動(dòng)力電池技術(shù)順勢(shì)革新

文 / 本刊記者 趙子垚

發(fā)展?jié)摿ο拇M，關(guān)鍵材料成本高企，多重沖擊令動(dòng)力電池新型技術(shù)發(fā)展提上日程，但規(guī)?；瘧?yīng)用還尚需時(shí)日。

新能源汽車正不斷打破傳統(tǒng)供應(yīng)鏈邊界，以芯片、動(dòng)力電池、軟件等為代表的新汽車組件重要程度愈發(fā)凸顯，這在引發(fā)汽車產(chǎn)業(yè)對(duì)相關(guān)技術(shù)與供給鏈條的更多戰(zhàn)略思考同時(shí)，也同樣對(duì)其提出更多挑戰(zhàn)。如今這種挑戰(zhàn)的難度正在升級(jí)，自2021年起持續(xù)的缺芯減產(chǎn)大潮尚未退去，電池金屬原材料的價(jià)格又愈漲愈烈，令電動(dòng)汽車的成本更加失控。

據(jù)IHS Markit調(diào)研，2021年下半年全球鋰電池組均價(jià)上漲了約10%～20%。另據(jù)彭博新能源財(cái)經(jīng)(Bloomberg NEF)數(shù)據(jù)，截至2021年底，全球鋰電池組均價(jià)已經(jīng)來到132美元/千瓦時(shí)高位。與此同時(shí)，由于2021年全球電動(dòng)汽車銷量同比增幅高達(dá)112%，規(guī)模超過了630萬輛，整體供少求多的局面令各級(jí)電池金屬原材料的漲勢(shì)更為迅猛?；鶞?zhǔn)礦物情報(bào)(Benchmark Mineral Intelligence)報(bào)告稱，從2020年1月至2022年1月，電池級(jí)硫酸鎳、鈷、碳酸鋰價(jià)格分別上漲了55%、119%和569%。電極材料方面，三元電池多見的含鋰、鈷、鎳金屬正極材料成本已經(jīng)占據(jù)電池材料整體成本的50%。

長(zhǎng)期以來，將電動(dòng)汽車電池成本降至100美元/千瓦時(shí)一直被看作是具有里程碑意義的階段發(fā)展目標(biāo)。電池成本降到該數(shù)值以下，則意味著電動(dòng)汽車包括生產(chǎn)成本在內(nèi)都將會(huì)比燃油動(dòng)力汽車更加劃算，而非如今僅能限定在用車成本方面的比較?！暗F(xiàn)在來看，我們正離這一目標(biāo)愈發(fā)遙遠(yuǎn)。”基準(zhǔn)礦物情報(bào)首席數(shù)據(jù)官卡斯帕·羅爾斯表示。在此局面下，動(dòng)力電池利益各方在繼續(xù)著手緩解供應(yīng)鏈問題外，對(duì)動(dòng)力電池技術(shù)革新也逐漸提上日程，更多尚處于實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證、存在規(guī)?；赡苄缘碾姵胤桨副粩[上臺(tái)前。

從結(jié)構(gòu)升級(jí)

近期出現(xiàn)頻率最高的新型電池技術(shù)，當(dāng)屬特斯拉發(fā)布的4680型無極耳電池。據(jù)稱，相比傳統(tǒng)鋰電池設(shè)計(jì)，4680型電池具有更好的充放電峰值功率，其單體帶電能力相當(dāng)于當(dāng)前主流的21700型電池5倍，并顯著解決了高能量密度電芯的散熱問題，續(xù)航能力則提高了16%。

雖然4680型電池依舊屬于圓柱鋰電池的范疇，但事實(shí)上其大電芯+全極耳+干電池的技術(shù)構(gòu)成已對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)做出更多改變。而無極耳實(shí)則就是全極耳結(jié)構(gòu)，4680型電池更大的接觸面積令電流通路增加更多，并隨著極耳間距的越短，實(shí)現(xiàn)了電池輸出功率的升級(jí)。在成本方面，由于尺寸變大優(yōu)勢(shì)，4680型電池會(huì)降低殼體在單位電池容量上的占比，結(jié)構(gòu)件和焊接數(shù)量也顯著減少，使得電池綜合成本得以降低14%。特斯拉還表示對(duì)這款電池的硅負(fù)極原材料進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，采取高彈性材料制成離子聚合物涂層，穩(wěn)定硅表面結(jié)構(gòu)，并使成本降低5%。

