电池的发展 决定汽车电气化的未来

文章来源:SAEInternational 发布时间:2016-11-22
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汽车电气化的未来完全取决于电池的发展。如今,锂离子电池的成本正在不断下降,而且电池的能量密度、耐久性和可靠性均有所提升。


Anderman博士提出,“如今,严苛的二氧化碳限排规定逼得所有人都不得不开始行动,但问题是汽车厂商到底愿意拿出多少资金,投资一项可能没有收益,或收益很低的项目呢?”。

汽车电气化的未来完全取决于电池的发展。如今,锂离子电池的成本正在不断下降,而且电池的能量密度、耐久性和可靠性均有所提升。电池行业的稳步发展让一位电池行业专家非常吃惊,这位专家也立刻承认了自己在6年前的论断是错误的。

电池行业独立咨询师Menahem Anderman博士是著名系列会议先进汽车电池大会(Advanced Automotive Battery Conference,AABC)的创办人,也是SAE International混合动力/电动车技术研讨会的常客。Anderman博士表示,“电池成本的下降速度完全超过了我的预期。不仅对我个人是这样,很多日本大型电池生产商都是我的长期客户,他们也没有想到电池的成本会下降的这么快。”

2010年,Anderman博士在采访了多家世界顶级电池/电池材料供应商及汽车厂商后,完成了一份具有里程碑意义的电池成本分析报告。他在与《汽车工程》的采访中表示,“很多人曾认为,整个行业需要10年时间才能将电池的成本控制在$300/kW•h之内,看看吧,现在这已经成为现实了。”


2016年AABC大会期间,国际清洁交通委员会(ICCT)的John German展示了针对电池成本对比的预估。(NAS - 美国国家科学院)

Anderman博士表示,只有将电池成本控制在$150-$100/kW•h之间,电动车才能真正在成本方面与传统汽车抗衡,进而推动电动移动性的广泛发展。为了实现这一点,我们仍有很多重要工作要做。Anderman博士解释道,尽管能量密度有所提高,“但安全问题仍是电池性能提升中的最大阻碍。”他注意到,6年前的插电式混合动力车简直是一个悲剧,大众、奥迪、BMW和梅赛德斯的混动车需要“背负”两套动力系统和一大块电池的成本,但难以想象的是柴油却仍是这些车型的首选动力来源。如今,由于混合动力系统的续航里程更高,一些德国厂商很愿意为各个车型推出混动版。

Anderman博士表示,“这些厂商明白,与纯电动车不同,只要他们将混动车的定价控制在同等或略高于传统汽车的水平,并在性能功能上增加一些内容,这些混合动力车实际非常好卖。”

大约一年前,Anderman博士曾根据大多数厂商的信息做出预测,插电式混合动力车的规模将高于纯电动车。今年,Anderman的观点并没有改变。与续航里程在200英里左右的电动车相比,插电式混合动力车的功能性更高,那对于消费者而言,这就是更加实用的选择了吗?

“如今,严苛的二氧化碳限排规定逼得所有人都不得不开始行动,但问题是汽车厂商到底愿意拿出多少资金,投资一项可能没有收益,或收益很低的项目呢?”Anderman问道,“插电式混动车的成本比常规车型高3000美元,那公司在行动前就会考虑这类车型为公司带来的政策积分是否值3000美元。而目前,电动车的情况还尚不清晰。”


在内燃和电动车的推进系统之战中,一方是采用了大量先进技术的高级内燃机发动机,比如日产2017款VC-T(上左)采用的可变压缩比技术,和经过升级的尾气处理系统;另一方是精密液冷高压电池组,比如2017款雪佛兰Bolt采用的电池系统。另外随着产量的不断提升,电池组的成本有望继续下降。上左为日产VC-T的截面图

Anderman博士认为,除了一些早期采用者以外,只有当电动车价格低于传统内燃机车型时,才真正有可能卖出销量。举个例子,如果特斯拉最终不得不赔本出售Model 3,“那他们能坚持赔多久?特斯拉心里的算盘可能是借助Model 3累计大量电动车政策积分,然后再出售这些积分赚钱。”Anderman提出,“但这是一个危险的选择,而且不是长久之计。”

Anderman博士表示,移动设备和电动车市场根本没有可比性,因为“iPhone的火爆销售是受到客户需求的推动。”

优化锂离子“系统”

对于各种电池创业公司在开发锂离子电池时面对的困难和失败,Anderman博士并不感到惊讶。他向工程师和相关投资者表示,现在我们真正的考验不是研发,而是制造。

“我不在乎你最新款的电池阳极是什么样子,阴极又是什么颜色。汽车电池行业的生存之道在于提高销量、加快速度、降低缺陷率,以及降低成本。这就是松下及大多数日本厂商成功的原因。”Anderman博士表示,“有人告诉我,他们已经在实验室中将电池密度提升了10%,但这根本没有用。现在重要的是电池寿命、安全,以及在规模生产中降低成本的潜力。”

未来将出现新的“电池技术突破”吗,正如1991年锂离子化学电池的出现,或是更早时期镍氢电池的诞生一样?

Anderman博士解释道,“锂离子电池的优化速度比镍氢电池要快。锂离子电池的伟大之处在于它本身是一个系统,是一个融合了多种技术的集合。你可以随便改阴极、阳极、电解质以及电池的形状,但锂离子电池仍是锂离子电池。”

“我是一个务实的人。我分析了摆在面前的所有障碍,以及如果解决了这些障碍可以得到的收获,然后我认为固态电解质在汽车电池领域并没有太大潜力。如果一切顺利,你顶多可以将性能优化不到50%,而且你还得面对制造和安全方面的挑战。”

另外,考虑到规模和循环寿命的问题,目前Anderman博士也并不非常看好锂硫电池在汽车行业中的应用。他认为,锂空气电池尽管经常受到媒体关注,但事实更像是“一种复杂的想象,而不是真正的燃料电池。只要你真正去了解这种技术,你就会发现锂空气电池的工作环境恰恰都是锂离子电池应该避免的。”

锂金属电池的情况也一样,“如果你把这种电池和锂离子放在一起,问题就出现了,你也就失败了。”


一些“超级电池工厂”可以大幅降低电池的生产成本吗?比如特斯拉与松下位于内华达州Reno市附近的超级工厂。“你必须将总产量和一座工厂的当地产量区分开来,”Anderman博士解释道,“目前,汽车电池行业的总产量为10-15 gW•h,而当总产量达到75到100 gW•h时,电池成本就会下降。里诺工厂拥有50条并行生产线,可以生产18650或2700系列电池,但相较于中国5到7座正在建设中的分散电池工厂,Reno超级工厂的影响力如何?我认为可能不是很大。”

前途光明的汽车电池研发

Anderman博士对硅/硅合成物的开发非常感兴趣,比如特斯拉承认公司正在与松下合作开发一种新型电池。

如果将锂离子电池标准石墨电极中硅的比例提高一个百分点,我们就有可能提高电池容量,从而降低电池的单位容量成本。然而,截至目前的相关研究均以电池包“发胀”和失败告终。

特斯拉和松下的工程师开始将量产电池电极中硅的比例从5%提高至10%,采用硅/石墨电极的电池,已经成为电动车时代的“热门选择”。如今,特斯拉旗下专为2017款车型设计的P100D电池组售价1万美元,据称每次满冲后的电量为100kW•h,高于目前Model S和ModelX采用的P90D(每次满充后90kW•h)。

正如Anderman博士的行业分析结果所示,电动车的未来真的完全是取决于电池的发展。

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