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標(biāo)題: 車用鋰離子電池的無限戰(zhàn)爭：向下一個寧德時代沖鋒 [打印本頁]
作者: 爬爬科技說    時間: 2022-2-12 00:49
標(biāo)題: 車用鋰離子電池的無限戰(zhàn)爭：向下一個寧德時代沖鋒
電池是電動車的核心零部件，在整車成本中占比可達(dá)40%。在電動車所有的零部件里，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。下圖是一次針對電動車購置顧慮的消費(fèi)者調(diào)研，從圖中能明顯看到，里程焦慮、尤其是長途旅行時的里程焦慮是消費(fèi)者購置電動車時最大考量。

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圖：電動車用戶調(diào)研

用戶的痛點(diǎn)就是商機(jī)。圍繞著電池，業(yè)界展開了激烈的競爭，從底層技術(shù)、制造工藝、服務(wù)運(yùn)營等各種維度殺得難解難分。如果把新能源電動車與傳統(tǒng)燃油車之間的競爭看作一場規(guī)模龐大的戰(zhàn)役，那么電池小戰(zhàn)場就是其中最精彩的局部戰(zhàn)爭。
底層技術(shù)維的戰(zhàn)爭

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，寧德時代的最好水平已經(jīng)接近300Wh/kg（這個單位的含義是每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。
按照中國汽車工程協(xié)會于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。

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圖：新能源汽車電池技術(shù)路線圖2.0（資料來源：中國汽車工程協(xié)會）

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，目前以寧德時代為核心的一超多強(qiáng)市場格局有望被打破。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，誰就在下一個電池時代占據(jù)先機(jī)。
明確宣布進(jìn)軍固態(tài)電池的巨頭公司有國外的日本豐田，韓國的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)。國內(nèi)有當(dāng)升科技、寧德時代、比亞迪、國軒高科、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)。

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圖：固態(tài)電池的技術(shù)路線圖（資料來源：光大證券）

不過，這些電池玩家們很快就會遇到一個更為嚴(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?？匆幌?021年電動車銷量就知道問題出在哪里。

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圖：電池成本曲線隨時間變化圖

2021年僅僅中國電動車銷量就達(dá)到352.1萬輛，同比增長157.57%。下游強(qiáng)勁的銷量已經(jīng)使得上游鋰鹽的價格在一年之內(nèi)翻了兩倍多。更不幸的是，我國是一個貧鋰國。
根據(jù)美國地質(zhì)勘探局（USGS）統(tǒng)計，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交界處的高海拔鹽湖和鹽沼，22.3%分布在澳大利亞，中國鋰礦資源僅占6%—7%。
為了搶鋰，原本專注于電池制造的寧德時代不得不向上游鋰礦環(huán)節(jié)延申。去年9月，寧德時代出手以更高的報價截胡了國內(nèi)鋰礦企業(yè)贛鋒鋰業(yè)對加拿大千禧鋰業(yè)的收購，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，對鋰礦的需求會更大。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)勢在于，地球上鈉的儲備量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于鋰，海洋鋰的鈉元素幾乎取之不盡，提取方法也較簡單。如果工藝成熟的話，可以進(jìn)一步降低電池的價格。國內(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，于寧德時代競爭。

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圖：寧德時代鈉電池發(fā)布會

制造工藝維的戰(zhàn)爭

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。

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圖：電池包結(jié)構(gòu)圖

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。一個電芯出現(xiàn)熱過載，不會影響整個電池包。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。

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圖：電芯-模組-電池包三層結(jié)構(gòu)示意圖

比亞迪刀片電池的做法是將電芯的厚度減薄，長度拉長到跟電池包差不多，電芯的外觀由方形變成細(xì)細(xì)的長條形，類似一塊長刀片，因此被稱為刀片電池。一個電池包由10—20個電芯并排疊放組成，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。

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圖：比亞迪刀片電池

寧德時代的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、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。

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圖：廣汽埃安推出的彈匣電池

業(yè)界霸主特斯拉在另一個方向上努力提升電池性能。跟國內(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)量減少會使電池管理系統(tǒng)變得相對簡單。另一個好處是，電芯內(nèi)部散熱面積增大，更容易實(shí)現(xiàn)短時快充。

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圖：圓柱電芯的尺寸變化

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，電阻也會隨著距離的增加而增大，發(fā)熱問題會更嚴(yán)重。

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圖：電芯正負(fù)極極耳示意圖

特斯拉是怎么解決這個問題呢？如下圖所示，特斯拉將單個極耳結(jié)構(gòu)改變成多個極耳，覆蓋整個正負(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)，保證每個極耳焊點(diǎn)都良好焊接，對制造設(shè)備要求極高。

