這種新一代電池就是Gigafactory工廠將要大規(guī)模量產(chǎn)的20700電芯。據(jù)外媒披露,這種新型號電芯的能量密度將增加36%,組成模塊后的重量也會較現(xiàn)有產(chǎn)品降低30%以上,更為重要的是,由于減少了很多電芯包裝裝置的鋼和鋁等材料(能量密度的提高也主要是這個原因),電芯的制造成本將降低一半。使用新型20700電芯后,模塊也減少了一個層級,這樣,電池組的控制也得到了很大程度提高。
真鋰研究和中國電池網(wǎng)的數(shù)據(jù)顯示,2014年鋰離子電池電芯市場均價約1500元/kWh,折合成美元大約245美元/kWh,其中以車載電池為代表的動力電池電芯約300美元/kWh,以手機(jī)電池為代表的小型鋰離子電池電芯不到200美元/kWh。真鋰研究預(yù)計(jì)到2020年鋰離子電池的能量密度會普遍提升30%以上,同時電芯均價會普遍下降1/3以上,降到160美元/kWh以下,其中車載電池電芯的均價會降到200美元/以下。
2、提升電池組能量密度
如圖6所示,提升電池組能量密度主要有兩個辦法,一是在不降低安全系數(shù)的情況下,使用輕質(zhì)部材對電池組框架進(jìn)行輕量化處理,二是提升電芯的能量密度。日產(chǎn)2013年初推出的改款Leaf產(chǎn)品,主要變化是采取了輕量化鋰離子電池架構(gòu),改進(jìn)了動力總成布局,這使得Leaf EV的重量減輕了105kg(原來是1,545kg,現(xiàn)在減輕到1,440kg)。減輕重量的具體辦法是:①減輕電芯外殼重量(約減輕了20kg);②減少了用來固定電池模塊的螺釘?shù)臄?shù)量,并去掉了支架多余的壁厚;③減輕了電池模塊的外裝。后兩個辦法減輕了約85kg。這樣,Leaf電池組的能量密度就由之前的86Wh/kg提升到了92.9Wh/kg,車輛的續(xù)航里程也由之前的120km提升到了135km(指實(shí)際工況)。
根本辦法還是提升電芯的能量密度。這也同樣有兩種途徑,一是減輕電芯外包裝材料的重量,二是提升電池技術(shù)水平。上面已經(jīng)提到,AESC是直接將Leaf用電芯外殼做輕量化處理,而松下是將電芯做大成20700型號,使得同樣電量情況下使用的電芯數(shù)量更少,從而減輕電芯外殼總重量,以提升能量密度。把電芯做大目前是多數(shù)企業(yè)采取的辦法。這兩種辦法殊途同歸。同樣,提升電芯能量密度的根本辦法還是要靠提升電池技術(shù)水平,現(xiàn)階段這主要是要依靠正極材料技術(shù)水平的提高來實(shí)現(xiàn)。幾乎所有電池企業(yè)都把工作重心放在這上面。通過電池技術(shù)進(jìn)步提升能量密度的辦法主要有兩個:一是采用5V級正極材料提升電池的電壓,二是采用高容量正極材料提升電池的容量,二者結(jié)合當(dāng)然是最佳。
還是以日產(chǎn)Leaf為例,將于今年晚些時候推出的2016款Leaf EV將會有S、SL和SV三個子款,其中入門版的S款將維持24kWh電池組的配置,而SL和SV則會將電池組可存儲電量增加到30kWh,同時電池組體積不變。這樣,車輛的續(xù)航里程將提升25%,以美國EPA數(shù)據(jù)看,續(xù)航里程將由目前的135km提升到169km。即將采用的30kWh電池組就是采用了新的電池技術(shù),從相關(guān)資料來看,正極材料應(yīng)該是由之前的“LMO+NCA”組合變成了“LNMO+NCA”組合。這個LNMO(鎳錳酸鋰)就是5V級正極材料。電芯的能量密度也因此由157Wh/kg提升到了200Wh/kg左右。
正極材料高容量化的技術(shù)開發(fā),目前主要集中在兩種三元材料身上,分別是鎳鈷錳酸鋰(NCM)和鎳鈷鋁酸鋰(NCA),其中NCM的技術(shù)開發(fā)方向是高鎳化。目前動力電池用NCM材料主要使用的是NCM111、NCM532和NCM523這三種,三星SDI給寶馬等車企提供的電芯使用的是NCM622,有中國企業(yè)開發(fā)出了NCM701515,該技術(shù)下一步的發(fā)展就是NCM811,到了NCM811這個階段,NCM材料的容量就基本上和NCA一樣了。中國電池企業(yè)的動力電池技術(shù)開發(fā)目前大多集中在NCM方向;致力于NCA電池技術(shù)開發(fā)的還不多,真鋰研究目前僅知天津力神已經(jīng)開發(fā)出了NCA電池,NCA材料技術(shù)的開發(fā)企業(yè)主要有貝特瑞、天驕科技等。
