作為智能汽車的能量載體,電池的未來(lái)到底在哪里?

時(shí)間:2020-12-31 11:31來(lái)源:AutoLab 作者:張一
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       作為2020年汽車行業(yè)無(wú)法跳過(guò)的一個(gè)關(guān)鍵話題,電池在今年云集了太多的關(guān)注目光。作為智能汽車的能量載體,目前聚焦于電池身上的問題主要體現(xiàn)在三點(diǎn):安全性、容量保持能力,以及在滿足前兩者的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)高能量密度。
 
       相比起安全性和容量保持能力,電池能量密度的進(jìn)步其實(shí)是比較明顯的,以相對(duì)主流的三元鋰離子電池為例,三元鋰離子電池兩條技術(shù)路線中以寧德時(shí)代為代表的NCM電池,目前已經(jīng)從NCM523、622、進(jìn)化到了NCM811。
 
       NCM是指三元鋰電池正極材料中的鎳鈷錳三種元素,其中提升電芯能量密度關(guān)鍵是是增加鎳所占的比例,NCM811電池中這三種元素所占比例即是80%:10%:10%。
 
       區(qū)別于國(guó)內(nèi)主流的NCM,另一條NCA技術(shù)路線主要是日韓電池廠在做,目前已經(jīng)從18650電池進(jìn)化到21700電池。NCA電池使用對(duì)象幾乎只有特斯拉,其電池正極材料由鎳鈷鋁構(gòu)成,三種材料通常的配比為80%:15%:5%。
 
       相對(duì)NCM811,NCA單體電池能量密度更高一些,比如松下和特斯拉聯(lián)合推出的NCA21700,電池單體能量密度已經(jīng)接近340Wh/kg。
 
       鋰離子電池的“矛盾瓶頸”
 
       但問題在于不管是NCM還是NCA,三元鋰電池中只要鎳含量占比增加,電池的容量保持能力與熱穩(wěn)定性都會(huì)出現(xiàn)下滑,而80%的配比的鎳元素占比已經(jīng)相當(dāng)高了。
 
       可以說(shuō),高鎳電池讓三元鋰電池的能量密度達(dá)到了一個(gè)新的高度,但與此同時(shí),三元鋰電池的能量密度也正面臨著一個(gè)新的瓶頸。因?yàn)橐粋(gè)矛盾點(diǎn)就在于,想要鋰離子能量密度高,穩(wěn)定性就會(huì)越差,天不遂人愿。
 
       作為智能汽車的能量載體,電池肩負(fù)重任,安全性、容量保持能力、高能量密度缺一不可,一味的追求電池高能量密度當(dāng)然不可取,但不可否認(rèn)的是確實(shí)是對(duì)高能量密度的追求在引導(dǎo)著我們向前走。
 
       道理很簡(jiǎn)單,在充電等基礎(chǔ)設(shè)施沒有完備之前,解決電動(dòng)車里程焦慮這個(gè)最大痛點(diǎn)的唯一辦法,就是不斷增加續(xù)航里程,而這從根本上只能靠高能量密度的電池來(lái)實(shí)現(xiàn)。
 
       但是繼續(xù)提高能量密度和保持穩(wěn)定性等其他指標(biāo)之間似乎成了一個(gè)魚和熊掌的關(guān)系,下一步該如何走呢?
 
       目前在滿足安全性,容量保持能力的前提下,繼續(xù)提高高能量密度,鋰離子電池也有一個(gè)解決方案—“摻硅補(bǔ)鋰”,這是由寧德時(shí)代和智己汽車共同研發(fā)的一條技術(shù)路線。
 
       傳統(tǒng)鋰離子電池以石墨負(fù)極作為負(fù)極材料,而使用硅碳和SiOX(一種硅的氧化物)作為負(fù)極材料會(huì)大大提高電池整體的能量密度,比如寧德時(shí)代NCM811電池,但SiOX作為負(fù)極存在一個(gè)問題,就是首次放電效率僅有70%,經(jīng)過(guò)多次改進(jìn)也僅為80%,還沒有全部發(fā)揮效用。
 
       而所謂的“摻硅補(bǔ)鋰”主要是在硅碳負(fù)極表面預(yù)涂一層鋰金屬,灌注電解液后與負(fù)極發(fā)生反應(yīng)可以嵌入負(fù)極顆粒內(nèi)部,彌補(bǔ)首次充放電或者循環(huán)過(guò)程中消耗的鋰離子,而預(yù)埋鋰后負(fù)極首次放電效率可達(dá)85.34%,重要的是循環(huán)穩(wěn)定性也有改善。
 
       據(jù)智已汽車稱,采用“摻硅補(bǔ)鋰”技術(shù)的電芯,能量密度會(huì)較現(xiàn)在行業(yè)領(lǐng)先水平高出30%-40%,未來(lái)在智己汽車自己的架構(gòu)寬帶內(nèi)甚至可以推出約1000km續(xù)航車型,而電池20萬(wàn)公里零衰減。
 
       不過(guò)“摻硅補(bǔ)鋰”工藝由于對(duì)制造環(huán)境的要求非常高,目前還只在研發(fā)階段,量產(chǎn)還需待以時(shí)日。
 
       且從另一個(gè)角度看,“摻硅補(bǔ)鋰”其實(shí)也只是對(duì)鋰離子電池的一個(gè)打補(bǔ)丁式的改進(jìn),雖然會(huì)有一定效果,但本質(zhì)上并沒有革命性的變化。
 
       電池的未來(lái)在哪里?
 
