作为智能汽车的能量载体,电池的未来到底在哪里?

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文/张一

作为2020年汽车行业无法跳过的一个关键话题,电池在今年云集了太多的关注目光。作为智能汽车的能量载体,目前聚焦于电池身上的问题主要体现在三点:安全性、容量保持能力,以及在满足前两者的基础上实现高能量密度。

相比起安全性和容量保持能力,电池能量密度的进步其实是比较明显的,以相对主流的三元锂离子电池为例,三元锂离子电池两条技术路线中以宁德时代为代表的NCM电池,目前已经从NCM523、622、进化到了NCM811。

NCM是指三元锂电池正极材料中的镍钴锰三种元素,其中提升电芯能量密度关键是是增加镍所占的比例,NCM811电池中这三种元素所占比例即是80%:10%:10%。

区别于国内主流的NCM,另一条NCA技术路线主要是日韩电池厂在做,目前已经从18650电池进化到21700电池。NCA电池使用对象几乎只有特斯拉,其电池正极材料由镍钴铝构成,三种材料通常的配比为80%:15%:5%。

相对NCM811,NCA单体电池能量密度更高一些,比如松下和特斯拉联合推出的NCA21700,电池单体能量密度已经接近340Wh/kg。

锂离子电池的“矛盾瓶颈”

但问题在于不管是NCM还是NCA,三元锂电池中只要镍含量占比增加,电池的容量保持能力与热稳定性都会出现下滑,而80%的配比的镍元素占比已经相当高了。

可以说,高镍电池让三元锂电池的能量密度达到了一个新的高度,但与此同时,三元锂电池的能量密度也正面临着一个新的瓶颈。因为一个矛盾点就在于,想要锂离子能量密度高,稳定性就会越差,天不遂人愿。

作为智能汽车的能量载体,电池肩负重任,安全性、容量保持能力、高能量密度缺一不可,一味的追求电池高能量密度当然不可取,但不可否认的是确实是对高能量密度的追求在引导着我们向前走。

道理很简单,在充电等基础设施没有完备之前,解决电动车里程焦虑这个最大痛点的唯一办法,就是不断增加续航里程,而这从根本上只能靠高能量密度的电池来实现。

但是继续提高能量密度和保持稳定性等其他指标之间似乎成了一个鱼和熊掌的关系,下一步该如何走呢?

目前在满足安全性,容量保持能力的前提下,继续提高高能量密度,锂离子电池也有一个解决方案—“掺硅补锂”,这是由宁德时代和智己汽车共同研发的一条技术路线。

传统锂离子电池以石墨负极作为负极材料,而使用硅碳和SiOX(一种硅的氧化物)作为负极材料会大大提高电池整体的能量密度,比如宁德时代NCM811电池,但SiOX作为负极存在一个问题,就是首次放电效率仅有70%,经过多次改进也仅为80%,还没有全部发挥效用。

而所谓的“掺硅补锂”主要是在硅碳负极表面预涂一层锂金属,灌注电解液后与负极发生反应可以嵌入负极颗粒内部,弥补首次充放电或者循环过程中消耗的锂离子,而预埋锂后负极首次放电效率可达85.34%,重要的是循环稳定性也有改善。

据智已汽车称,采用“掺硅补锂”技术的电芯,能量密度会较现在行业领先水平高出30%-40%,未来在智己汽车自己的架构宽带内甚至可以推出约1000km续航车型,而电池20万公里零衰减。

不过“掺硅补锂”工艺由于对制造环境的要求非常高,目前还只在研发阶段,量产还需待以时日。

且从另一个角度看,“掺硅补锂”其实也只是对锂离子电池的一个打补丁式的改进,虽然会有一定效果,但本质上并没有革命性的变化。

电池的未来在哪里?

作为智能汽车的能量载体,电池的未来在哪里?如果我们把视线从三元锂电池身上暂时挪开,跳过”掺硅补锂电芯”的技术路线,可变的思路就广阔的多了。

比如固态电池,在这一领域丰田亲自下场,而大众、宝马、福特和现代等一线车企亦有投资。

我们简单一点介绍,从目前可知的理论上,固态电池几乎完美解决了锂离子电池在安全性、容量保持能力,以及高能量密度上无法继续突破的痛点,还且还顺带附送了体积小重量轻、充电效率更快的优点。

例如大众投资的QuantumScape,其单体电池能量密度是现在最高能量密度锂离子电池的4倍,可在15分钟内充满80%的电量,而丰田的固态电池可以使用30年以上,并且还能够保持90%以上的性能。

另外相比锂离子电池,固态锂电池最重要的还是不需要使用隔膜和电解液,其固态的电解质柔性更强,不仅从封装的角度上有更多的延展性,而且还可以针对单一电芯做安全冗余设计,而这些都是锂离子电池所不具备的条件。

总之,虽然目前固态电池还在实验室阶段,但可以预见的未来,固态电池将有很大机会成为接替锂离子电池的下一个智能汽车能量载体。

而除了固态电池,还有一种动力源也值得我们关注,那就是氢燃料电池。相比起后起之秀固态电池,氢燃料电池其实很早就出现在我们的视野中,比如丰田mirai,一款很早就在北美开卖的氢燃料电池车型。

而氢燃料电池有点像一个发电站,它并不需要介质来储存电能,它是通过自带的氢气和氧气进行化学反应可发电的,当然它也会有一个蓄电池,其补能方式就是加氢,一次加氢仅需数分钟。

▲红框部分即是氢燃料电池车型的氢气罐

氢燃料电池车型在行驶时氢气通过管道进入堆栈发生化学反应产生电能,而电能通过转换器根据电力控制单元的输出到电动机以驱动车辆行驶。

主要是加速时电能要供给到驱动系统,而减速时能量回收则会把电能储存在蓄电池中,整个系统比较复杂,但氢燃料动力驱动可以说是最环保的一种形式,因为氢气和氧气结合并不产生任何污染物。

目前限制氢燃料电池大规模应用的主要还是在成本、适配性、安全等方面。比如氢气罐的安全性,还有和充电站不同,一座加氢站不仅建造要求更复杂,成本通常也在百万美金以上。

而以氢燃料电池的特性,未来很有可能也会先在商用车上得到规模化应用,在乘用车上目前看还只是一个未来不太主流的技术路线。当然,除了氢燃料还有一些其他更不太主流的动力能路线,比如石墨烯电池以及未来可能会成为辅助动力的超级电容等,这里就不一一展开了。

但总而言之,说了这么多总结成一段话,其实从“油”到“电”不仅是内燃机转向电动机,不仅是汽车动力系统迈入了新世界,电的加入,会让更多的变化体现在,也正逐渐体现在向新四化进军的汽车之上,这是一个翻天覆地处处是新篇的巨大变革,而我们就正处于变革开始之际。

从长远一点的角度看,作为智能汽车的一部分,电池肩负重任,高阶自动驾驶、智能化等概念的加持,体现在驾驶、座舱以及其他领域的无限拓展和丰富性,其实本质上都离不开电池这个需要提供能量的载体。而这个过程中,电池带给我们的挑战必然会越来越多,但有了“电”的赋能,未来智能汽车带给我们的精彩,也必然是无限可期。

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