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提到这几年最抓眼球的话题,电动车必然是其中之一。电动车市场需求维持良好的成长势头,除了各大厂商扎堆入局,更主要的动因来自各个国家强力支持环保趋势,祭出补贴政策。电动车已经成为势在必行的发展,几个大国家更已经订定了终结燃油车的期限。
法国为履行《巴黎协议》,在2017年7月宣布2040年禁售汽柴油车,随后英国政府也跟进,强调为了降低有害二氧化氮的排放量,同样希望在2040年前达成禁售汽柴油车的终极目标。而其他更早宣布燃油车即将出局的国家,还包括2030年禁止柴油车路权的德国、荷兰、挪威,以及在2025年全面禁止销售柴油车的挪威。
另外,作为全球最大汽车市场的中国则是设定在2020年达到电动车年销量200万辆。因此,电动车超越燃油车的那一天始终会来到,全球电动车的销售量只会一路向上。但面对纯电动汽车的持续火热,一个很直接的问题摆在了人们面前:市场上的锂电池还够用么?
“最近电池很缺货,因为电动车的需求很强,在电池业者产能有限,连PC、手机产品的电池供货都受到影响,”一位台湾电子业代工厂的高阶主管对DT君透露。从行业人士的几句话就能看出电动车市场的热度有多高。
由于一台电动车大约平均会使用5000颗电池芯,相较于一般笔记本电脑使用6或8颗电池芯,规模庞大许多倍,随着车厂拿货积极,三元锂电池今年下半年需求恐急,导致IT类产品的电池的供应也受到排挤。
业界人士指出,目前电动车电池的报价为大约在1100~1200人民币/千瓦时(kWh),今年是呈现持平走势,但值得注意的是,三元锂电池使用到的“钴”、“镍”原材料都创下近年来价格新高,因此合理推估明年上半年电池将出现涨价趋势。
主流厂商不再固守磷酸铁锂电池,三元锂电池成长性高
过去车厂对于选择磷酸铁锂电池还是三元材料锂电池(简称三元锂电池)的纠结其实已经有了答案,根据高工产业研究院(GGII)数据统计显示,今年1~11月三元电池装机电量11.51GWh,同比增长141%;磷酸铁锂电池装机电量11.56GWh,同比下滑20%。在电池能量密度要求明年确定会有进一步提升的情况下,三元电池装机总量有望进一步扩大。
甚至连以磷酸铁锂电池起家的比亚迪也在近期宣布,从2018年开始所有乘用车都将使用三元锂电池,目前看来,三元锂电池在电动车电池的规格及标准上抢下了主导的地位。
很多人在提到电动车电池时,会将其称为动力电池,事实上,动力电池是指具有较高容量和较大的输出功率,应用范围广泛,从家用、工业到交通都有,像是有一个需求明确且销售量不断提升的应用,就是电动工具,像是电钻、电锯、电动钉枪等所使用的动力电池,而交通工具则有电动车、电动摩托车、电动脚踏车、或是未来型的单人电动小型车等。
在电动车动力电池部分,磷酸铁锂电池、三元锂电池因优缺点不同,过去各有拥护者,磷酸铁锂电池的技术最初是从美国和加拿大开始发展,具有代表性的厂商像是加拿大的Phostech以及美国的A123Systems,它们分别掌握了磷酸铁锂电池正极材料的绝大多数专利,后来A123Systems在2012年被中国汽车零部件巨头万向集团收购,而Phostech则在2014年卖给了英国有色金属巨头JohnsonMatthey。另外,中国的比亚迪也是以磷酸铁锂电池起家。磷酸铁锂电池的优点是可充电次数多,使用寿命可以长达5年以上,是早期电动车主要采用的电池技术。
但为什么三元锂电池可以获得车厂的青睐,主要原因就在于能量密度高(energydensity)。随着汽车行业不断追求电池“能量密度”的提升,电池的能量密度越大,单位体积内存储的电量越多,用户充一次电可以驾驶的距离自然就越长。能量密度是电动车选用电池的关键。国务院发布的《中国制造2025》中提出,2020年我国动力电池要达到能量密度300Wh/kg,2025年达到400Wh/kg的目标。以这个标准来看,磷酸铁锂电池是很难达到的。
