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出品|虎嗅汽车组

作者|梓楠法师

头图|视觉中国

“比亚迪刀片电池以一己之力把磷酸铁锂从边缘化拉回来”,在6月13日的2021年中国汽车重庆论坛上,比亚迪总裁王传福如是说。

磷酸铁锂电池在产销数据上的逆袭,给了王传福更多底气。据中汽协数据,2021年5月磷酸铁锂电池装机量为4.5GWh,环比增进40.9%,产量达8.8GWh,占5月天下动力电池产量的63.6%。纵然5月磷酸铁锂电池的装机量未逾越三元锂电池,但从5月产量数据来看,磷酸铁锂电池逆袭三元锂电池只是时间问题。

2021年5月动力电池产量数据 泉源:中国汽车动力电池产业创新同盟

磷酸铁锂电池逆袭三元锂电池,这对王传福和比亚迪来说,是个好事。但对纯电动车产业来说,这不是个好新闻。

虽然解决了动力电池平安性问题,但磷酸铁锂在能量密度等方面显示并不精彩。在纯电动车强调平安性的当下,磷酸铁锂逆袭无可厚非。但对于纯电动车来说,仅仅平安是不够的。

成本高、能量密度不足、保值率低、充电慢、会自燃...从零部件的角度来看,纯电动车所有的槽点都是源于电池。当你花30万买下一辆纯电动车时,就即是你花10万买了一堆电池。这堆电池可能某一天会烧掉你的车、让你的车在冬天趴窝、你需要四处找充电桩喂饱它,而且它贬值的速率超乎你想象。你受得了吗?

事实上,电池不行这件事,已经是知识。锂电池手艺的生长,早已进入一个相对阻滞期。

1982年,诺贝尔奖得主约翰・古迪纳夫在牛津大学的研究组首次报道了钴酸锂正极质料的研究。1996年,同样是约翰・古迪纳夫,发现了磷酸铁锂质料性能优于传统的正极质料,磷酸铁锂电池最先走出实验室实现商业化。

前述的钴酸锂电池及磷酸铁锂电池,就是当前纯电动汽车所搭载的三元锂电池与磷酸铁锂电池的原型。这些手艺早在二三十年前就已被提出或基本定型。纵然现在单元锂电池的能量密度迫近300Wh/kg,但电池手艺的生长始终只是量变。后人在锂电池问世的这几十年里,翻烂元素周期表也没有造出更合适的替换质料,只能通过改变质料配比,改善制作工艺以提升手艺参数。

最近几年,纯电动车市场受到资源追捧,电池手艺生长滞后的问题被端上台面。锂电池制造工艺的改善与电池质料的微创新逐渐榨干磷酸铁锂电池的潜能,而三元锂电池的平安性问题也迟迟得不到解决。市场对先进电池手艺的需求与当下动力电池研发能力、制造工艺的错配成为阻碍纯电动车生长的主要矛盾。

简言之,看似先进且迅速生长的纯电动车,是一个略显畸形的产物。

囿于电池手艺的缓慢生长,“固态电池”、“石墨烯”等字眼成为新能源车企产物的卖点。这给市场一种错觉,动力电池存在的诸多问题看似有许多解法。

但停止现在,这些字眼只存在于PPT和实验室里,车上还没有。

当企业最先造词而不是造电池

当纯电动车市场渗透率逐步上升后,憧憬尖端科技的极客群体,已无法知足市场膨胀的需求,新能源车企需要新的消费群体的青睐。纯电动车想取代燃油车,从蹊径上来说很容易--解决电池问题。但现在的情形是这样,电池问题还没解决,为了“忽悠”新的人群,企业只能开动宣传机械了。

2021年以来,为了缓解行业和消费者对动力电池的焦虑,推出新型电池手艺观点成为电池供应商和车企的一样平常。宣发新电池手艺,既能提升纯电动车企的科技品牌形象,又能拉一波股价,何乐而不为?

