鉅大LARGE | 點擊量:1092次 | 2020年04月03日
固態電池的未來到底怎么樣
實際上圍繞著去不去模組,背后是pACK權力的爭奪。
近日一則消息很有意思,源于特斯拉國產的影響,電池級碳酸二甲酯和超純級碳酸二甲酯的報價,從十月三十一日開始的5個工作日3次上調,總漲幅高達1500元/噸,漲幅逾14%。
這個消息其實很重要。為何這么說?隨著5G時代來臨,對電池四大材料之一的電解液提出了更高的要求。而電解液對鋰離子電池的安全性、循環壽命、高低溫性能等方面有著重要影響。通常,電解液是由溶劑、溶質、添加劑組成的,一般其質量比為80:15:5。
超純級碳酸二甲酯DMC的純度比電池級DMC的純度還要高,對電池能量密度的提高和使用壽命的延長,有相當重要的作用,所以漲價自然是理所應當。
不過,這就牽引出了整個新能源汽車產業鏈上一個重要的問題,特斯拉國產關于國內新能源車企的影響,以及占到純電動汽車成本近35~40%的電池成本問題。電池材料成本這樣漲法,再加上補貼退坡,車企如何降本,就成為重要的思考方向。
誰的CTp?
到目前為止,電池組的生產一直遵循相同的基本程序。一家專門生產電池的公司,比如寧德時代、比亞迪、松下和LG化學,生產單獨的電池電芯,然后車企通過pACK把這些打包成電池組裝車。
那么,有人腦洞開得比較大,就問為何不整合這兩個獨立的過程呢?
記者在《松下因電池虧損利潤降12%,特斯拉卻還想降本20%》中,提過特斯拉正在申請一項專利,該申請概述了通過一種類似的CTp(CellTopack)方式來制造電池組,其中電池組部件與電池本身連為一體。
簡單來說,方法是將單個電池并聯形成電池子模塊,然后再將這些子模塊組裝成車輛所要的動力鋰電池模塊。而且,特斯拉還為這個組裝專利設計了新的冷卻方法,可以使用來冷卻的液體直接經過電池組來降低電池組溫度,也可以將散熱片裝到電池組中降溫,或者用特殊的封裝材料來實現降溫。
而在國內,寧德時代CATL也率先在法蘭克福車展推出了CTp技術。當然,寧德時代并非國內第一個公布CTp技術的公司。早在七月九日,蜂巢能源就公布了該技術,并且也在法蘭克福車展上做了展示。此外還有比亞迪也在研發。
模組的作用在于電芯的功能集成管理。最初特斯拉采用10多個模組,如今進化到了Model3,僅用了4個大尺寸模組,這樣大大減少了冗余部件。此外,大容量方形鋁殼電芯的應用,電芯技術革新、生產一致性的提高,也為去模組創造了條件。
盡管特斯拉和CATL關于整合pACK和CELL的生產存在差異,但整個想法和過程是類似的:把兩個完全獨立的生產流程(電芯CELL制造和pACK制造),結合成一個過程,產生一個更加簡化、更加高效和低成本生產電池的方法。
那么,取消模組能產生怎么樣的效果?根據寧德時代的數據,CTp電池包體積利用率可以提高15%-20%,電池包零部件數量減少40%,生產效率提升50%,電池包能量密度提升10%-15%,可以達到200Wh/kg以上,電池的制造成本也大幅降低。
蜂巢給出的數據是,與傳統590模組相比,CTp第一代減少24%的零部件,第二代成組效率提升5-10%,空間利用率提升5%,零部件數量再減少22%。
這關于車企似乎是個好事。但是,假如我們再深究一下的話,就會發現,實際上圍繞著去不去模組,背后是pACK權力的爭奪。
從利益角度來看,pACK要比模組要賺錢,而電池供應商只有轉變為CTp整體解決方案,之后才有機會去做整個pACK。而新能源車企面對電動汽車的成本壓力和能量密度壓力,CTp方案正好為降本增效供應了一個解決思路。但是,CTp是“真香”的解決之道嗎?
