遍采用方型電芯不同的是，特斯拉自始至終都采用圓柱形電芯。從最開始的1865（直徑18mm，高65mm），到2170，到如今的4680。尺寸變大，電池包里容納電芯數(shù)量更少。電芯數(shù)量減少會(huì)使電池管理系統(tǒng)變得相對(duì)簡(jiǎn)單。另一個(gè)好處是，電芯內(nèi)部散熱面積增大，更容易實(shí)現(xiàn)短時(shí)快充。
但制造出4680尺寸圓柱電芯并不容易。難點(diǎn)在于電極極耳的制作。極耳是將正負(fù)極引出跟外電路連接的接觸點(diǎn)，跟正負(fù)極的鋁箔、銅箔焊接在一起。在電池充放電過程，電子在橫穿整個(gè)電芯之后到達(dá)極耳，再通過外部導(dǎo)線到達(dá)另一極。極耳接觸點(diǎn)本來就小，沒有足夠散熱空間，在電池工作中極易導(dǎo)致極耳焊接處局部熱量過大。圓柱電池尺寸做大之后，電子需要橫穿的距離更長(zhǎng)，電阻也會(huì)隨著距離的增加而增大，發(fā)熱問題會(huì)更嚴(yán)重。
特斯拉是怎么解決這個(gè)問題呢？如下圖所示，特斯拉將單個(gè)極耳結(jié)構(gòu)改變成多個(gè)極耳，覆蓋整個(gè)正負(fù)極金屬箔。極耳的接觸方式就從點(diǎn)接觸變成面接觸，大大增加了散熱面積。但需要采用激光焊接技術(shù)，保證每個(gè)極耳焊點(diǎn)都良好焊接，對(duì)制造設(shè)備要求極高。
另外，特斯拉在電極的制作上也花了一番心思。一般做法是用濕法工藝將電級(jí)材料與溶劑、水等混合成漿料，再涂在鋁箔、銅箔上面，經(jīng)過數(shù)十米的烘干設(shè)備烘干后，再壓實(shí)成需要的厚度。
特斯拉的干法工藝是直接把材料干混，不經(jīng)過溶劑混合，然后將混合好的粉末直接壓在金屬泊上面，省去了烘干和溶劑回收流程，簡(jiǎn)化工藝流程。但難點(diǎn)是如何達(dá)到材料混合的均勻性，壓實(shí)后如何保證粉料在金屬箔上的附著度，畢竟不像濕法工藝那樣可以攪拌，也不想液體漿料一樣具有天然的附著力。
據(jù)說，特斯拉為了解決干法工藝難題專門收購(gòu)了一家企業(yè)；ㄙM(fèi)這么大的代價(jià)攻克4680電池的生產(chǎn)難題，特斯拉看重的是工藝簡(jiǎn)化帶來的制造成本降低、無需烘干工藝帶來的廠房投資成本降低等利益。
畢竟，除了比亞迪，特斯拉是唯一一個(gè)生產(chǎn)電池的整車品牌。以特斯拉電動(dòng)車銷量對(duì)電池的需求量而言，值得為不斷降低電池成本花費(fèi)更多代價(jià)。
3、服務(wù)運(yùn)營(yíng)維的戰(zhàn)爭(zhēng)
燃油車的能源完全由加油站提供，車企不用操心用戶怎么獲取汽油。但在充電設(shè)施還極其不完善的現(xiàn)階段，電動(dòng)車車企沒法做到如此超脫。為了提高競(jìng)爭(zhēng)力，他們不得不下場(chǎng)做電池運(yùn)營(yíng)的服務(wù)。
以特斯拉為代表的一種方案是大量建設(shè)自有充電站/樁，并發(fā)展高壓快沖技術(shù)。有數(shù)據(jù)顯示，截止2021年12月，特斯拉已在中國(guó)大陸建設(shè)超過1000多座充電站，8000多個(gè)充電樁，覆蓋全國(guó)360多個(gè)城市和地區(qū)。最遠(yuǎn)的充電站沿著絲綢之路一直覆蓋到了新疆霍爾果斯，滿足想開特斯拉去新疆自駕游的用戶們。
目前特斯拉正在商用的已經(jīng)是第三代充電站，最大功率250KW，充電10分鐘電量達(dá)到45%，對(duì)應(yīng)續(xù)航里程208km。即將推出的第四代充電站最大功率達(dá)到350KW，充電速度會(huì)更快。
特斯拉以雄厚的資金實(shí)力在全國(guó)布局大規(guī)模的充電網(wǎng)絡(luò)，為用戶提供便捷的充電服務(wù)，提高特斯拉對(duì)用戶的吸引力，這是特斯拉商業(yè)優(yōu)勢(shì)的又一體現(xiàn)。那國(guó)產(chǎn)品牌如何競(jìng)爭(zhēng)呢？
一向以高端服務(wù)為品牌調(diào)性的蔚來找到了另一個(gè)用戶痛點(diǎn)，發(fā)展出另一種模式。特斯拉的方案沒法解決很多用戶對(duì)電動(dòng)車的一個(gè)很大的顧慮，即由于電池能量密度衰減帶來的二手車保值率問題。
電池都是有使用損耗的，使用幾年之后，電池的容量一定會(huì)降低，這個(gè)過程不可逆，沒法完全恢復(fù)。電池容量損耗會(huì)拉低整輛車的二手交易保值率，阻礙用戶的購(gòu)買意愿。
