车用锂离子电池的无限战争：向下一个宁德时代冲锋

爬爬科技说

电池是电动车的核心零部件，在整车成本中占比可达40%。在电动车所有的零部件里，也没有像电池一样，吸引这么多产业界的目光和资源投入。下图是一次针对电动车购置顾虑的消费者调研，从图中能明显看到，里程焦虑、尤其是长途旅行时的里程焦虑是消费者购置电动车时最大考量。



图：电动车用户调研

用户的痛点就是商机。围绕着电池，业界展开了激烈的竞争，从底层技术、制造工艺、服务运营等各种维度杀得难解难分。如果把新能源电动车与传统燃油车之间的竞争看作一场规模庞大的战役，那么电池小战场就是其中最精彩的局部战争。
底层技术维的战争

电池技术进步到什么程度，新能源革命就推进到哪一步。电池技术的核心诉求就是提高电池的能量密度。目前主流商用的两种电池，磷酸铁锂电池安全性高，充电循环次数高，但能量密度低。三元电池能量密度高，宁德时代的最好水平已经接近300Wh/kg（这个单位的含义是每kg电池的电量为0.3度电），但容易发热，充电循环次数比磷酸铁锂低。
按照中国汽车工程协会于2020年10月发布的《节能与新能源汽车技术路线图2.0》里要求，到2025年高端电动车能量密度要达到350Wh/kg，2030年要达到400Wh/kg。即使能量密度较高的三元电池，要达到这两个目标也是极其困难的。甚至有研究指出，磷酸铁锂和三元都是液态电解液电池，而液态电解液电池的理论最高能量密度就是350Wh/kg。



图：新能源汽车电池技术路线图2.0（资料来源：中国汽车工程协会）

要继续提高能量密度只能更换技术路线，从液态电解液电池走向固态电池。固态电池采用金属锂作为负极，固体无机或高分子材料作为电解质。金属锂的克容量是液态电池负极材料石墨的10倍，能量密度可提升至500Wh/kg。固态电解质不易燃，也不带腐蚀性，电池工作温度范围扩大三倍以上，解决电池热失控导致的安全性难题。
技术路线的转换就意味着商业格局的变动，目前以宁德时代为核心的一超多强市场格局有望被打破。因此，大量公司一拥而上，纷纷开展固态电池研究。谁能最先拿出可量产商用的固态电池，谁就在下一个电池时代占据先机。
明确宣布进军固态电池的巨头公司有国外的日本丰田，韩国的LG化学、三星SDI和SK创新，甚至苹果公司都已经布局固态电池技术。国内有当升科技、宁德时代、比亚迪、国轩高科、赣锋锂业、容百科技，还有一批中小型创企更多，一起加入固态电池的混战。



图：固态电池的技术路线图（资料来源：光大证券）

不过，这些电池玩家们很快就会遇到一个更为严重的问题——锂不够用了。从下图锂电池成本曲线可以看到，在2022年之前，出货量增长叠加技术进步，电池的成本逐渐下降。但因为“资源需求”这一因素，曲线在经过2022点之后开始上翘。看一下2021年电动车销量就知道问题出在哪里。



图：电池成本曲线随时间变化图

2021年仅仅中国电动车销量就达到352.1万辆，同比增长157.57%。下游强劲的销量已经使得上游锂盐的价格在一年之内翻了两倍多。更不幸的是，我国是一个贫锂国。
根据美国地质勘探局（USGS）统计，全球目前已探明的锂矿总量超过8000万吨，将近60%分布于南美的“锂三角”，即智利、阿根廷和玻利维亚三国交界处的高海拔盐湖和盐沼，22.3%分布在澳大利亚，中国锂矿资源仅占6%—7%。
为了抢锂，原本专注于电池制造的宁德时代不得不向上游锂矿环节延申。去年9月，宁德时代出手以更高的报价截胡了国内锂矿企业赣锋锂业对加拿大千禧锂业的收购，甚至不惜代替千禧锂业向赣锋锂业支付1000万美元的解约费，意在获取千禧锂业手里握有的阿根廷两个锂盐湖项目100%权益。
如果用固态金属锂取代目前的负极材料石墨，对锂矿的需求会更大。纯资本运作的商战没法从根本上解决缺锂的难题，还是要从技术上想办法，比如钠电池。
去年8月，宁德时代发布第一代钠离子电池，电芯单体能量密度达到160Wh/kg，预计下一代产品可以达到200Wh/kg；正常温度下15分钟可充电80%以上；在-20°C超低温环境环境下，能保持90%以上的放电率。这些性能参数比一般的磷酸铁锂电池还要优越一点，用在市内代步通勤车上基本可以满足需求。
最大的优势在于，地球上钠的储备量远远多于锂，海洋锂的钠元素几乎取之不尽，提取方法也较简单。如果工艺成熟的话，可以进一步降低电池的价格。国内的中科海纳、星空钠电、钠创新能源等已经投身钠电池赛道，于宁德时代竞争。