三元锂电池的技术领导者则是以日韩为主。之所以称为三元,是因为采用三种元素:镍钴锰(NCM)或是镍钴铝(NCA)作为正极材料。一直以来,三元锂电池在IT行业广泛使用,像是笔记本电脑、平板、智能手机的电池都是,也因为在IT行业的应用行之多年,不论是在技术上跟价格上都已经达到很成熟的阶段,所以车厂希望将此技术转移至电动车上,其中最积极的就是特斯拉。
前特斯拉电池技术总监KurtKelty(2017年8月已于特斯拉离职)过去就曾公开表示,特斯拉尝试了市面上超过300种电池后才选择三元锂电池,第一个理由就是能量密度更大,稳定性、一致性佳,另一个很重要的就是可以有效降低电池系统的成本。特斯拉旗下首款车型Roadster使用的是18650钴酸锂电池,第二款车ModelS就开始使用镍钴铝三元正极材料的NCA锂电池。
而NCA就是特斯拉的伙伴松下(Panasonic)带起来的技术,但因工艺难,必须使用特殊的制程方法,所以能生产出好品质产品的业者并不多。而韩系厂商则多是发展NCM电池,不过,因为看到Panasonic提供特斯拉NCA锂电池,其供电能力已获得验证,于是三星旗下的SamsungSDI、LG集团旗下的LG化学近期也相继表示,考虑推出能够供电动车使用的NCA锂电池。
再加上特斯拉采用的是三元锂电池,其高市占率以及在电池管理技术的领先,都让特斯拉在电动车电池的技术规格上掌握了相当关键的话语权,因此许多大厂都纷纷转向,就连比亚迪也放弃固守磷酸铁锂电池,近期宣布可能除公共交通领域还会继续使用磷酸铁锂电池外,从2018年开始所有乘用车都将使用三元锂电池。并且将在青海扩建一个拥有10GWh三元锂电池产能的电池工厂。
“当特斯拉将三元锂电池的量产化提前实现后,产业就被带往这个方向走,电动车电池的规格标准就大致成形了,车用考量的是能量密度跟续航力,三元锂电池比较适合,而‘定置型’(电池位置相对固定,如电网储能电池)市场则是考量寿命,那就是磷酸铁锂。”专门研究能源行业的调研机构EnergyTrend资深研究经理吕理舜如是说。
很多人或许会质疑“磷酸铁锂电池是不是就没有未来了?”,吕理舜强调,这些电池技术还是会经历一段市场应用跟时间上交叠的过程,而且“磷酸铁锂电池并不会消失”,在“定置型”市场像是光伏电池、以及机房、资料中心做备援等非移动需求的领域,磷酸铁锂电池还是很有竞争力的,也就是说,未来的市场应用细分会更加明显。
原材料价格大涨,明年上半年电池价格将维持高位
目前全球电动车电池前五大业者包括宁德时代(CATL)、比亚迪、Panasonic、SamsungSDI、LGChem。电池绝对是电动车最重要的关键零组件,不仅安全性要求高,成本比重也高,大约占一台电动车物料清单(BOM)的3~4成。
不论是镍钴锰(NCM)或是镍钴铝(NCA)电池,都有两项重要的原料:镍与钴,国际金属市场上,钴价格持续创新高,甚至来到了近五年的高点:12月钴的期货报价维持在75000(美元/公吨)左右,市场预期明年上半年价格仍会维持在高位,另外,镍的部分也上涨不少,伦敦金属交易所(LME)镍价在今年11月一度创下两年新高。
就有行业人士表示,虽然电动车需求上涨,但这些金属材料飙涨其实是因为期货价格操作影响,加上钴主要产地在刚果,当地政局不稳定,因此已经无法以单纯的市场供需来解读,预期明年上半年的三元锂电池将会出现涨价,对汽车品牌业者来说,是否要将增加的成本反应到市场售价上,还是选择自行消化,优先做大电动车市场,考验每家业者的策略判断。
