2月中下旬,壹則新聞讓新能源車行業炸開了鍋——特斯拉正與寧德時代***同研發『無鈷電池』,或將用於國產Model?3車型。它直接造成幾家有涉鈷業務的上市公司直接跌停,但是對於消費者而言,可能不太理解這個消息背後的深刻意義。
那麽,『無鈷電池』到底是什麽呢?它真的很重要嗎?
什麽是無鈷電池?
這裏簡單科普壹下,純電車使用的動力電池,根據正極材料的不同分為幾大類,目前市場最主流的兩條技術線路就是『三元鋰電池』和『磷酸鐵鋰電池』。這兩種電池的隔膜、電解液以及負極材料基本都相同,唯壹不同的是正極材料。
從廣義上來看,電池的正極材料中含有鈷元素的電池,都可稱作『有鈷電池』,正極材料中不含鈷元素的電池,都可稱作『無鈷電池』。
從狹義認知來看,『三元鋰』指的是包含鎳(Ni)、鈷(Co)、錳(Mn)或鋁(Al)三種金屬元素的聚合物,其中“NCM”、“NCA”中的C就代表鈷元素,所以它們都屬於『有鈷電池』;而磷酸鐵鋰電池的正極是橄欖石結構的LiFePO4材料,所以我們通常會認為『無鈷電池』就是磷酸鐵鋰。
為什麽要用無鈷電池?
再進壹步說,為什麽特斯拉突然要改用『無鈷電池』呢?
其實,這些年來特斯拉壹直都在致力於降低鈷的使用量。2009年,在Roadster上,特斯拉用的是鈷酸鋰電池。2012年,在Model?S上,鈷的使用量是11千克/輛車。2018年,在Model?3上,鈷的使用量為4.5千克/輛車。到如今。2020年,特斯拉打算使無鈷電池。而鈷的使用量逐步遞減,最終目的還是因為『成本』。
我們都知道,電動車的核心部件是三電系統。三電系統中,以電池的成本最高,可占到整車成本的35%-40%;在三元鋰電池中,又以鈷材料的成本最高,可占整個電池包成本的30%-40%。而在磷酸鐵鋰電池中,正極材料只占電池成本約13%-15%。
在前壹段世界召開的電動車百人會上,中國科學院院士歐陽明高提到,現階段新能源車的動力電池的成本在0.6~1.0元/Wh之間,其中下限是相對更便宜的磷酸鐵鋰電池,上限是成本更高的三元鋰電池。換裝無鈷電池,特斯拉又可以繼續降本放量。
使用『無鈷電池』,除了價格的下降,還包括價格與供應的穩定。因為鈷通常是銅或鎳開采的副產品,它容易受到這些金屬的需求和價格波動的影響。
除此之外,很容易被人忽略的壹點是:特斯拉與寧德時代采用新的電池技術,其實也是在擺脫核心供應商的桎梏。在此之前,我們都知道特斯拉與松下建立起了非常緊密的合作關系,但是在Model?3產能爬坡時,松下的電池供應速度被馬斯克多次吐槽,傳出不少“緋聞”。換句話說,當最關鍵的核心供應商只有壹家的時候,對特斯拉的生產制造而言,是冒著極大的風險的。
增加供應商、開拓新的技術線路,將雞蛋放在不同的籃子裏,這在商業競爭中才是壹個更加聰明的方案。就在筆者的落筆之時,又有新的消息傳出特斯拉準備自產電池,這也佐證了這壹點推測。
有趣的是,當外界紛紛猜測,特斯拉將與寧德時代***同研發新壹代磷酸鐵鋰電池時,『特斯拉上海超級工廠』在抖音回復網友稱:“請留意四月特斯拉的電池發布會,無鈷,不代表壹定是磷酸鐵鋰”,隨後該條評論被官方刪除。這讓我們對兩者合作的產生了更多的好奇。
但無論是使用不含鈷的磷酸鐵鋰電池的路線,還是采用NCM811高鎳電池向NCMA(鎳鈷錳鋁)四元電池進階、並在過程中逐漸以經過處理的其他包覆元素來代替鈷的路線。這都是壹件好事,因為:
於特斯拉而言,與國內動力電池巨頭寧德時代合作,既可進壹步降低成本,還可以提升效率,同時增加了電池供應渠道,還可以保證上海工廠不受電池瓶頸限制,可謂壹石多鳥。
於新能源汽車市場而言,特斯拉與寧德時代的合作,或將進壹步降低國產特斯拉的制造成本,進而將國產特斯拉售價空間繼續下探,進壹步激活國內25萬級別的電動車市場。
比亞迪和特斯拉想到壹塊了
無獨有偶,在特斯拉公布前1個月,比亞迪也同時宣布推出新的“無鈷電池”——超級磷酸鐵鋰電池,官方又稱之為『刀片電池』。
什麽是刀片電?
所謂刀片電池,是指“長電芯方案”(主要指方形鋁殼),壹種通過增大電芯的長度(扁長化設計),以陣列的方式排布在壹起,像“刀片”壹樣插入到電池包裏面,從而改進電池包集成效率的技術。它不是指某壹個特定尺寸的電芯,而是可以基於不同需求制作成不同尺寸的電芯,大致原理如下:
通過刀片電池的方式,比亞迪的磷酸鐵鋰電池的能量密度可達到180Wh/kg,相比此前提升大約9%,而體積能量密度可以提升50%,同時,通過更改內部機構等技術,單位成本可以降低30%。據比亞迪官方介紹,新的刀片電池壽命可達百萬公裏以上。
比亞迪官宣「漢」將是全球首款搭載「刀片電池」的車型,有望於今年6月上市。
鐵電池的優勢?