盡管工藝難度較大，但4680型電池已是現(xiàn)階段最有望率先落地的新型電池。此前已結(jié)束的特斯拉電話會(huì)議已計(jì)劃提前到2022Q1實(shí)現(xiàn)這款電池的量產(chǎn)，并開始著手電池產(chǎn)能布局，計(jì)劃在2022年底達(dá)到100GWh的規(guī)模。同時(shí)，特斯拉的主要電池供應(yīng)商松下表示，從產(chǎn)品研發(fā)方面來看，技術(shù)目標(biāo)基本都已實(shí)現(xiàn)，顯然已做好量產(chǎn)特斯拉4680型電池的準(zhǔn)備。松下公司正在日本打造一條生產(chǎn)線并進(jìn)行試產(chǎn)，待技術(shù)完備之后將邁向大規(guī)模量產(chǎn)環(huán)節(jié)。

對(duì)結(jié)構(gòu)升級(jí)的另一亮點(diǎn)便是對(duì)電池包設(shè)計(jì)的改進(jìn)。整車企業(yè)的動(dòng)力電池方案多依托于專門的電動(dòng)底盤平臺(tái)進(jìn)行配套，例如大眾的MEB平臺(tái)和福特的奧特能平臺(tái)，設(shè)計(jì)方面多中規(guī)中矩，但如今對(duì)車型進(jìn)行特定電池包設(shè)計(jì)的例子也已出現(xiàn)。

在2022國際消費(fèi)類電子產(chǎn)品展（CES）上，奔馳旗下全新純電動(dòng)概念車VISION EQXX正式亮相。奔馳為這款車型設(shè)計(jì)了一個(gè)專用的100千瓦時(shí)電池包，總重量約為495千克。其與全新EQS的電池包相比，尺寸縮小50%，重量減輕30%，百公里能耗不足10千瓦時(shí)，單次充電續(xù)航超過1000公里。

奔馳旗下全新純電動(dòng)概念車VISION EQXX

最出人意料的是，EQXX這款電池包并未采用多見的液體冷卻（加溫）熱管理方案，而是使用被動(dòng)風(fēng)冷技術(shù)，結(jié)合電池包本身具有的小通風(fēng)口，通過汽車電池周圍的氣流和電池底部的散熱板，來確保吸走電池包的溫度。奔馳方面認(rèn)為，液冷熱管理方案的效果固然很好，但這也意味車上會(huì)有更多的液體、泵組和管道循環(huán)系統(tǒng)，而增加的重量又會(huì)損耗更多電池電量。EQXX采用的特定電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和被動(dòng)風(fēng)冷電池技術(shù)，可以將電池中95%電能轉(zhuǎn)換為車輛的動(dòng)能，從而實(shí)現(xiàn)更好的能效表現(xiàn)。

替代材料在哪里

改善電池電芯和極板材料配比同樣也是動(dòng)力電池技術(shù)革新的一條主要路徑。以如今主流鋰電池類型之一的高鎳三元為例，目前，在以高鎳體系為共識(shí)的前提下，包括寧德時(shí)代、松下、LG新能源等國際動(dòng)力電池主要供應(yīng)商都在將低鈷及無鈷化電池作為下一代動(dòng)力電池的研發(fā)方向。其中在低鈷化發(fā)展方面，四元鋰電池的研發(fā)進(jìn)度要稍快一些。

相比NCM（鎳鈷錳）的正極三元材料搭配，四元電池正極材料引入第四種金屬元素來減少鈷元素的占比，以期實(shí)現(xiàn)成本更低、安全性能更好的探索。比如在高含量鎳的三元基礎(chǔ)上新增鋁元素，將電池正極材料變?yōu)镹CMA（鎳鈷錳鋁），同時(shí)也將石墨負(fù)極新增一層硅碳層，形成了一種更為穩(wěn)定的四元鋰離子電池結(jié)構(gòu)。

目前，由LG新能源研發(fā)的四元鋰電池已進(jìn)行少量生產(chǎn)，在其正極材料中，鎳的比例高達(dá)90%，鈷的比例則降至5%，使得電池成本顯著降低。同時(shí)正極材料中鋁的加入也抑制了鈷元素不穩(wěn)定雜質(zhì)生成，切實(shí)提升了電池循環(huán)壽命。但由于四元鋰電池技術(shù)還未完全成熟，以及量產(chǎn)工藝問題，致使這一低鈷發(fā)展路線尚不明朗。