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圖：特斯拉采用的多極耳結(jié)構(gòu)

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了一家企業(yè)?；ㄙM(fèi)這么大的代價攻克4680電池的生產(chǎn)難題，特斯拉看重的是工藝簡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，特斯拉是唯一一個生產(chǎn)電池的整車品牌。以特斯拉電動車銷量對電池的需求量而言，值得為不斷降低電池成本花費(fèi)更多代價。
服務(wù)運(yùn)營維的戰(zhàn)爭

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，電動車車企沒法做到如此超脫。為了提高競爭力，他們不得不下場做電池運(yùn)營的服務(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，特斯拉已在中國大陸建設(shè)超過1000多座充電站，8000多個充電樁，覆蓋全國360多個城市和地區(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。

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圖：特斯拉充電站分布圖

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，充電速度會更快。
特斯拉以雄厚的資金實(shí)力在全國布局大規(guī)模的充電網(wǎng)絡(luò)，為用戶提供便捷的充電服務(wù)，提高特斯拉對用戶的吸引力，這是特斯拉商業(yè)優(yōu)勢的又一體現(xiàn)。那國產(chǎn)品牌如何競爭呢？
一向以高端服務(wù)為品牌調(diào)性的蔚來找到了另一個用戶痛點(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電動車的一個很大的顧慮，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，電池的容量一定會降低，這個過程不可逆，沒法完全恢復(fù)。電池容量損耗會拉低整輛車的二手交易保值率，阻礙用戶的購買意愿。
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；另一方面，當(dāng)用戶想轉(zhuǎn)手賣車時，車子是不帶電池的，不會受電池?fù)p耗的影響，二手交易的保值率相對會更高。
相對于特斯拉，蔚來的模式算是一種創(chuàng)新。但依舊有幾個問題，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，會影響二手車交易的頻次。
第二個問題可以回到本文最開始的那個問題，如果把電動車的電池取走一半，它的續(xù)航也會降到一半嗎？答案是，續(xù)航會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，這個比例會越大。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)航就會比原來的一半要多。
從這個問題延申一下會發(fā)現(xiàn)如今電動車的另一個痛點(diǎn)。盡管車廠都會以長續(xù)航為賣點(diǎn)，但大部分用戶的日常使用還是上下班通勤，這個路程一般會在150—350公里內(nèi)。但消費(fèi)者絕對不敢買續(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，沒法解決這個問題。
于是，寧德時代又出手了。
2022年1月18日，寧德時代舉辦換電服務(wù)品牌EVOGO發(fā)布會，發(fā)布模塊化電池產(chǎn)品，每個電池模塊容量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)長途遠(yuǎn)游，再選擇多裝幾塊。

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圖：寧德時代發(fā)布的電池塊單元

同時，EVOGO會在各大城市建設(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。這個時間已經(jīng)十分接近燃油車去加油站加滿油箱的時間，便捷性大大提高。

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圖：寧德時代EVOGO換電站設(shè)計圖

對于用戶來說，按需增減電池，電池使用的經(jīng)濟(jì)性大大提高，不會像以前那樣花錢買閑置的電池資源，降低電動車使用成本。更現(xiàn)實(shí)的價值在于，采用換電方案的電動車售價大大降低了。在寧德時代EVOGO發(fā)布會上，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，那么電動車的電池部分將完全標(biāo)準(zhǔn)化，車子的續(xù)航動態(tài)可調(diào)，用戶也不用顧慮電池通用性問題。電動車市場將無限接近于燃油車市場里車和油完全分離的商業(yè)格局，車廠專注于車輛本身，以寧德時代為代表的電池廠商專注于電池制造和運(yùn)營。
從更宏觀的角度來看，如果大部分用戶的大多數(shù)時間內(nèi)都只需要1塊或2塊電池模塊，對鋰元素的需求量會大大降低，減少對上游鋰礦產(chǎn)資源的依賴，對整個行業(yè)的鋰元素焦慮也會大大緩解。從新能源電力網(wǎng)絡(luò)來看，也會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)爭似乎看不到盡頭，這對車廠是一場殘酷的馬拉松長跑。再加上其他配套系統(tǒng)的研發(fā)工作，電動車這個看似全新藍(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說：“造車需要儲備的資金門檻，幾年前我說的是200億，現(xiàn)在沒有400億可能都干不了了?！?br /> 但對用戶是福利，用戶永遠(yuǎn)抱有最樸素的愿望：用更低的價格購買到更好的產(chǎn)品和服務(wù)。這個商界永遠(yuǎn)的金科玉律將會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。

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