省去模組的隱患
在動力鋰電池降低成本的過程中,方式也并不局限在電芯集成形式,還包括材料選用、工藝優化、標準化、大模組等。早期A123采用過扎帶;LEAF采用過軟包集成小模塊,集成大模塊再集成pACK;標準VDA355mm長度的模組是國外率先推出的,大眾推出了MEB590mm長度的模組;特斯拉更是搞出近2米長的超大模組。
而省略模組的做法之前不是沒有,商用車磷酸鐵鋰離子電池就用過。盡管將pACK的生產過程與電芯CELL的制造過程集成在一起似乎非常合理,畢竟,降低整個pACK成本的可能性是存在的。但是,這樣做不是沒有隱患的。
從電池生產的角度來看,電池模組是通過串并聯方式組合,加裝單體電池監控與管理裝置后,作為中間連接件,電池模組的結構還必須對電芯起到支撐、固定和保護作用。
此外,模組還要具備以下功能:滿足完好固定電芯位置并保護其不發生有損性能的形變,滿足載流性能要求,滿足對電芯溫度的控制,遇到嚴重異常時及時斷電,避免熱失控的傳播等等。而取消電池模組,直接由電芯組成電池包,顯而易見的是電池的可靠性就會降低,新增了電池安全的管理難度。
所以,CTp電池包就對電芯的產品一致性提出了更高要求。而且,根據業內技術人士的說法,采用CTp會導致電池未來開發的靈活性受限,因為一旦定型之后,pACK就不能有大的改動。改動必然帶來成本新增,配一款新車就要重新做一遍模組實驗,做一遍pACK實驗。
總的來看,電池包結構的優化只是輔助手段,通過結構的優化來提升能量密度的空間是有限的。核心還是在于提高電芯的能量密度。
我們都知道,特斯拉雖然公布了專利申請,但并不意味著該專利將用于特斯拉的汽車生產線。特斯拉公布了大量的專利,但并不是所有的專利都實現了。不過,這個電池技術的試探,正在拷問整個行業的未來。北汽新能源搭載CTp電池包的EU5能不能獲得市場上的成功,我們還不清楚。
固態電池的未來
CTp只是電動汽車技術方面的一個突破方向。其實,另一個重要方向,就是固態電池。假如固態電池能夠進入量產,CTp才有真正的未來。可以說,CTp還是一種“坐等變天”的技術。
在某些專業人士看來,未來真正實現CTp的,應該是固態電池。“固態電池沒有液態電解質,可以在內部進行串并聯,做到48伏、96伏甚至更高電壓都沒問題。”而CTp電池包省了一些內部結構組件,提高了電池包體積的利用率,間接地就提高了系統能量密度。
目前主流電動汽車普遍使用的都是三元鋰離子電池,但無論從化學結構是電池結構來說,三元鋰材料都非常容易發熱。假如不能把壓力及時傳導出去,電池就有爆炸的風險。蔚來因為模組的設計問題,導致電池自燃的幾輛車都是血淚的教訓。
而且,三元鋰離子電池在新國標里面是不做強制性針刺檢測的。根據今年的《電動汽車用動力蓄電池安全要求》報批稿,動力鋰電池強制執行***一共有22項,包括電池單體測試(6項)和電池包或系統測試(16項)。但在單體***里,被認為最嚴苛的針刺測試在新國標中被取消,只是5分鐘預警將成為標配。
這個問題關于固態電池來說,要好很多。但是,固態電池距離量產還有很長的距離,要很多條件成熟,比如,正極材料LFp、NCM、富鋰等產業化;負極材料硅碳、金屬鋰產業化;固態電解質聚合物、硫化物、氧化物成熟;界面問題解決等等。
目前可以說固態電池的路線重要有兩種,一種是豐田的硫化物路線,還有一種是國內的氧化物路線。業內人士認為,“2020年前采用高鎳正極+準固態電解質+硅碳負極可以實現300Wh/Kg,2025年前采用富鋰正極+全固態電解質+硅碳/鋰金屬負極電池可以實現400Wh/Kg,2030年前采用燃料/鋰硫/空氣電池實現500Wh/Kg。”
假如真能實現固態電池的量產,將是給鋰離子電池領域乃至汽車領域帶來翻天覆地的改變。究竟誰能勝出?目前我們還不好說,未來值得期待。