蔚來給出來的方案是提供車電分離的電池租賃服務(wù)（BaaS方案，Battery as a Service），用戶購(gòu)買不帶電池的車，然后從蔚來租用電池，按月付電池租用費(fèi)。一方面降低車輛的售價(jià)；另一方面，當(dāng)用戶想轉(zhuǎn)手賣車時(shí)，車子是不帶電池的，不會(huì)受電池?fù)p耗的影響，二手交易的保值率相對(duì)會(huì)更高。
相對(duì)于特斯拉，蔚來的模式算是一種創(chuàng)新。但仍然有幾個(gè)問題，第一蔚來的電池只能用在蔚來的車子上，那么二手車交易只能局限在蔚來車型的小圈子里，交易人群數(shù)量有限，會(huì)影響二手車交易的頻次。
第二個(gè)問題可以回到本文最開始的那個(gè)問題，如果把電動(dòng)車的電池取走一半，它的續(xù)航也會(huì)降到一半嗎？答案是，續(xù)航會(huì)比原來的一半多很多。因?yàn)殡姵卦谡囍亓恐幸话阏急?/4以上，續(xù)航越高，這個(gè)比例會(huì)越大。就以1/4來算，如果取走一半電池，電量降為一半，但整車重量減少了1/8，那么續(xù)航就會(huì)比原來的一半要多。
從這個(gè)問題延申一下會(huì)發(fā)現(xiàn)如今電動(dòng)車的另一個(gè)痛點(diǎn)。盡管車廠都會(huì)以長(zhǎng)續(xù)航為賣點(diǎn)，但大部分用戶的日常使用還是上下班通勤，這個(gè)路程一般會(huì)在150—350公里內(nèi)。但消費(fèi)者絕對(duì)不敢買續(xù)航只有350公里的車。
也就是說，用戶花錢買的電池和電量有一部分在大多數(shù)情況下是閑置的。對(duì)于用戶來說，這其實(shí)是一種浪費(fèi)。即使蔚來的換電方案更換的也是全部電池，沒法解決這個(gè)問題。
于是，寧德時(shí)代又出手了。
2022年1月18日，寧德時(shí)代舉辦換電服務(wù)品牌EVOGO發(fā)布會(huì)，發(fā)布模塊化電池產(chǎn)品，每個(gè)電池模塊容量26.5kWh，可支持200公里左右的綜合續(xù)航。用戶根據(jù)實(shí)際路程需求選擇裝幾塊電池，如果市內(nèi)短距離的通勤，裝1塊就足夠。如果周末需要去郊區(qū)長(zhǎng)途遠(yuǎn)游，再選擇多裝幾塊。
同時(shí)，EVOGO會(huì)在各大城市建設(shè)換電站。由于電池塊采用了無線電池管理技術(shù)，減少電池塊之間的線束連接，單個(gè)電塊換電只需約1分鐘。即使要裝3塊電池，綜合續(xù)航600公里，也只需3分鐘。這個(gè)時(shí)間已經(jīng)十分接近燃油車去加油站加滿油箱的時(shí)間，便捷性大大提高。
對(duì)于用戶來說，按需增減電池，電池使用的經(jīng)濟(jì)性大大提高，不會(huì)像以前那樣花錢買閑置的電池資源，降低電動(dòng)車使用成本。更現(xiàn)實(shí)的價(jià)值在于，采用換電方案的電動(dòng)車售價(jià)大大降低了。在寧德時(shí)代EVOGO發(fā)布會(huì)上，一汽發(fā)布了可以跟EVOGO電池塊適配的車型奔騰NAT換電版，售價(jià)只有充電版的一半。
如果有更多車廠能推出更多適配EVOGO電池塊的車型，那么電動(dòng)車的電池部分將完全標(biāo)準(zhǔn)化，車子的續(xù)航動(dòng)態(tài)可調(diào)，用戶也不用顧慮電池通用性問題。電動(dòng)車市場(chǎng)將無限接近于燃油車市場(chǎng)里車和油完全分離的商業(yè)格局，車廠專注于車輛本身，以寧德時(shí)代為代表的電池廠商專注于電池制造和運(yùn)營(yíng)。
從更宏觀的角度來看，如果大部分用戶的大多數(shù)時(shí)間內(nèi)都只需要1塊或2塊電池模塊，對(duì)鋰元素的需求量會(huì)大大降低，減少對(duì)上游鋰礦產(chǎn)資源的依賴，對(duì)整個(gè)行業(yè)的鋰元素焦慮也會(huì)大大緩解。從新能源電力網(wǎng)絡(luò)來看，也會(huì)大大降低輸配送電網(wǎng)的負(fù)載壓力。
寫在最后
圍繞電池的戰(zhàn)爭(zhēng)似乎看不到盡頭，這對(duì)車廠是一場(chǎng)殘酷的馬拉松長(zhǎng)跑。再加上其他配套系統(tǒng)的研發(fā)工作，電動(dòng)車這個(gè)看似全新藍(lán)海的黃金賽道正在變得越來越擁擠，也越來越困難。蔚來CEO李斌在年初接受媒體采訪時(shí)說：“造車需要儲(chǔ)備的資金門檻，幾年前我說的是200億，現(xiàn)在沒有400億可能都干不了了！
但對(duì)用戶是福利，用戶永遠(yuǎn)抱有最樸素的愿望：用更低的價(jià)格購(gòu)買到更好的產(chǎn)品和服務(wù)。這個(gè)商界永遠(yuǎn)的金科玉律將會(huì)淘汰賽道上哪些選手，最終讓誰勝出，我們繼續(xù)觀賞比賽吧。
編輯：ZQY 最后修改時(shí)間：2022-08-18