5月21日,动力电池巨头宁德时代宣布将于7月公布钠离子电池。只管宁德时代尚未宣布钠离子相关手艺参数,但在锂电池原质料价钱延续颠簸的当下,宁德时代这一亮相依旧点燃了资源市场。新闻公布后,中盐化工、华阳股份等钠电池观点股一度涨停,宁德时代的市值也在随后的5月31日短暂突破一万亿元人民币关口。

原理很简朴,钠离子电池所需的钠元素并不稀缺,若是钠离子电池手艺乐成应用,宁德时代就有时机脱节被上游原质料供应商吸血的事态,同时也意味着价钱更低的电池问世。

但在部门业内人士看来,钠离子电池并不会改变现有动力电池手艺蹊径的名目。

“钠电池现在最理想的手艺指标也赶不上磷酸铁锂电池,只是比铅酸电池好一点”,真锂研究剖析师墨柯对虎嗅示意。据业界推算,钠电池从实验室到大规模量产至少还需要5年时间。这意味着,宁德时代即将公布的钠电池手艺险些不会对当下的新能源汽车产业起到辅助。

此外,宁德时代并不是第一个关注到钠离子的企业。早在2013年,以钠电池手艺蹊径为突破偏向的美国初创公司Aquion Energy就曾获得比尔・盖茨的投资。但在2017年这家公司就因融资失败宣告歇业。

“钠电池量产应用还存在诸多难题,现在宁德时代可能更多是想通过新的手艺蹊径给上游供应商施压的心态”,墨柯说。

除宁德时代的钠离子电池外,即将在国产特斯拉Model Y搭载的LG化学四元锂电池也是近期动力电池手艺希望的焦点之一。

凭证形貌,LG化学的四元锂电池因第四元素铝及镍的比例增添,大幅降低了正极质料中钴的比例,有望将电池中的钴元素含量大幅削减,从而实现成本的降低。在全球钴产量极端颠簸导致动力电池成本上升的当下,四元锂电池在无钴化方面的手艺成就是值得一定的。但从基原本看,所谓的四元锂电池依旧是观点炒作。

“现在的三元锂电池不是只有三种元素,增添元素以改良电池性能许多企业都在做,LG化学的四元锂电池只是在名字上有创新,若是其他企业愿意,现在市面上也能有五元锂、六元锂”,一位动力电池企业内部人士对虎嗅示意。

宁德时代对四元电池的回应 泉源:万得股票

从特斯拉在2020电池日推出4680电池、无极耳手艺以来,发现电池手艺的民俗就已泛起。

2021年1月9日,蔚来汽车公布新车型ET7并推出一款单体能量密度达360Wh/kg的固态电池。据蔚来宣称,搭载该电池包的ET7车型NEDC续航里程将超1000公里,而该电池包则设计于2022年第四序度交付。

蔚来对其所公布固态电池的相关形貌 泉源:蔚来汽车官方微博

在蔚来开完公布会后,1000公里续航险些成为新能源车企的新指标。随后,在1月15日下昼,广汽也公布“黑科技”石墨烯快充电池。据广汽形貌,该石墨烯快充电池最快8分钟就能充电至80%且单车续航里程可达1000公里。

一夜之间,似乎电池手艺革命已经到来,“固态电池”、“石墨烯”不再遥远,而1000公里续航更是易如反掌,一切都变得科幻起来。

随后的1月16日,中国科学院院士欧阳明高在中国电动汽车百人会2021论坛对这股1000km风潮做出点评:“若是有人告诉你,这个车能跑1000km,几分钟能充满电,还很平安,成本还很低,这是不能能的,人人不要信托。“除欧阳明高的回应外,多数业内看法也以为蔚来所推出的360Wh/kg能量密度电池无法在2022年量产装车。

