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动力电池全面爆发时刻，谁将引领下一次产业革新？

时间:2022-06-10 10:48来源:经纬创投 作者:综合报道
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       最近几年，随着电动车普及率大幅提高，动力电池迎来全面爆发时刻。电动车中最重要的零部件非动力电池莫属，宁德时代、比亚迪、容百科技等多家上市公司大涨，一级市场也频现巨额融资，甚至最上游的锂、钴、镍等金属原材料也因需求大而暴涨。
 
       经历了多年技术革新，动力电池经历了多条技术路线混战，最终磷酸铁锂和三元胜出，过度依赖政府补贴的电池公司都难再生存，也推动整个行业步入了新的阶段。
 
       但动力电池没有摩尔定律，不会像半导体那样飞速迭代。动力电池的技术基础是电化学，元素周期表在100多年前就已经基本定下，它需要通过排列组合不同的化学元素，以及解决一个又一个工程学问题，来渐进式升级迭代。
 
       这种迭代主要分为材料升级和结构革新，其中正极是决定动力电池能量密度的核心。目前的技术格局中，正极材料成熟且优化空间较小，短期突破点聚焦在负极材料上，而对固态电池颠覆式创新的期望，正推动很多冒险者激流勇进。
 
       在材料升级上，正极已形成磷酸铁锂和三元材料并行的局面，离理论极限还有空间，这个局面中短期不会改变；负极处于突破期，正在从石墨向硅基演进。
 
       在结构革新上，则是对电芯、模组、封装方式等改进和精简，以提升电池的系统性能，例如比亚迪的刀片电池、宁德时代的CTP和特斯拉的4680等等。
 
       其他技术路线：例如钠离子电池、氢燃料电池等等，各自有优劣势，可能会覆盖适合的应用场景。
 
       固态电池的可能性：固态电池相比于液态电池，在能量密度和安全性方面都更好，但这项技术并不容易突破，量产时间越推越久，还有待观察。
 
       我们在此刻，想结合历史梳理与对未来的展望，来全面分析动力电池。如今动力电池产业链已经形成了专业化程度高、分工明确的产业链，锂、钴、镍矿等等在上游，隔膜、电解液、正负极等等厂商在中间（比如做正极的容百科技），汇聚到下游的电池厂（比如宁德时代、比亚迪），以及配套服务商例如电池回收（比如西恩科技）等等。
 
       动力电池是一个长坡厚雪的大赛道。今天，我们这篇文章主要分析动力电池的两大技术迭代路径——正负极的材料升级与结构创新。

1
 
第一种升级——用更合适的材料
 
       正极材料混战，最终还是坚定技术路线的人胜出
 
       在2019年诺贝尔化学奖的颁奖台上，来自美国、英国和日本的三位科学家获得了这一年的化学奖，以表彰他们对“开发锂离子电池”的贡献。
 
       其中斯坦利·威廷汉在70年代首次采用金属锂作为负极材料，制作出了首个锂电池。而约翰·B·古迪纳夫更是被称为锂电池之父，他使锂电池体积更小、容积更大、使用方式更稳定，也是钴酸锂、磷酸铁锂正极材料的发明人，他们令电动汽车进入新能源时代。
 
       如今，动力电池正极呈现了磷酸铁锂与三元材料并行的局面。如果看演进史，你会发现电池的技术升级周期比较长。这是因为电池属于电化学行业相对稳定，更多是渐进式创新。
 
       这就意味着，这个行业的推动力并不是依靠有人突然间合成了原来没有的东西，而是通过对不同元素间的排列组合，或是加入一些辅助手段，来发现更好的性能。
       比如三元锂电池的正极材料，主要是镍钴锰酸锂，以镍盐、钴盐、锰盐为原料，其中镍钴锰的比例根据需要调整。我们常听到的“8系”NCM811，NCM就是镍钴锰的化学元素符号，811是指镍、钴、锰的配比按照8：1：1。
 
       三元材料的技术演进，就是从3系到5系（5:2:3）再到6系（6:2:2）、8系（8:1:1），直至现在的9系高镍。这个演进的本质就是镍的比例不断提升、钴的比例不断下降、能量密度不断提高的过程。
 
       我们在投资容百科技时，行业主流正处于3系和5系，一些厂商在布局6系，那时容百押注技术变革，想直接跨越到8系，因为8系是相对终极的解决方案。容百的创始人白厚善是行业老兵，并且有足够大的视野与格局。
       容百还在很早就押注了动力电池的高镍化，高镍化是近几年里出现的新趋势。高镍也就意味着去钴，最早之所以要加钴，是为了防止电池自燃、爆炸。在动力电池没有普及之前，钴是够用的，主要用在手机等消费电子电池里。但一辆新能源车，动力电池的用钴量，相当于上千台手机，导致对钴的需求激增。
 