为了提高电动车的续航力里程,业界可采取的做法一是放置更多电池,但如此就会占据更多的车体空间,因此另一个比较实际可行的方式就是想办法提高电池的能量密度,甚至研发新一代的电池技术,因此尽管三元锂电池成为了电动车电池目前的主流,但已经有众多大公司投入研发“全固态电池”(Solid-StateBattery)”。
苹果在2015年底获得了一项与全固态电池充电技术相关的专利,让外界开始注意到这个技术。一直到近期,车厂布局全固态电池的消息纷纷浮上台面,像是丰田(Toyota)目前开发固态电池的团队规模已经达到200人左右,目标是在2020~2025年将其导入到汽车中。
另外,由知名汽车设计师HenrikFisker新成立的豪华电动汽车公司Fisker最近则递交一份专利,号称电动车充电最快只需要1分钟时间,续航里程高达500英里,不过,Fisker也预估在2023年之后才能投入量产。
那么,全固态电池到底是什么?锂电池有四大关键元素,分别是正极材料、负极材料、隔离膜以及电解液,例如三元锂电池就是使用液态的电解液。而全固态电池顾名思义就是没有使用液体。
如果还是使用与锂电池现有的正负极材料,只是改变隔离膜以及电解液的做法,可以称为是固态锂电池,也能视为是锂电池的进化,固态锂电池在制程中会使用到电解液,但到了成品时就不会有液体,隔离膜则会被大幅简化,涂布层可能使用陶瓷材料,甚至不用隔离膜也是可能的做法。另外,有些全固态电池则是强调采用金属以取代上述的关键材料,像是金属电池也可视为是全固态电池的一种。
全固态电池全部都采用固态材料,没有液体外漏的问题,所以防爆,安全性高,另外,充电时间也比现有的锂离子电池更快,更重要的是,具备高能量密度、大容量化特性,现有的电动车液态锂离子电池的能量密度大约在150~250Wh/kg,而固态电池在实验室的能量密度能够达400Wh/kg左右,符合电动车追求高续航力的需求,有助于电动车提升行驶里程,例如目前电动车一般充一次电可以行驶400公里,采用固态电池后就可能大幅提高到600公里,因此被视为是下一代电池。
量产最快得等到2020年之后
以锂电池的发展历史来看,是从笔记本电脑跟手机等IT应用已经很成熟了才慢慢扩张到汽车领域,但吕理舜认为,全固态电池会是汽车行业来主导,因为应用在电动车上会比在IT产品上更有显著的效益,对IT业者来说,续航力在IT产品上固然重要,但更追求功能的创新才会是比较大的卖点。
因此,可以预料全固态电池将会由车厂积极介入研发,推动其在电动车上的应用,事实上,目前的发展也是如此,包括德国BMW日前宣布与美国全固态电池领头企业SolidPower结盟,力求让全固态电池效能跨越高性能电动车的要求门槛。另外,日产汽车(Nissan)、本田汽车(Honda)、丰田集团旗下的丰田织机(ToyotaIndustriesCorp)都正在研发全固态电池。
而先前宣布将投入电动车开发的吸尘器品牌Dyson也表示,预计在2020年推出的一系列纯电动汽车将会采用固态电池,并预计投入10亿英镑用于研发和制造固态电池,其中包括收购了初创公司Sakti3。但是就在不久前,负责其固态电池技术的Sakti3CEOAnnMarieSastry已经离职,虽然目前尚无法得知是否将影响Dyson的固态电池制造进度,但仍为这项技术带来了一点不确定性。
一项新技术要走出实验室总是不容易,“现在技术还不成熟,电池供应商也还没有准备好,量产时间会在2020年以后了,”吕理舜说,加上车厂自身评估的时间表,想要看到采用固态电池的电动车上路的时间应该会是在2022、2023年较有机会,不过可以肯定的是,电池是未来零碳生活的关键,电池研究人员可望持续向外界展现新的突破。
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