抛开量产难度,前述车企所提出的新型电池观点也并不具备革命性,其所使用的手艺方式只能算“微创新”。

以广汽的石墨烯快充电池为例,这个名字看上去给人以一种广汽已研发出纯石墨烯电池的错觉,但现实上广汽只是在锂电池中加入石墨烯质料作为导电剂。这项手艺并非广汽首创。石墨烯供应商昊鑫科技手艺总监张晓鸿就曾果然示意,比亚迪秦、唐系列的电池都已接纳石墨烯作为导电剂。

而蔚来宣布推出的固态电池也不是真正的固态电池,虽然被界说为“固态电池”,但该电池现实上是半固态电池,仍需使用电解液、隔膜。

在这波车企的电池观点缔造中,除了能看出企业在营销上的狡黠外,也不难发现动力电池已经良久没有突破性的手艺创新了。

以特斯拉的2020年电池日为例,除了一百万英里电池的跳票,特斯拉推出的“4680电池”、“无极耳”手艺的观点也令人失望。其中,4680电池并不是电化学意义上的手艺创新,是和现在宁德时代的CTP无模组手艺、比亚迪刀片电池偏向一致的大模组或者无模组结构改善。而特斯拉提出的“无极耳”电池的手艺设想着实与消费电子电池的全极耳手艺无异。

特斯拉对4680无极耳电池的相关参数形貌 泉源:特斯拉官方微博

车企与电池厂商不停在电池手艺上做文章,无法改变电化学质料手艺阻滞的现实。当车企最先将电池手艺作为卖点时,也正意味着电池的问题已成为全行业的焦虑。此外,对于在自动驾驶、智能网联等领域并不突出的车企,电池的优劣在很洪水平上就决议了车型的产物力。

遗憾的是,车企们空有对动力电池手艺的设想,没有电芯研发制造能量。想解决电池问题,还要靠电池供应商。

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按下葫芦浮起瓢

动力电池业内通常会从能量密度、平安性、成本、使用寿命、耐温性、补能速率等6个维度去评价一款动力电池的产物力。

锂电池一样平常以电池所接纳的正极质料命名。而三元锂电池与磷酸铁锂电池的主要区别也在正极质料。磷酸铁锂质料是现在最平安的锂离子电池正极质料,但其额定电压是3.2V,在现在的主流正极质料中处于下游,以是磷酸铁锂电池的能量密度相对较低。而锂镍钴锰等三元锂电池正极质料的额定电压普遍跨越3.5V。

虽然三元锂电池的能量密度显示更好,但三元锂电池的自燃温度在200℃左右,远低于磷酸铁锂500-800℃的自燃温度。另外,三元锂质料的化学反映加倍凶猛,会释放氧分子,在高温作用下电解液会迅速燃烧,发生连锁反映。这也是搭载三元锂电池的纯电动车频仍自燃的缘故原由。而三元锂电池的电解液自己就是易燃物,以是从质料的角度出发,三元锂电池的平安问题无法根治。

在新能源汽车产业生长的各个阶段,每个评价维度的权重也差异。在纯电动车生长初期,里程焦虑是头等难题,能量密度更高的三元锂电池成为香饽饽。随着动力电池工艺改善,纯电动车续航追平燃油车,平安性成了新的问题。而在锂、钴等动力电池原质料价钱延续颠簸的当下,成本问题也最先凸显。

令人遗憾的是,当电池平安性成为焦点时,市场上并未泛起全新的电池以取代三元锂电池。2020年以来,特斯拉、小鹏等车企接连最先转向磷酸铁锂电池。纵然磷酸铁锂有刀片电池、CTP等手艺的加持,但从电化学质料的角度来看,市场选择能量密度更低的磷酸铁锂是一种妥协。

磷酸铁锂质料自己的能量密度提升,已触及天花板。

虎嗅在查阅工信部网站披露文件后发现,工信部新能源汽车推荐车型目录中,多个选用磷酸铁锂电池的车企的差异车型能量密度均没有转变。以宇通客车为例,在工信部2021年第五批新能源汽车推广应用推荐车型目录中,搭载宁德时代磷酸铁锂电池的宇通牌ZK6732BEVQZ3纯电动客车能量密度为161.20Wh/kg,而在15个月前,工信部的2020年第一批新能源汽车推广应用推荐车型目录中,宇通牌ZK6815BEVG14纯电动都会客车的能量密度为161.40Wh/kg。

