無論是固態電池、鈉離子電池、鋁離子電池還是氫燃料,在中國制造2025里面提出動力電池能量密度需要突破400Wh/kg,要達到這樣一個目標,對電池企業和研發機構都提出了新的挑戰。

固態電池

新能源汽車銷量旺盛的背后,上游鋰電池的供給卻不太樂觀,寧德時代、蔚來的創始人都曾透露,新能源汽車行業正在面臨“電池荒”的問題。2021年,在28種鋰電材料價中26種價格上漲,無一下跌。其中,最大年漲幅達426.42%!動力電池的供不應求導致原材料價格的瘋狂上漲,而這種供不應求很有可能會延續到2025年。在這樣的背景下,相關企業開始搶占鋰資源,擴充產能,同時尋找新一代電池技術和“新能源”。

也因此,諸如鈉離子電池、固態電池、鋁電池等新的動力電池技術,以及氫能為代表的燃料電池,在最近一段時間成為比較熱門的話題,那么這些能不能代替鋰電池成為電動汽車的裝載方案呢?

首先是鈉離子電池,此前寧德時代曾發布了一款鈉離子電池,并獲得業內外人士一致好評。雖然從儲能角度來看,鈉離子電池相比鋰離子電池,還有一定差距。但鈉離子電池,也有鋰離子電池所不具備的優點。

鈉離子電池擁有更強的環境適應力,即便是零下20度也能穩定工作,借助該產品幫助,電動車在高緯度地區將快速普及。不僅如此,鈉離子電池充電速度還更快。在充電站數量不斷增多的背景下,鈉離子電池快速充電的優點,有望掩蓋續航里程短的缺陷。

而鈉離子電池最大優勢在于鈉比鋰更加便宜、且資源更豐富,鈉電池的BOM成本也比鋰電池低20%,是比磷酸鐵鋰電池成本更低的電池。這讓電池生產商可以大幅降低電池生產成本,從而帶動電動汽車價格下降。

值得一提的是,雖然鈉離子電池進入市場時間并不長,但事實上,鈉離子電池早在上世紀80年代就出現在了科學家實驗室當中。過去三、四十年,科學家關于鈉離子電池的研究一直都沒有停止過。從技術儲備以及技術成熟度來看,鈉離子電池是唯一有可能取代鋰離子電池地位的產品。事實上,之前鈉離子電池已經替代鋰離子電池,成為固定設施應急電源的主力軍。而全球范圍內有意用鈉離子電池取代鋰離子電池的廠商,并不是只有寧德時代。美國、日本多家研究機構都在研究相關命題。

鈉電池之所以還未獲得與鋰電池同等的市場地位,主要原因還是在于能量密度還不夠高。目前,市場上鈉電池的電芯能量密度普遍在100-150Wh/kg,低于磷酸鐵鋰電池的180Wh/kg。相信隨著鈉電池材料等技術的創新突破,鈉電池或將重磅回歸,除了鈉離子電池,固態電池也是也是很有可能替代鋰電池的動力電池技術。固態電池,具有高能量密度、高導電率、安全性高等優勢,被譽為汽車鋰電池的終極形態。甚至有專家放出豪言:“全固態電池普及之日,就是燃油車退出歷史舞臺之時?!?/p>

固態電池,就是使用固體材料作為鋰離子來回移動的電解質。在目前常用的汽車電池中,基本采用電解液作為電解質,某種程度上可以將其稱為液態鋰電池。液態鋰電池可能因短路、高溫而發生起火,鋰離子在反復沉積和析出過程中,金屬鋰負極表面容易生長出鋰枝晶,并發生粉化,大大降低了電池的利用率,從而縮短電池使用壽命。

枝晶在電解液內生長,有時候會穿透隔膜,就會引發漏液,接著就會引發電路短路,最后電池高溫自燃。平時經常在新聞中看到電動汽車自燃事故,其中大部分都是因為枝晶瘋漲,從而引起電解液漏液。固態電池電芯內不含電解液,也不需要電解質鹽與隔膜,徹底杜絕了漏液引發的自燃問題。

