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新兴的电池技术何时能用到汽车上?

北极蚊子 2018-9-25 14:59

锂电池和后锂电池的技术突破,到底从合适开始能够对现有的电动汽车有影响是非常值得我们关注的。随着各种电池材料和先进电池科研成果在媒体上宣传对于我们车辆的提升,而与实际各个大的电池公司的研发和产品进度并没有直接的关联,这使得我们对于目前的现状产生了一些怀疑。本文主要梳理一下,目前可用电芯、开发中的电芯、开发中的材料和研究中的新的电池技术的成熟路径,并探讨一下在目前全球范围内各种研究中产生的专利、材料和制程工艺改进工艺还有后期实验室、中试验,如何跟踪这些电池技术的动态是否对我们的电动汽车事业有意义。另一个角度,我们也是从产业链角度来观察,以电池产品端、电池材料这两方面,主要的供应链企业的发展动态。

图1 锂电池技术的发展

锂电池的革新主要依赖于电池材料的基础研究,如下图所示第一个步骤是在材料研究方面去评估可用性。折衷研究并不是物理性能的改进,涉及到大量实验验证,因而材料研发周期长,投入大。在第二个阶段是对于材料量的放大并评估材料的低成本制程工艺,在这两个阶段从技术研发到商业推广仍需要 10-20 年。第三个阶段,是电芯企业根据不同的尺寸规格去设计电芯和配套的电芯加工的过程,做出来各种形状的电芯样品。第四个阶段进入商业化阶段,在各个市场根据客户的要求进行评估和测试,并不断的改进电芯的特性,包括安全、性能和寿命等。从梳理锂电池的研发及商业化历史可以发现,锂电池的主要研发方向是提高材料的导电率和能量密度,且因为正极材料和负极材料相比比容量较小,研发主要集中在正极材料领域。前沿研究构成了专利,而拥有技术专利的公司可以率先打开市场,可通过申请专利申诉等手段巩固技术壁垒,形成独断性优势。

图2 电池材料和电池的开发阶段

以目前我们使用的三元电池为例,美国3M公司和美国阿贡实验室都在2001年申请了三元材料的相关专利,一般认为常规三元材料 NMC专利由美国 3M 公司拥有,而层状富锂高锰材料专利则是ANL申请的。目前优美科拥有3M的专利所有权,LG和SK等企业拥有专利使用权。而阿贡国家实验室的三元专利主要转让给 BASF。目前针对NCM分子数量比例的不同对材料企业和电池企业的约束力也不一样。比如NCM333等普通三元组分的核心材料专利绕不开3M、ANL,但在NCM523、NCM622、NCM811、NCA 等材料上定义较为模糊。

所以我们首先判断电池的研究,还是从不同的材料开始看,然后观测电芯企业在材料评估的进度。短期内一定规格和尺寸的电芯,还是以几Ah的速度一点点往前走。在物理形状利用率上面提高,结合对内部电芯设计的挖掘。

图3 电池的效率演进,是尽可能提高有用的材料占比

目前从材料来看,我们短期内3年内能见到的电池会是以622和811为主,围绕这个正极材料不断提高相关的电芯设计。

图4 正极材料的发展模式

文章写到这里,也要写一下目前的忧虑。从动力电池的路线图的发布开始,到现在的情况,电池的主要技术路线,是根据日韩所主导的三元在走。韩国电池企业 LG、三星 SDI 分别于 1998、1999 年开始研发,并逐渐赶超日本技术。日韩电池厂商主要采用三元技术路线,且拥有20年以上消费电池、10 年以上的动力电池研发历史。如下图所示,基于三元之上的电芯是目前2-3年的主流现产的车型选择。

图5 LG目前的622的软包,是下一代上市的国外电动汽车主要选择

还有接下来马上可用看得到在国家层面的补贴下降,什么样的电池能够符合在无补贴、注重安全考核能够立住脚?我们现在的主要的手段是靠规模,在材料端的吨产能和电池端的Gwh的产能。2017 年我国正极材料产量 20.7万吨,NCM产量约8.4 万吨。从三元NCM111、523等到NCM622、NCM811、NCA 等高镍三元材料则需要一段时间来在生产稳定性和电芯安全上面逐步攻坚。从这个角度来看,我们看到媒体报道的各种研究层面,可能在5年甚至10年后才能上车的研究成果,目前主要是各个研发机构的专利价值,很难一下子落实到车上。之前我们报道的300Wh/kg的科研电芯产品,离全面符合车用要求,也有3年的时间左右,对所有人来说,远水解不了近渴。客观来说,这段时间电芯的迭代,也比较快,还需要分一下精力对之前所造的车辆的问题进行总结,以不断完善我们对于电芯的要求。

备注:要保证电芯的安全,是不是在电芯的滥用以及热失控评估上面严守,在各个环节层面上怎么样符合威力更大能量密度越高的电芯,这些都是工程挑战。

小结

作为一名工程师,我也很想活在媒体的世界里面,今天一项成果,明天一项发现,带领大家攻克电动汽车的电池系统的瓶颈。电池技术的铁棒磨成针,真能把小伙熬成大爷,我们要做好长期抗战的准备

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