关于宇通客车相关车型的信息 泉源:工信部

这意味着,宇通客车车型所搭载的磷酸铁锂电池能量密度至少已有15个月没有提升。“宇通用的铁锂电池是宁德时代最好的铁锂电池,能量密度两三年没提升过”,一位靠近宁德时代的人士对虎嗅示意。

众所周知,锂电池由正极片、负极片、隔膜、电解液、结构件等元件组成,锂电池的充放电通过锂离子在正负极之间的移动实现。在单元体积和重量的条件下,搬运更多能量或储存更多锂离子的电池能量密度就更高。

在这样的条件下,提升锂电池能量密度的路径就包罗:1、在单元体积和重量条件下,让锂离子的搬运流动更频仍。2、在单元体积和重量条件下,塞进更多锂离子。而比亚迪刀片电池及宁德时代CTP手艺就是通过改善锂电池电芯结构以实现能量密度的提升。这相当于在商品房里削减公摊面积,增添住房的现实面积,对锂离子来说是个好事。

当前,由于三元锂电池在平安性、成本等方面的劣势,磷酸铁锂电池依旧有伟大的市场需求。固态电池等新型电池量产仍未有详细时间线,部门电池厂商选择继续在磷酸铁锂电池上下重注。

2021年头,宁德时代中国区乘用车解决方案部总裁项延火就曾示意,宁德时代设计通过对磷酸铁锂质料系统的设计与挖掘,将磷酸铁锂电池的能量密度提升至200Wh/kg-230Wh/kg。此外,比亚迪也曾示意磷酸铁锂电池质料仍有提升空间,在单体能量密度上也会通过质料系统和工艺的优化继续提升。

但从宁德时代的亮相来看,磷酸铁锂电池未来能量密度的提升将更多从电芯结构入手。据项延火先容,宁德时代现在正在开发第二代平台化的CTP电池系统,设计于2022年-2023年投放市场。

磷酸铁锂这条手艺蹊径上,未来的最终解决方案或许是类似于宁德时代CTC(Cell To Pack,将电芯集成到电池包)手艺的电芯结构。宁德时代预计于2025年在车辆上应用CTC手艺。

纵然改变电芯结构后的磷酸铁锂电池能量密度仍有提升空间,但当前三元锂电池的能量密度仍以每年跨越10%的增进率提高,等到2025年,接纳CTC手艺的磷酸铁锂在能量密度上将被三元锂电池甩开一大截。

磷酸铁锂前途未卜,改善三元锂电池质料成为另一条突围路径。当前,LG化学与宁德时代等厂商都在探索超高镍三元锂电池,四元电池及811电池就是这条手艺蹊径的产物。通过提高三元锂电池中镍元素的比例,可以将电池能量密度进一步提升并降低原质料成本。

据前述靠近宁德时代人士测算,未来超高镍电池能量密度有望到达350Wh/kg。但在镍含量跨越 90% 后,电池的热稳固性会迅速下降,同时容量保持率也最先下降。也就是平安性降低、更容易衰减。

当前,改善高镍三元电池平安性的主要方式是提升其结构稳固性。通过用镁、钛等元素掺杂和金属氧化物的包覆以稳固电池的层结构。但这个解决方案并不完善,掺杂和包覆用量多会很洪水平降低质料的容量,过少就不能很好地稳固质料的结构,因此无法从基本上解决高镍三元质料的平安性问题。

在这样的情形下,一个既能保持电芯能量密度又可兼顾平安性的过渡性方案泛起了--固混电池。通过将电池中的电解液换成固态电解质与电解液夹杂的状态,可大幅提升电池的平安性。

据前述人士先容,当电解液占整体电解质的5%-10%时,动力电池的平安问题可基本解决。但若何提高固混电池的能量密度仍是个难题。“电解液的密度靠近水的密度,但固态电解质的密度比电解液大许多,若是在相同体积的电池中加入固态电解质,电池的重量就会增添,同时意味着单元质量的能量密度降低”,他说。

因此,想提升固混电池的能量密度,仍需在正负极质料上做文章。

“当前所有手艺蹊径的终点都是质料问题,我们的最终目的是解决电池质料的问题,若是解决不了就只能从其他方面改善,但改善终究是有极限的”,前述人士说。

下一代电池何时到来?