此外,固態電池沒有液體,也就不需要復雜的封裝系統,也不需要BMS溫控組件。汽車動力電池,并不是像四驅車那樣將柱狀電池直接塞到電池盒內,需要用一層層包裝將這些柱狀電池、方形電池包起來,然后組成電池包,最后再將其安放在汽車底盤上。這一層層包裝,其實就是復雜的封裝與溫控系統,保障汽車安全。

固態電池技術出現后,封裝系統可以更加簡單,電芯占電池包的比重也更高。如此一來,電池包整體能量密度也會得到相應提升。綜合來看,固態電池有望突破500Wh/kg瓶頸,將電動汽車續航里程提高到1000公里以上。

電池尺寸小、安全性強、續航里程長,固態電池簡直就是完美的鋰電池技術,可是,理論數據再好也沒用,固體電池技術研發難度太大。

去年1月,蔚來高調發布固態電池包,聲稱將在蔚來ET7轎車上使用;去年4月,寶馬發布固態電池規劃,計劃在2025年前推出固態電池原型車,2030年前量產。除此之外,汽車動力電池“御三家”寧德時代、LG化學、松下也紛紛開展固態電池研發計劃,一個屬于固態電池的時代似乎即將來臨。

不久前,全球首款鋁電池問世,這也讓我們看到除鈉離子電池和固態電池以外的另一種可能。鋁離子電池EaI不僅性能比鋰電池更強勁,還在續航、安全、循環次數等方面全面超越鋰離子電池。鋁離子電池EaI的能量密度為1500Wh/L,或能提供600Wh/kg能量。作為對比,即便是當下最先進的三元電池所能提供的能量不過200Wh/kg。而一組15KW的鋁離子電池,能為電動汽車提供1200公里的續航,支持20000次循環充放電,在汽車上的壽命長達15年。

此外,鋁離子電池沒有使用鈷、鎳等貴金屬,也沒有枝晶困擾,熱失控等,并且充電速度短得驚人。從技術上來看,鋁離子電池的前景的確非常廣闊。而從價格來看亦是如此,受電池荒影響,應用于三元鋰、磷酸鐵鋰電池的金屬鋰、鈷等價格持續上漲。

隨著鋰、鈷價格的上漲,市場急需尋找更具有性價比的材料。如今看來,鋁就是一個很好的替代者。無論是從參數,還是發展前景,鋁離子電池的確比鋰離子電池更優秀。倘若鋁離子固態電池真的能實現商業化,那么它將極大推動電動汽車的快速發展。不過,從產業鏈布局、資本投資以及技術等多方面來看,鋁離子電池想要替代鋰電的方案比較難。

除了以上幾種動力電池技術,以氫能源為主的燃料電池則是真正意義上的無污染能源,也是未來替代動力電池的最好方案。而氫燃料電池汽車將在北京冬奧會重點推廣。北汽福田汽車近日交付的212臺氫燃料客車是為冬奧會北京延慶賽區提供的。目前共交付了近500輛氫燃料客車,用來為張家口賽區和北京延慶賽區提供服務。

此外,冬奧會和冬殘奧會舉辦期間,豐田將首次在中國投入大規模使用的FCEV“第二代MIRAI”、“柯斯達氫擎”,以及多款BEV、HEV車型。

從環保角度出發,無疑電動車和氫能汽車都是符合要求的。但如今鋰電池成本持續攀升,政府補貼又逐漸退坡,電動車性價比大幅下降,那么氫能源汽車是否具備替代電動車的機會了呢?

在探討氫能源對動力電池的替代之前,首先要搞懂什么是氫能源汽車。從字面意思不難理解,氫能源汽車就是以氫氣作為主要動力來源的汽車。但實際上,氫能源汽車存在氫燃料電池和氫內燃機兩大分支路線,他們之間有著本質上的區別。

氫燃料電池系統雖然有“燃料”二字,但實際上卻并不通過燃燒來進行能源轉換,而是氫氣在燃料電池堆中發生化學反應,將化學能轉化為電能,然后再通過電動機轉化為動能的過程。這套動力系統看似復雜,但卻擁有干凈環保,能量轉化率高的優勢。

與電動車類似,氫燃料電池的最大的改變就是這套燃料電池堆及輔助系統(簡稱BOP),同時也是成本占比最高的部分,約占整車總成本的60%以上,其中電堆又占到BOP系統成本的60%。