图：宁德时代钠电池发布会

制造工艺维的战争

从底层技术角度提高能量密度并没有解决车用电池的全部问题，从下面电池包结构图中就可以发现，电池模块只占其中的一部分，除此之外还有各种配件，比如冷却系统、绝缘层、接线盒、连接端子等等，这些都要占据空间，导致电池包的综合能量密度降低。



图：电池包结构图

要提高电池包的综合电量密度，就需要从电池制造工艺的角度简化电池包的结构，尽力减少辅助配套的部件，尽可能在有限空间里塞下更多电芯。比亚迪的刀片电池和宁德时代的CTP技术(cell to package，电芯-电池包结构，省掉中间的模组环节)都是这种思路。
传统的电池包有电芯-模组-电池包三层结构，设置中间一层模组的结构是为了加强电池包的稳固性，并用模组将不同区域的电芯之间做隔离。一个电芯出现热过载，不会影响整个电池包。但缺点是结构复杂、配件太多，导致电池包的空间利用效率不高。



图：电芯-模组-电池包三层结构示意图

比亚迪刀片电池的做法是将电芯的厚度减薄，长度拉长到跟电池包差不多，电芯的外观由方形变成细细的长条形，类似一块长刀片，因此被称为刀片电池。一个电池包由10—20个电芯并排叠放组成，取消中间模组结构。在不改变电芯材料的前提下，通过简化零部件，提高电池包的空间利用效率，提高了电池包的综合电量密度。



图：比亚迪刀片电池

宁德时代的CTP技术跟刀片电池类似，也是减少了中间的模组环节，由电芯直接组成电池包。除了CTP，宁德时代还开发出一种CTC方案（Cell to Chassis，电芯到地盘），将电芯与车身、底盘、电驱动、热管理及各类控制模块等集成一体，连电池包外壳也省掉了。
在制造工艺上做文章的企业还有广汽埃安。去年3月广汽埃安联合中航锂电推出 “弹匣电池”，采用类似的思路，通过纳米孔隔热材料、液冷系统等手段，将电芯耐热温度提高了30%，并第一次通过了三元电池的穿刺实验，相比于比亚迪在刀片电池发布会上的针刺实验又提升了一步。毕竟三元电池的发热效应比磷酸铁锂更严重。



图：广汽埃安推出的弹匣电池

业界霸主特斯拉在另一个方向上努力提升电池性能。跟国内普遍采用方型电芯不同的是，特斯拉自始至终都采用圆柱形电芯。从最开始的1865（直径18mm，高65mm），到2170，到如今的4680。尺寸变大，电池包里容纳电芯数量更少。电芯数量减少会使电池管理系统变得相对简单。另一个好处是，电芯内部散热面积增大，更容易实现短时快充。



图：圆柱电芯的尺寸变化

但制造出4680尺寸圆柱电芯并不容易。难点在于电极极耳的制作。极耳是将正负极引出跟外电路连接的接触点，跟正负极的铝箔、铜箔焊接在一起。在电池充放电过程，电子在横穿整个电芯之后到达极耳，再通过外部导线到达另一极。极耳接触点本来就小，没有足够散热空间，在电池工作中极易导致极耳焊接处局部热量过大。圆柱电池尺寸做大之后，电子需要横穿的距离更长，电阻也会随着距离的增加而增大，发热问题会更严重。



图：电芯正负极极耳示意图

特斯拉是怎么解决这个问题呢？如下图所示，特斯拉将单个极耳结构改变成多个极耳，覆盖整个正负极金属箔。极耳的接触方式就从点接触变成面接触，大大增加了散热面积。但需要采用激光焊接技术，保证每个极耳焊点都良好焊接，对制造设备要求极高。



图：特斯拉采用的多极耳结构

另外，特斯拉在电极的制作上也花了一番心思。一般做法是用湿法工艺将电级材料与溶剂、水等混合成浆料，再涂在铝箔、铜箔上面，经过数十米的烘干设备烘干后，再压实成需要的厚度。
特斯拉的干法工艺是直接把材料干混，不经过溶剂混合，然后将混合好的粉末直接压在金属泊上面，省去了烘干和溶剂回收流程，简化工艺流程。但难点是如何达到材料混合的均匀性，压实后如何保证粉料在金属箔上的附着度，毕竟不像湿法工艺那样可以搅拌，也不想液体浆料一样具有天然的附着力。
据说，特斯拉为了解决干法工艺难题专门收购了一家企业。花费这么大的代价攻克4680电池的生产难题，特斯拉看重的是工艺简化带来的制造成本降低、无需烘干工艺带来的厂房投资成本降低等利益。
毕竟，除了比亚迪，特斯拉是唯一一个生产电池的整车品牌。以特斯拉电动车销量对电池的需求量而言，值得为不断降低电池成本花费更多代价。
服务运营维的战争

燃油车的能源完全由加油站提供，车企不用操心用户怎么获取汽油。但在充电设施还极其不完善的现阶段，电动车车企没法做到如此超脱。为了提高竞争力，他们不得不下场做电池运营的服务。
以特斯拉为代表的一种方案是大量建设自有充电站/桩，并发展高压快冲技术。有数据显示，截止2021年12月，特斯拉已在中国大陆建设超过1000多座充电站，8000多个充电桩，覆盖全国360多个城市和地区。最远的充电站沿着丝绸之路一直覆盖到了新疆霍尔果斯，满足想开特斯拉去新疆自驾游的用户们。