       但钴的产量严重不足，钴在地球上的总储量不是很大，且主要集中在非洲刚果等地。如今钴已经成为限制动力电池成本下降的重要原因。马斯克就曾表示，钴的比例必须下降，不然电动车的成本永远降不下来。
 
       在车企和电池厂商的推动下，2020年成为了高镍元年，宁德时代高镍电池开始起量，而容百作为正极材料供应商，绑定了宁德成为该领域绝对龙头。随着高镍技术越来越成熟，2021年高镍在宁德时代的总装机量中，占比提升至30%。
 
       高镍在工程上并不容易做到。像NCM811等高镍三元正极材料，其工艺流程对于窑炉设备、匣钵、反应气氛等均有特殊要求，且往往涉及二次甚至更多次的烧结，成本较高。比如所需的氢氧化锂原料，要在氧气氛围烧结，还要去离子水洗涤。但常规三元正极材料则只需要碳酸锂原料，空气氛围烧结，也无需去离子水洗涤。
 
       另一方面，与三元材料的优缺点互换，几乎就是另一条技术路线——磷酸铁锂。如今磷酸铁锂和三元并驾齐驱，成为当下动力电池的另一大帝国。
       磷酸铁锂电池的优缺点十分明显，优点包括安全性高、高温性能好、使用寿命长、原材料成本低等。
 
       磷酸铁锂的橄榄石结构，非常稳定。本身磷酸根就能构成一个三维结构，锂脱出去之后，它自身还能保持结构的稳定性，不会坍塌。但很多三元材料，在锂脱出去之后，自身的结构稳定性会受到一定程度的破坏。所以磷酸铁锂的循环寿命很长，在2000次以上，而三元一般在1000次。
 
       磷酸铁锂正极材料的分解温度，高达700℃，非常安全；且其原材料不含金属钴，这就让成本低于三元近20%。
 
       与优点相对，磷酸铁锂的两大缺点也十分明显，首先是能量密度天花板低，理论能量密度在190Wh/kg，远低于三元的350Wh/kg。
 
       并且在低温下的性能衰减很大，那些一到冬天电量就疯狂掉的电动车，多数用的都是磷酸铁锂电池。一块容量为3500mAh的电池，如果在-10℃的环境中工作，经过不到100次的充放电循环，电量将急剧衰减至500mAh，因此铁锂电池不适合北方的冬天。
 
       不过当铁锂电池连在一起，成组效率高达85%以上，如今Pack后的能量密度在130-140wh/kg。而三元虽然单体能量密度在200-250为主，但成组效率低一些，只有75-80%左右，Pack后的能量密度普遍在140-160wh/kg，高镍三元在180wh/kg左右。
 
       但相比于成本优势，磷酸铁锂涨价了才60-70元/公斤，三元几乎贵了三倍，要在180-190元/公斤，是它的3倍了，这些能量密度的损失在某些场景下也可以接受。
       2017-2018年，当国家补贴高能量密度材料时，三元是很有优势的。但自补贴退坡以后，磷酸铁锂的价格优势就完全体现了出来。从2021年开始，磷酸铁锂的装机量一直在增加，从几年前的只剩20%左右，增长到今天的一半一半，与三元分庭抗礼。
 
       如果从整个动力电池产业链来看，当下还有很多不够成熟的地方。从理论上讲，一个成熟行业会是下游最赚钱，就可能是整车的利润率大于电池，大于材料，大于矿。但现在的实际情况是，由于整车发展速度很快，但上游矿的投资周期很长，一时间供给跟不上需求，现在锂矿、镍矿价格飙升，反而挤压了下游，在一定程度上影响了正极材料的技术路线选择。
负极突破有限已成拖累，从石墨到硅基？
 
       随着正极材料的磷酸铁锂与三元已经逐渐优化到极致，人们把目光投向负极。
 
       目前，我们广泛使用的负极材料是石墨，但石墨的理论能量密度是372mAh/g，现在已经优化到了350-360mAh/g，急需用新的材料来突破。
 
       负极材料的工作原理是在电池中起到储锂的作用，锂离子在充放电过程中嵌入与脱出负极，充电时正极锂被氧化为锂离子，通过隔膜到达负极，锂离子嵌入负极中；放电时锂离子脱出负极，在正极被还原为锂。
 
       下一步，我们想用的材料是硅。硅的理论容量高达4200mAh/g，是石墨的十倍多。但硅有一个问题，就是在电池的充放电循环过程中，随着锂离子的嵌入和脱出，硅的体积膨胀率非常大，纯硅高达300%，这会引起电解液的消耗，进而导致电池使用寿命的急剧下滑。
       石墨之所以好用，就是因为它的体积膨胀率比较低，只有10%-13%左右。目前，产业界想到的折中方案是，用5%-20%的硅来形成石墨+硅的复合负极材料，在可以接受的体积膨胀率之下，尽可能去提升容量。
 