在無鈷化發(fā)展方面，蜂巢能源的無鈷電池則已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)配套，初步進(jìn)入商業(yè)化階段。據(jù)蜂巢能源消息，該電池?zé)o鈷材料性能可以達(dá)到NCM811同等水平，電池材料成本會(huì)下降5-15%，這樣電芯的整體綜合成本可以降低5%，而且原材料的供應(yīng)更加穩(wěn)定、有保障。無鈷化技術(shù)的關(guān)鍵在于電芯，通過摻雜未成對(duì)的電子自旋的特定元素，減弱電子超交換，減緩晶體在充放電過程的體積變化，最終提高循環(huán)壽命和安全性。

更多的電芯替代路線也正浮出水面。日內(nèi)瓦大學(xué)晶體學(xué)實(shí)驗(yàn)室正在投入對(duì)鈉離子電池的研究。從資源儲(chǔ)量豐度考慮，鈉相比目前為大多數(shù)設(shè)備和車輛提供動(dòng)力的鋰，更具可持續(xù)意義。但難題在于鈉離子在傳統(tǒng)電池的液態(tài)電解質(zhì)中無法輕易移動(dòng)，使其效率低于鋰，研究過程中顯然還需完成對(duì)固體電解質(zhì)的同步開發(fā)。巴塞羅那材料科學(xué)研究所也有類似的電芯替代研究計(jì)劃，該機(jī)構(gòu)目前正在著手研制基于鈣元素的原型電池。但這項(xiàng)計(jì)劃也同樣遇到電解液難題，研究人員正在嘗試開發(fā)各種鹽和溶劑的模型來克服這一障礙。

憧憬的終極方案

由于鋰離子電池的開發(fā)潛力已近極限，以及在探索新型動(dòng)力電池過程中遭遇了越來越多的電極材料不穩(wěn)定、電解液傳導(dǎo)效率等硬性難題，讓固態(tài)電池成為令眾人憧憬的未來終極解決方案。

從技術(shù)潛力角度來看,全固態(tài)鋰電池能量密度提升更具理論可行性。首先，由于電壓平臺(tái)提升，固態(tài)電解質(zhì)相比有機(jī)電解液普遍具有更寬的電化學(xué)窗口。其次，固態(tài)電解質(zhì)具備阻隔鋰枝晶生長(zhǎng)的特性。而這兩點(diǎn)均有利于進(jìn)一步提升電池的能量密度。全固態(tài)鋰電池當(dāng)前能量密度約為400Wh/Kg,而預(yù)估最大潛力值高達(dá)900Wh/Kg，提升空間超過100%。另一方面，固態(tài)電解質(zhì)不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)的特點(diǎn)，令固態(tài)鋰電池具有極高的安全性預(yù)期。這也意味著一旦全固態(tài)鋰電池解決了金屬鋰穩(wěn)定性差等問題，或?qū)⒈l(fā)出強(qiáng)大的產(chǎn)品替代力。

固態(tài)電池的良好發(fā)展預(yù)期正吸引著更多汽車企業(yè)入局其中。日產(chǎn)汽車計(jì)劃在全固態(tài)電池領(lǐng)域投資1400億日元（約78.4億元人民幣），并計(jì)劃在2024財(cái)年在日本橫濱建造試點(diǎn)工廠，到2028財(cái)年推出搭載全固態(tài)電池（ASSB）的電動(dòng)車型。日產(chǎn)汽車公司首席執(zhí)行官內(nèi)田誠認(rèn)為，全固態(tài)電池將改變游戲規(guī)則。本田技研則通過與電池研發(fā)公司SES合作，著力于鋰金屬二次電池（在負(fù)極使用鋰金屬，可以預(yù)期比鋰離子電池具有更高的能量密度）的共同開發(fā)。在固態(tài)電池方面，本田技研已開始進(jìn)行生產(chǎn)技術(shù)驗(yàn)證。

但固態(tài)電池的規(guī)?；瘧?yīng)用還尚需時(shí)日。中國科學(xué)院院士歐陽明高認(rèn)為，從電池產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展角度看，2030年之前還是鋰離子電池（包括固液混合）處于絕對(duì)主導(dǎo)地位。第一代全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的時(shí)間點(diǎn)則可能在2030年左右出現(xiàn)。2035年之后，新一代固態(tài)電池，鉀、鎂、鈉、鋰-硫等各類電池才可能會(huì)大量進(jìn)入市場(chǎng)。