图：特斯拉充电站分布图

目前特斯拉正在商用的已经是第三代充电站，最大功率250KW，充电10分钟电量达到45%，对应续航里程208km。即将推出的第四代充电站最大功率达到350KW，充电速度会更快。
特斯拉以雄厚的资金实力在全国布局大规模的充电网络，为用户提供便捷的充电服务，提高特斯拉对用户的吸引力，这是特斯拉商业优势的又一体现。那国产品牌如何竞争呢？
一向以高端服务为品牌调性的蔚来找到了另一个用户痛点，发展出另一种模式。特斯拉的方案没法解决很多用户对电动车的一个很大的顾虑，即由于电池能量密度衰减带来的二手车保值率问题。
电池都是有使用损耗的，使用几年之后，电池的容量一定会降低，这个过程不可逆，没法完全恢复。电池容量损耗会拉低整辆车的二手交易保值率，阻碍用户的购买意愿。
蔚来给出来的方案是提供车电分离的电池租赁服务（BaaS方案，Battery as a Service），用户购买不带电池的车，然后从蔚来租用电池，按月付电池租用费。一方面降低车辆的售价；另一方面，当用户想转手卖车时，车子是不带电池的，不会受电池损耗的影响，二手交易的保值率相对会更高。
相对于特斯拉，蔚来的模式算是一种创新。但依旧有几个问题，第一蔚来的电池只能用在蔚来的车子上，那么二手车交易只能局限在蔚来车型的小圈子里，交易人群数量有限，会影响二手车交易的频次。
第二个问题可以回到本文最开始的那个问题，如果把电动车的电池取走一半，它的续航也会降到一半吗？答案是，续航会比原来的一半多很多。因为电池在整车重量中一般占比1/4以上，续航越高，这个比例会越大。就以1/4来算，如果取走一半电池，电量降为一半，但整车重量减少了1/8，那么续航就会比原来的一半要多。
从这个问题延申一下会发现如今电动车的另一个痛点。尽管车厂都会以长续航为卖点，但大部分用户的日常使用还是上下班通勤，这个路程一般会在150—350公里内。但消费者绝对不敢买续航只有350公里的车。
也就是说，用户花钱买的电池和电量有一部分在大多数情况下是闲置的。对于用户来说，这其实是一种浪费。即使蔚来的换电方案更换的也是全部电池，没法解决这个问题。
于是，宁德时代又出手了。
2022年1月18日，宁德时代举办换电服务品牌EVOGO发布会，发布模块化电池产品，每个电池模块容量26.5kWh，可支持200公里左右的综合续航。用户根据实际路程需求选择装几块电池，如果市内短距离的通勤，装1块就足够。如果周末需要去郊区长途远游，再选择多装几块。





图：宁德时代发布的电池块单元

同时，EVOGO会在各大城市建设换电站。由于电池块采用了无线电池管理技术，减少电池块之间的线束连接，单个电块换电只需约1分钟。即使要装3块电池，综合续航600公里，也只需3分钟。这个时间已经十分接近燃油车去加油站加满油箱的时间，便捷性大大提高。



图：宁德时代EVOGO换电站设计图

对于用户来说，按需增减电池，电池使用的经济性大大提高，不会像以前那样花钱买闲置的电池资源，降低电动车使用成本。更现实的价值在于，采用换电方案的电动车售价大大降低了。在宁德时代EVOGO发布会上，一汽发布了可以跟EVOGO电池块适配的车型奔腾NAT换电版，售价只有充电版的一半。
如果有更多车厂能推出更多适配EVOGO电池块的车型，那么电动车的电池部分将完全标准化，车子的续航动态可调，用户也不用顾虑电池通用性问题。电动车市场将无限接近于燃油车市场里车和油完全分离的商业格局，车厂专注于车辆本身，以宁德时代为代表的电池厂商专注于电池制造和运营。
从更宏观的角度来看，如果大部分用户的大多数时间内都只需要1块或2块电池模块，对锂元素的需求量会大大降低，减少对上游锂矿产资源的依赖，对整个行业的锂元素焦虑也会大大缓解。从新能源电力网络来看，也会大大降低输配送电网的负载压力。
写在最后

围绕电池的战争似乎看不到尽头，这对车厂是一场残酷的马拉松长跑。再加上其他配套系统的研发工作，电动车这个看似全新蓝海的黄金赛道正在变得越来越拥挤，也越来越困难。蔚来CEO李斌在年初接受媒体采访时说：“造车需要储备的资金门槛，几年前我说的是200亿，现在没有400亿可能都干不了了。”
但对用户是福利，用户永远抱有最朴素的愿望：用更低的价格购买到更好的产品和服务。这个商界永远的金科玉律将会淘汰赛道上哪些选手，最终让谁胜出，我们继续观赏比赛吧。

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