還有一種電池技術(shù)值得高度關(guān)注,就是全固態(tài)鋰離子電池技術(shù)。使用固態(tài)電解質(zhì)的、能量密度可輕松達(dá)到300Wh/kg的全固態(tài)鋰離子電池技術(shù)開發(fā)也越來越清晰地看到了量產(chǎn)的曙光。豐田已經(jīng)試制出了2Ah的全固態(tài)鋰離子電池產(chǎn)品,裝配在其微型電動汽車上收集實(shí)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)。豐田計(jì)劃2020年之前將全固態(tài)鋰離子電池技術(shù)投入商業(yè)化應(yīng)用。通用汽車參與投資的美國Sakti3也已掌握了相關(guān)技術(shù),目前正在設(shè)計(jì)開發(fā)以最小的設(shè)備投資實(shí)現(xiàn)最大生產(chǎn)效率的全固態(tài)鋰離子電池生產(chǎn)線(以現(xiàn)有方式制造的話,生產(chǎn)效率會非常低下,從而導(dǎo)致成本會高得離譜,必須要開發(fā)一種全新的生產(chǎn)方式)。
從媒體的相關(guān)報(bào)道來看,Sakti3希望在2017年或2018年前后上市銷售其全固態(tài)鋰離子電池產(chǎn)品,至于其產(chǎn)品單位kWh價格,可能會比現(xiàn)有的鋰離子電池還要低。如果是這樣,那鋰離子電池技術(shù)就即將迎來一場革命。也有人認(rèn)為,現(xiàn)有的液態(tài)鋰離子電池從上世紀(jì)70年代開始相關(guān)理念和實(shí)證試驗(yàn)就在齊頭并進(jìn)推進(jìn),但真正開始商業(yè)化應(yīng)用是在90年代。全固態(tài)鋰離子電池大致是從2010年前后開始廣受關(guān)注的,相對應(yīng),其商業(yè)化應(yīng)用也可能得到2030年前后。但在我們看來,技術(shù)的發(fā)展自進(jìn)入21世紀(jì)以來一直呈現(xiàn)出加速度發(fā)展?fàn)顟B(tài),這從IT技術(shù)的巨大進(jìn)步就可見一斑。只要制造固態(tài)電池所需材料的資源不是如白金(燃料電池催化劑的核心用材)般那么稀缺和昂貴,其他都不是問題。
綜合來看,鋰離子電池及其相關(guān)材料產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入到了技術(shù)制勝的發(fā)展階段。技術(shù)制勝的根本在于新材料技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。
3、模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化
IT技術(shù)的飛躍發(fā)展得益于電腦的快速普及,而對于電腦快速普及起至關(guān)重要作用的就是電腦部件和各種接口的標(biāo)準(zhǔn)化,因此,假如有一天電動汽車及車載電池也能實(shí)現(xiàn)模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化,不難想象,這肯定會推動電動汽車制造成本快速下降,從而使電動汽車迅速普及。從汽車制造來看,跨國車企們于20世紀(jì)90年代興起的平臺化戰(zhàn)略極大降低了汽車的制造成本,為汽車快速普及做出了巨大貢獻(xiàn)。目前,汽車平臺化戰(zhàn)略已經(jīng)發(fā)展到了平臺精益化和模塊化階段。相對應(yīng),電動汽車的制造也要求在精益化的基礎(chǔ)上對平臺構(gòu)建進(jìn)行模塊化構(gòu)建。簡而言之,就是在平臺內(nèi)盡可能實(shí)現(xiàn)更多的模塊共享。模塊化平臺將有效減少汽車部件的生產(chǎn)成本與固定投資,縮短工程時間,并支持更多車型。顯然,全新的模塊化平臺,將進(jìn)一步降低電動汽車研發(fā)周期和制造成本。
與模塊化發(fā)展戰(zhàn)略緊密配套的是標(biāo)準(zhǔn)化工作的推進(jìn)。以大眾集團(tuán)2012年推出的MQB模塊化平臺為例,該平臺是MQB發(fā)展的第三階段。第一階段的MQB只能在同等級車型中應(yīng)用,第二階段則可以跨等級地在中型車和小型車上同時應(yīng)用,現(xiàn)在這個MQB模塊化平臺則進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了車輛的標(biāo)準(zhǔn)化和定制化。
MQB模塊化平臺從最初開發(fā)就把變化作為設(shè)計(jì)的前提,盡可能減少零部件種類。采用MQB同一模塊平臺的車型,能夠共享相同規(guī)格的發(fā)動機(jī)、變速器及空調(diào)等總成,零部件通用化比例可達(dá)60%;另一個特征是能夠適應(yīng)未來動力傳動系統(tǒng)的多樣化。車身的設(shè)計(jì)考慮了支持多種動力傳動系統(tǒng),使同一車身構(gòu)造可以搭載多種動力傳動系統(tǒng)(渦輪增壓汽油機(jī)、高壓共軌柴油增壓發(fā)動機(jī)、天然氣發(fā)動機(jī)、乙醇燃料發(fā)動機(jī)、雙燃料發(fā)動機(jī)、插電混動系統(tǒng)、純電動系統(tǒng)等都支持);此外,MQB模塊化平臺還導(dǎo)入了眾多輕量化技術(shù)和電子新技術(shù),引入了發(fā)動機(jī)模塊化概念和電池模塊化概念。