       作為智能汽車的能量載體,電池的未來(lái)在哪里?如果我們把視線從三元鋰電池身上暫時(shí)挪開,跳過(guò)”摻硅補(bǔ)鋰電芯”的技術(shù)路線,可變的思路就廣闊的多了。
 
       比如固態(tài)電池,在這一領(lǐng)域豐田親自下場(chǎng),而大眾、寶馬、福特和現(xiàn)代等一線車企亦有投資。
 
       我們簡(jiǎn)單一點(diǎn)介紹,從目前可知的理論上,固態(tài)電池幾乎完美解決了鋰離子電池在安全性、容量保持能力,以及高能量密度上無(wú)法繼續(xù)突破的痛點(diǎn),還且還順帶附送了體積小重量輕、充電效率更快的優(yōu)點(diǎn)。
 
       例如大眾投資的QuantumScape,其單體電池能量密度是現(xiàn)在最高能量密度鋰離子電池的4倍,可在15分鐘內(nèi)充滿80%的電量,而豐田的固態(tài)電池可以使用30年以上,并且還能夠保持90%以上的性能。
 
       另外相比鋰離子電池,固態(tài)鋰電池最重要的還是不需要使用隔膜和電解液,其固態(tài)的電解質(zhì)柔性更強(qiáng),不僅從封裝的角度上有更多的延展性,而且還可以針對(duì)單一電芯做安全冗余設(shè)計(jì),而這些都是鋰離子電池所不具備的條件。
 
       總之,雖然目前固態(tài)電池還在實(shí)驗(yàn)室階段,但可以預(yù)見的未來(lái),固態(tài)電池將有很大機(jī)會(huì)成為接替鋰離子電池的下一個(gè)智能汽車能量載體。
 
       而除了固態(tài)電池,還有一種動(dòng)力源也值得我們關(guān)注,那就是氫燃料電池。相比起后起之秀固態(tài)電池,氫燃料電池其實(shí)很早就出現(xiàn)在我們的視野中,比如豐田mirai,一款很早就在北美開賣的氫燃料電池車型。
 
       而氫燃料電池有點(diǎn)像一個(gè)發(fā)電站,它并不需要介質(zhì)來(lái)儲(chǔ)存電能,它是通過(guò)自帶的氫氣和氧氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)可發(fā)電的,當(dāng)然它也會(huì)有一個(gè)蓄電池,其補(bǔ)能方式就是加氫,一次加氫僅需數(shù)分鐘。
 
       氫燃料電池車型在行駛時(shí)氫氣通過(guò)管道進(jìn)入堆棧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能,而電能通過(guò)轉(zhuǎn)換器根據(jù)電力控制單元的輸出到電動(dòng)機(jī)以驅(qū)動(dòng)車輛行駛。
 
       主要是加速時(shí)電能要供給到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),而減速時(shí)能量回收則會(huì)把電能儲(chǔ)存在蓄電池中,整個(gè)系統(tǒng)比較復(fù)雜,但氫燃料動(dòng)力驅(qū)動(dòng)可以說(shuō)是最環(huán)保的一種形式,因?yàn)闅錃夂脱鯕饨Y(jié)合并不產(chǎn)生任何污染物。
 
       目前限制氫燃料電池大規(guī)模應(yīng)用的主要還是在成本、適配性、安全等方面。比如氫氣罐的安全性,還有和充電站不同,一座加氫站不僅建造要求更復(fù)雜,成本通常也在百萬(wàn)美金以上。
 
       而以氫燃料電池的特性,未來(lái)很有可能也會(huì)先在商用車上得到規(guī)模化應(yīng)用,在乘用車上目前看還只是一個(gè)未來(lái)不太主流的技術(shù)路線。當(dāng)然,除了氫燃料還有一些其他更不太主流的動(dòng)力能路線,比如石墨烯電池以及未來(lái)可能會(huì)成為輔助動(dòng)力的超級(jí)電容等,這里就不一一展開了。
 
       但總而言之,說(shuō)了這么多總結(jié)成一段話,其實(shí)從“油”到“電”不僅是內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī),不僅是汽車動(dòng)力系統(tǒng)邁入了新世界,電的加入,會(huì)讓更多的變化體現(xiàn)在,也正逐漸體現(xiàn)在向新四化進(jìn)軍的汽車之上,這是一個(gè)翻天覆地處處是新篇的巨大變革,而我們就正處于變革開始之際。
 
       從長(zhǎng)遠(yuǎn)一點(diǎn)的角度看,作為智能汽車的一部分,電池肩負(fù)重任,高階自動(dòng)駕駛、智能化等概念的加持,體現(xiàn)在駕駛、座艙以及其他領(lǐng)域的無(wú)限拓展和豐富性,其實(shí)本質(zhì)上都離不開電池這個(gè)需要提供能量的載體。而這個(gè)過(guò)程中,電池帶給我們的挑戰(zhàn)必然會(huì)越來(lái)越多,但有了“電”的賦能,未來(lái)智能汽車帶給我們的精彩,也必然是無(wú)限可期。
 
(責(zé)任編輯:子蕊)
文章標(biāo)簽: 電池 智能汽車
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