刀片電池特殊的地方不僅是全新的電池排布結構,還有壹個重點是,它是壹款磷酸鐵鋰電池。這在三元鋰電池方案蔚然成風的行情下,也是壹個逆勢而行的決斷。
比亞迪選擇它,也是看中了它的幾個優點。
首先,磷酸鐵鋰晶體中的P-O鍵穩固,難以分解,即便遇到高溫或過充,也不會像鈷電池壹樣、結構崩塌發熱或是形成強氧化性物質,因此磷酸鐵鋰電池天生就具有更好的熱穩定性,即使碰撞破裂也不容易發生自燃。
熱穩定性更差的三元鋰頻發自燃
其次,磷酸鐵鋰還擁有更好的耐用性,完全充放電循環次數大於3500次後電量才會衰減到原有的80%。再來,因為它沒有貴重金屬(鎳鈷金屬元素),所以在生產成本上較低,且生產環節更加環保。
以上優點都是三元鋰電池不具備的。
鐵電池有這些優點,為什麽之前沒有大規模應用呢?
我們看看銷量。2019年,我國動力電池產銷量分別累計為85.4GWh和75.6GWh,其中,三元電池產量累計55.1GWh,占總產量64.6%,累計銷售53.0GWh,占總銷量70.0%。磷酸鐵鋰電池產量累計27.7GWh,占總產量32.4%,累計銷售20.6GWh,占總銷量比27.2%。
從這個比例來看,三元鋰電池的市場表現顯然比磷酸鐵鋰更加強勢,造成這個現象的原因,主要還是鐵電池仍有不少缺點沒被解決。
壹是低溫性能差。磷酸鐵鋰電池溫度使用下限值-20℃,且低溫環境下放電性能差,在0℃?時的容量保持率約60~70%,-10℃時為40~55%,-20℃時為20~40%。與此相對,三元鋰電池低溫溫度使用下限值-30℃,低溫放電性能好,和磷酸鐵鋰電池相同低溫條件下,冬季時裏程衰減不到15%。所以,相較於三元鋰電池組,磷酸鐵鋰更加依賴於電動車的用車環境和電池溫控系統。
二是能量密度低。受制於化學特性,磷酸鐵鋰電池的電壓平臺低,普通磷酸鐵鋰電池的能量密度大概在140Wh/kg左右。哪怕是比亞迪的超級磷酸鐵鋰電池,能量密度也就只能達到180Wh/kg,距離三元鋰電池動輒200Wh/kg以上能量密度,還是有差距。
還有壹個大家比較容易忽略的點——補貼因素。之前的三元鋰電池因為能量密度更大,能夠拿到的補貼更多,大家自然走更加輕松的路,但是2019年的補貼全面下跌之後,兩者的差距越來越小,這也是磷酸鐵鋰電池又重回人們的視野的重要原因之壹。?
如何克服能量密度問題?
低溫性能和政策原因,大家比較容易理解,我們這裏重點說說鐵電池的能量密度問題。這壹點正是寧德時代和比亞迪攻堅的重點:比亞迪交出的是『刀片電池』結構,而寧德時代交出的就是『CTP技術』。
比亞迪刀片電池的特點
從比亞迪披露的專利來看,刀片電池是把電芯長度拉長,厚度做薄,做成430mm甚至2500mm的超長電芯,其電芯是兩端出極耳。和傳統方形電池相比,呈現“扁平”和“長條”形狀,並且直接省去了電池模組這個環節。
在電池包總體積壹致的情況下,現有的電池PACK結構,多出了各模組的側板、端板、緊固件、橫梁、縱梁等組件;而采用了新結構的比亞迪電池包,除去電池管理系統、配電箱等組件,包內空間利用率大概在62%左右。受到不同的電芯布局方式影響,包內空間利用率分別為55%到65%,如有需求甚至可以達到80%。
由於零部件的減少,帶來重量的減少,因此單位質量能量密度也能夠提高,整車續航裏程也能提高。采用新結構的電池PACK,帶電量約增加20%-30%,續航裏程也能提升20%-30%。
寧德時代CTP的特點
相比比亞迪的刀片電池,寧德時代在技術上並沒有那麽激進,它還是保留了模組概念,只不過模組的數量減少了,或者說每壹個模組都變大了。
根據寧德時代的專利,壹個大模組裏面被若幹個塑料材質的散熱板分割成壹個個小的空間,方殼電芯就像電腦硬盤壹樣,可以插進這些小空間。
每個電芯的側面還貼有導熱矽膠墊片,且電芯寬度方向的散熱板留有散熱通道,可以直接於外部的冷卻管路連接。
根據寧德時代的數據顯示,這樣做能夠減少約40%的零部件,這些零部件來自模組之間的連接線束、側板、底板等。此外,在電池體積不變的情況下,采用CTP技術的電池Pack包內體積利用率也提升了15%-20%。
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寧德時代的CTP技術,比亞迪的刀片電池技術,都大幅提升了磷酸鐵鋰電池的能量密度,當這壹塊短板被補齊,後補貼時代,我們或許很快就能看到鐵電池的回歸。
其實,無論特斯拉和寧德時代最終決定使用什麽技術線路,它和比亞迪的選擇,都會對現有的三元鋰電池市場造成極大的沖擊。屆時,車型的成本減低,消費者也能用更少的錢買到同樣出色的產品了。
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