       不过，目前硅碳负极出货量还不高，一方面一些技术难题还没有被攻克，比如说石墨本来可以循环3000次，但加了硅就减半到1500次，同时硅碳的成本也居高不下。
       人们对正负极材料曾经做过很多探索，其中最典型的非钛酸锂莫属。2021年格力电器成为格力钛新能源（原珠海银隆）的控股股东，而这家2008年成立的公司，就致力于探索钛酸锂技术路线。
 
       钛酸锂是优劣势都非常明显的材料。优势是倍率性能、循环性能特别好，电池的循环寿命几乎是无限的，非常适合公交车等营运时间长，需要考虑循环寿命和成本的应用场景。
 
       但钛酸锂的电压平台太高了，导致能量密度太低。这些问题决定了钛酸锂很难大规模商用，只能在一些特殊的场合，比如-40度的超低温，需要特别高的功率。在政府补贴时代，钛酸锂红极一时，但当补贴退坡后，还是很难自负盈亏。
 
       一项技术从实验室走向大规模商用并不容易，经常会出现技术路线斗争，无论是磷酸铁锂和三元，还是石墨、硅、钛酸锂等等，但从结果来看，最终格局不一定是一边倒的局面，而是各自找到了最适合的细分赛道。
 
2
 
第二种升级——不一样的电池结构
 
       当人们不断尝试新材料的同时，电池结构也是升级的另一大重点。
 
       如何改进底盘电池包的设计？如何提升空间利用率？如何降低零件数量、降低电池包成本？都是提高动力电池综合表现的重要手段。
 
       在材料上，比如从3系减少了钴，加了更多镍，材料的变化导致理论容量产生了变化，从300mAh/g变到了500mAh/g，但这只是理论容量，在生产成最终安装在车上的电池包时，需要各种结构设计，其中又会造成一些损耗，实际做完可能会从500降到400，这就变成了一个工程问题。
 
       各家纷纷亮出了自己的“武器”，比亚迪研究出了“刀片电池”、宁德时代拿出了CTP/CTC技术、特斯拉祭出了4680……当然本质上，封装路线其实只有三种：圆柱、方形与软包。
 
       比亚迪和宁德时代都走的方形封装路线，特斯拉的4680则属于圆柱型。圆柱型是最为成熟的技术路径，从消费电子开始，采用钢铝把圆柱的电池包装起来，一直是生活中最常见的电池。这种工艺成熟，良品率很高，但BMS复杂，使用门槛较高。而方形电池采用钢铝外壳，成组效率最高；软包则是能量密度最高，但经历了一系列安全事故和价格高昂，曾经遭遇挫折，但在2020年后随着欧洲市场的放量渗透率大幅回升。

特斯拉的4680电池要面对什么难题？
 
       2020年9月，马斯克在特斯拉电池日上发布了第三代4680电芯。之所以叫“4680”，是因为它的直径为46mm，高度为80mm。
 
       4680的亮点是，相比于上一代2170，能量提升了5倍、续航里程提升16%、功率提升6倍、在电池组层面每千瓦时成本降低14%。
 
       这意味着更少电芯数量，更高成组率。比如同样用于75kWh的电动车里，需要4400个2170的电芯，若换为4680电芯仅需要950个；同时，更少的电芯数量降低了组装时间，提升成组效率，带来了成本优势。
特斯拉4680电池
 
       不过大家明知道电池尺寸大的好处，却不敢往大了做，是因为需要解决很多非常难的挑战。
 
       第一，显而易见的是当电池尺寸越大，发热就越多，散热也越难，从而影响充电速度和循环使用寿命。
 
       这一次，特斯拉试图通过全极耳技术，来搞定这个问题。极耳，是指从电芯中将正负极引出来的金属导电体，是电池充放电时的接触点。极耳间距越短，电池输出功率越高。
 
       传统电池只有两个极耳，分别连接正极与负极，而4680电池实现了全极耳，直接从正极/负极上剪出极耳，大大缩短了极耳间距，进而大幅提升了电池功率（6倍于2170电池）。而且电子更容易在电池内部移动，电流倍率提高，因此充放电速度更快。
 
       第二，电池容量提升还会带来电芯一致性的问题。电池组由一个一个电芯单体组成，它遵循的是“木桶原理”，即电池组的容量、寿命取决于容量最低、寿命最短的那根电芯。如果每个电芯的容量区别很大，会导致电池组整体的容量损失。
 