由于氫燃料電池能量轉化率高,同時安全系數也很高,因此被市場看做是具備爆發潛力的賽道,也是被看做是電動車最有力的競爭者。

從裝機量來看,中國燃料電池系統僅處于發展初期,尚未進入紅利釋放期。2019年全國燃料電池裝機量126.4MW,而疫情下的2020年,這一數據同比下降36%至80.4MW,顯示出極強的波動性。

盡管氫燃料電池汽車已經具備了替代電動車的潛力,但其遲遲無法大規模推廣,核心原因就在于成本。這里的成本主要有三方面,其一氫燃料電池汽車的整車成本;其二加氫站成本;其三則是制氫成本。

首先,氫燃料電池汽車目前的整車成本依然偏高,具有很大的下降空間。BOP系統是氫燃料電池汽車占比最高的成本要素,其中燃料電池堆又是BOP系統中占比最高的。因此BOP系統和燃料電池堆的價格直接決定了整車成本的高低。單從應用角度來看,氫燃料電池在汽車中的使用已經不成問題,但由于缺少規模優勢,使得相關技術的迭代速度很慢,這直接造成了BOP系統的價格難以下降。

例如氫氣在燃料電池堆的反應過程中需要用到催化劑,傳統催化劑需要用到很多貴金屬鉑(Pt),但實際上金屬鉑并非唯一的選擇,通過降低鉑的含量或者尋找替代品,依然能夠起到催化作用。

類似的技術改進幾乎可以出現在BOP系統各個分支之上,從成本角度考量,氫燃燒電池汽車距離“完美”依然有很大的距離。

其次,加氫站的短缺也是制約氫燃料電池車輛發展的重要原因之一。氫氣是氫燃料電池汽車的核心燃料,但氫卻并不能輕易得到,與到處都是的加油站對比,加氫站的數量可謂鳳毛麟角。即使目前,氫燃料電池汽車的單價已經降至很低,但如果周圍沒有加氫站提供燃料,那么也不會有消費者購買它。

加氫站到底有多么稀缺呢?截至2020年底,中國累計建成加氫站118座,其中101座已經正式投入運營,且有167座仍在建設中。剛剛過百的加氫站數量,意味著對于普通人來說,氫燃料電池汽車幾乎不具有應用性。

目前,我國建造一個加氫站的成本約1500萬元,這還沒有包括后續的運維費用。但好的一點是,國內的加氫站的核心產品幾乎都做到了自主研發。從成本端看,加氫站成本最高的是壓縮機,約占整個加氫站總成本的30%。

第三,氫氣的價格更是直接影響到終端的使用成本?,F階段,我國氫氣來源主要依靠煤炭、工業副產和天然氣。這些制氫方法雖然可以盡量的降低成本,但由于制氫過程中同樣涉及到碳的排放,因此并不是真正的“新能源”。

行業中將由“電解水”方式得到的氫氣稱為“綠氫”,它也被市場公認為氫能源的最佳答案。電解水制氫的原理就是在充滿電解液的電解槽中通入直流電,水分子在電極上發生電化學反應,分解成氫氣和氧氣。

目前,已經實現工業規?;碾娊馑夹g主要以堿性電解水為主,質子交換膜電解水與固體氧化物電解水尚處于發展階段。堿性電解水的優點是技術成熟,配套成本低,但缺點則是過于耗電,未來有可能被其他路線所取代。

由于電解水制氫中,需要用到大量的電,因此最終氫氣價格直接與電價高度相關。按照估算,如果電價能夠低于0.3元時,那么電解水制氫的成本就能夠跟其他制氫方法持平。

雖然氫燃料電池無法在短時間內取代動力電池,但其卻可以在部分場景實現對于鋰電池汽車的互補,進一步實現碳中和之路。

總結:隨著鋰電池原材料價格的上漲,汽車和電池企業面臨嚴峻的考驗,這迫使企業加大對電池技術研發的投入,企業需要通過創新探索新技術、新產品、新業態、新商業模式,這將對建立電池技術新體系起到積極推動作用。無論是固態電池、鈉離子電池、鋁離子電池還是氫燃料,在中國制造2025里面提出動力電池能量密度需要突破400Wh/kg,要達到這樣一個目標,對電池企業和研發機構都提出了新的挑戰。

[責任編輯:張倩]

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