既然前述的这些电池都没有成为“六边形战士”的潜力,那么谁行呢?

电池能量密度的提升差异于集成电路容量的增进模式,储能电池的能量密度提升是台阶式的,当新的电池质料系统确准时,电池的理论能量密度就已经确定。因此,只有发现出新的质料系统,电池能量密度的飞跃才有可能实现。

上一次电池质料系统的更替,是锂电池泛起并逾越铅酸电池。也正由于锂电池应用,我们才得以告辞“年迈大”,用上智能机。当下的新能源汽车行业,需要这样的革命再次发生。

工信部于2020年底公布的动力电池手艺蹊径图2.0 泉源:工信部

事实上,逾越锂离子电池能量密度的电池质料系统早已存在,但这些电池质料的量产应用都面临基础科学难题、手艺瓶颈与工程化应用的挑战。

以现在业内认可度最高的全固态电池为例,接纳锂金属为负极质料的全固态电池虽然可以从本质上提升电池的平安性与能量密度,但其所需的锂金属负极的枝晶问题在已往的三十多年中都没有解决。

此外,宁德时代首创人曾毓群也曾在接受采访时示意,全固态电池所需的固态电解质中离子扩散速率仅为电解液的十分之一,若要提升能量密度只能将固态颗粒纳米化。整体而言,凭证当前的研发水平,全固态电池的能量密度并未逾越液态锂电池,且成本更高。若是全固态电池在手艺上实现了突破,350Wh/kg甚至400Wh/kg的平安电芯也将成为现实。

全固态电池的量产还存在诸多灾题。但部门车企和电池厂商已给出全固态电池量产时间点。日前,LG新能源亚洲营销总司理朴镇庸在2021中国汽车论坛上透露,LG新能源正在着手开发拥有更优异平安性能的聚合物和硫化物的全固态电池,争取2026年实现量产。而宁德时代此前也曾亮相,将在2025年左右量产全固态电池。

宁德时代此前公布的手艺蹊径 泉源:宁德时代官方

然而,造出新型电池是一个系统性的工程,这需要全行业的起劲、电池质料基础科学生长和电池制造工艺的提升。

此外,量产也不代表大规模商用。“当前业内估算全固态电池的成本比锂电池高4倍以上,即便固态电池商用,也是先在消费电子产物上应用,等固态电池成本降下来才会在汽车上使用,消极一点的话,大规模商用要2030年”,墨柯说。

电池手艺的突破不会一蹴而就,新能源汽车零部件的切换也要经由时间的磨练。在全固态电池到来之前,三元锂电池和磷酸铁锂电池仍将继续占领市场。

但可以确定的是,当全固态电池最先大规模取代三元锂电池和磷酸铁锂电池时,燃油车将会被纯电动车扫进历史的垃圾堆。

参考资料:

1、《三元正极质料平安性及其改善方式》--赵甜梦

2、《高能量密度锂电池开发计谋》--储能科学与手艺

3、《钴酸锂正极质料与锂离子电池的生长――2019 年诺贝尔化学奖解读》--黄云辉

4、《锂离子动力电池手艺现状及生长趋势》--科技希望

5、《重新梳理动力电池手艺蹊径与远景》--汽车纵横

6、《动力电池手艺生长瓶颈剖析及建议》--张微

7、《新能源汽车电池手艺生长瓶颈剖析及对策研究》--张微

8、《新能源汽车降本增效手艺蹊径》--严尤物

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