       而内阻的不一致性，也会导致单个电芯的发热量不同，相同的电流，大内阻电芯的发热量更大，因此劣化速度更快，折损整个电池组的寿命。
       第三，是生产工艺问题。全极耳电池生产起来并不容易，通俗理解就是如何把极耳折在一起的工艺。目前有揉压极耳、切跌极耳、多极耳三种。揉压极耳时，极耳形态不受控，容易短路，制造时两段封闭，电解液渗入阻碍大。而如果切跌极耳，斜切成片卷起，比无规则挤压好一些，占空间较小，但表面起伏度较大。多极耳很难折叠整齐，极耳位置误差在外圈易被放大。特斯拉目前用的是切跌极耳路线。
 
       全极耳也对焊接技术提出了更高要求。在传统双极耳中，与集流盘或壳体连接时，只需要点焊即可，但4680的全极耳要求面焊，激光强度和焦距都不容易控制，容易焊穿烧到电芯内部或者没有焊到。所以以往2170电池只需要脉冲激光器点焊，但4680要求激光点阵焊接，需要连续激光器，在生产上也需要全面提升。
       所以4680的量产还面临难度。一般来说，90%的良品率是实现量产的要求，但在初期，4680的良品率只有20%，在经过不断的技术改良后，才提高至70%-80%。
 
       另一方面，特斯拉还为4680准备了CTC技术——电池既是能源设备，也是结构本身。
 
       CTC（Cell to Chassis）直接将电池集成在电动车底盘上，取消了原来的电池盖板，电池上表面的零件，通过一种兼顾结构胶+耐火阻燃胶的新型多功能胶，直接与车身结构连接，集成了座椅固定及车身横梁的功能，同时承担电池密封，增加了空间利用率。
 
       综合来说，4680是一款有潜力成为行业标准品的电池，它的材料体系应用激进，采取了超高镍低钴正极+硅碳负极的方案，叠加CTC提升布置效率，节省了370个零部件，为车身减重10%，将每千瓦时的电池成本降低7%，增加14%的续航，彰显了特斯拉的野心。
 
比亚迪“刀片电池”与宁德时代CTP技术如何？
 
       比亚迪刀片电池与宁德时代CTP电池，都是一种基于方形铝壳的叠片电池。
 
        CTP（Cell to Pack）技术，可称为无模组设计，其灵感是直接将多个电芯布置于箱体，而无需先把多个电芯组装成模组。这使得零部件数量大幅减少，底盘空间利用率也提高了很多，进一步降低了制造成本。
 
        比亚迪的“刀片电池”在无模组设计上更加彻底，一刀片一电池，单块刀片电池是由多个并联的电芯组组成，两个相邻的极芯组之间设置有隔板，将电芯的空间分隔成若干个容纳腔，形成类似的蜂巢结构，空间利用率极高。
比亚迪刀片电池阵列
 
       当然，刀片电池也有其局限性。这种设计适用铁锂体系，三元比较难。原因是三元高镍正极存在气体膨胀，硅碳负极存在固体膨胀问题，而刀片电池导电路径长，阻抗大不利于散热，磷酸铁锂的失控温度高，产气量少，整体更加安全，但用不了三元导致能量密度天花板较低。
 
       所以比亚迪主要走性价比路线，在便宜的同时令其最终产品的能量密度，不比三元电池包差太多。2021年比亚迪旗下电动车切换刀片电池，出货量在快速提升。
 
       宁德时代的CTP电池，与比亚迪刀片电池类似，不同点在于其仍保留了部分模组，但是通过减少模组的使用，增加电芯数量或体积，提升集成效率。
 
       这种不那么激进的策略，令宁德时代CTP电池可以应用铁锂或三元，例如特斯拉的铁锂电池就是采用宁德时代CTP技术，成组能量密度达150-160wh/kg，成本方面低于三元电池15%左右。此外三元电池中CTP也逐步切换，北汽、大众等很多车企，采取了高镍三元811大模组方案。
 
       CTP的技术难点，在于怎么把它们整合在一起，怎么保持电池的一致性。在生产过程中，每家电池厂的CTP技术也不完全一样，各自有各自的专利布局，模仿难度很高。
       在继2019年提出CTP后，2020年宁德时代公布了电池结构的开发路线图，除了第二代、第三代CTP电池系统以外，与特斯拉类似，还提出了从电芯直接跨越到底盘的集成化CTC电池系统，计划在2025年左右推出。
 
       从以上的技术细节中，我们不难看出动力电池的提升，是一种工程化的步步为营。无论是4680从多功能胶的使用、激光点阵焊接、全极耳的切跌、新型硅碳负极的应用，再到刀片电池富有创意的排布、CTP向CTC电池越来越集成化，每个环节都缺一不可，是现代工程学的结晶。
 
       动力电池更强调步步为营，把每一步技术做扎实；这个行业也不喜欢投机者，过度依赖政策补贴是行不通的。
 
       所以这个行业最终还是需要企业家，要有对技术路径的嗅觉、要有解决一个又一个工程细节的执着，以及穿越产业周期的格局，才能在隘口突围。
 
(责任编辑：子蕊)
文章标签： 动力电池
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