展望2015 | 逐项点评纷繁复杂的动力电池技术

老张

编者:羊年伊始,万象待新。第一电动网将刊出系列展望文章,表达对新能源汽车行业政策、产业、技术等方面的期待和预测。本文为第四篇。

第一篇:展望2015 | 新能源汽车应有五大政策调整

第二篇:展望2015 | 中国新能源汽车将现四大趋势

第三篇:展望2015 | 国际新能源汽车产业希望中前行

新能源汽车是近年来汽车行业发展的主要方向之一。据统计,2014年全年新能源汽车销量已突破7万辆。车载动力电池是电动汽车的主要部件,其成本约占总成本的30%-50%,甚至更高。因此,动力电池无疑是现阶段影响新能源汽车发展的最关键因素之一。

动力电池

动力电池是现阶段影响新能源汽车发展的最关键因素之一

目前市场上主流技术仍以铅酸电池技术、镍氢电池技术、锂电池技术、燃料电池技术为主,偶尔会有液流电池、金属空气电池的相关报道,但是这些技术多停留在实验室阶段,各自的技术瓶颈短期内很难突破。

在动力电池市场当中,锂电池技术是最火热的。从正极材料上,可以分成磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂、三元材料等等。各自的优缺点,相关报道很多,在此不再赘述。

从性能提升上看,现有产业化的钴酸锂、改性锰酸锂和磷酸铁锂在基础研究方面有技术突破可能性微乎其微,其能量密度和各种主要技术指标已经接近其应用极限。而三元材料在性能上仍有空间,有机构也预测,未来三元材料的市场份额也会逐年提高。随着市场份额的不断提升,未来的三元材料性能有望超过钴酸锂,但是短期内实现大的突破,仍有困难。就如同美国能源部肯塔基州国家实验室电池制造配套研究与发展中心主任Tony Hancock在2012年所说的:“锂电池的解决方案至少需要十年,甚至可能二十年。”

新技术给锂电池带来新的希望。在此不得不提的是石墨烯技术和锂硫电池技术。

提到石墨烯技术,2014年最受关注的无疑是西班牙 Graphenano 公司同西班牙科尔瓦多大学合作研发新型石墨烯电池。石墨烯电池的出现,无疑意味着石墨烯在电池应用领域迈出了坚实的一步。但是这种电池真正的性能,还要在拿到样品之后才能得到验证。尤其是在长循环后,电池性能的稳定性,是否还能维持原来的水平,电池的安全性能如何,更需要较长的时间去验证。除此外,笔者认为,石墨烯自身的产业问题,生产和应用上的工艺问题,安全性问题尚待解决。

锂硫电池技术由上世纪90年代提出,目前在美国、欧盟、日本、韩国等能源技术较发达的国家和地区对该技术广泛看好。长远看,该技术有非常好的商业化前景。但是实现起来,仍有很多困难。德国和日本企业把能量密度达到500Wh/kg的锂硫电池的商业化目标定在2020年,该技术的难度可见一斑。

2014年还有一些其他的新技术被披露。比如具有3D网格电极结构的锂电池,可以实现100C以上的快速充放电,能量密度也是传统电池的5倍以上。这些通过理论估算或在实验室已经试验成功的“超级锂电池”,无疑是2014、2015年最好的作品。但是动力市场需要的是一致性好、性能稳定、安全性高、易于复制的产品。从作品到产品仍需有一定的路要走。

锂电池的价格方面,从2011年至2014年,持续下行。尤其是2014年,降幅超过10%,笔者认为主要是以下原因。

首先,从2011年到2014年的数据上看(如下图所示),锂电池的产能和产量都在增加。这意味着锂电池的生产规模在逐渐增加。扩大生产规模,是降低成本的先决条件。

展望2015 | 动力电池技术逐项点评

第二,假设我们引入生产饱和度的概念,即产量占产能的百分比(如下图所示),会发现生产饱和度逐年上升。尤其是在2014年,生产饱和度从28%一跃超过了60%,大大降低了设备闲置带来的成本,使得锂电价格降低。

展望2015 | 动力电池技术逐项点评

2015年的市场预测,随电动车市场的扩大,动力锂电池的产能、产量、生产饱和度都会进一步的提升,因此动力锂电池仍会有10~15%的惯性降幅。高端动力锂电池产品的份额也会扩大。价格大战一旦触发,许多中小动力电池企业将有可能出局,比如当前号称磷酸铁锂的价格可以做到2000RMB/KWh,这个价格还有多少利润在,企业如果真的这个价格出货能坚持多久,全凭企业实力了。从正极材料的种类上看,磷酸铁锂在2014年比前年增长了150%,2015年仍会保持良好的发展势头,三元材料产量也会呈现上升趋势。

铅酸电池技术到现在有150年之久。500~600RMB/kWh度电成本,80%的二次电池市场占有率,足以让任何电池技术汗颜。面对这样一个廉价、成熟、易于回收的电池技术,可能除了被冠以“污染”的帽子以外,再也找不出他的弱点。因此,对于铅酸电池来说,最重要的,是如何正确认识“污染”的问题。铅酸电池在使用过程中是安全的。在生产过程和回收过程中造成的环境污染也是可控的。在性能上,许多先进的铅酸电池技术做了很多的尝试,如卷绕式铅酸电池、双极式铅酸电池、铅炭电池等等。由于铅酸电池技术非常成熟,因此稍作优化,都有可能提升其性能。因此,铅酸电池也是2015年最有前景的技术之一。

提到镍氢电池,不得不提到丰田公司的PRIUS。累计销售量600万辆以上,其成功毋庸置疑。PRIUS使用镍氢电池的混动技术,已经证明镍氢电池已经可以满足混动需求。镍氢电池的原材料镍钴金属较为稀有,价格较高,因此镍氢电池的高成本是从“基因”里带来的。有人曾研究,镍氢电池的产量与镍钴合金的价格呈现正相关的影响。这意味着,生产越多,可能原材料成本越贵。从应用上,镍氢电池用量从2006年呈逐年下降趋势,原在家用电器、电话、玩具上的市场份额,也逐渐被锂电池所蚕食。性能上,更大放电倍率的电容型镍氢电池被开发出来,但是笔者认为,除非有特殊需求时,否则这种电容型电池的实用性并不高。不但不能降低镍氢电池的成本,还大幅增加了充放电设备、电缆等辅助设施的成本,同时也增加了安全隐患。2015年,纯电动市场并没有留给镍氢电池太多机会,固守混动市场,提高产品一致性才是最必要的。

最后,笔者谈谈燃料电池技术。2014年底,丰田公司宣布Mirai的量产。与特斯拉不同,Mirai的量产,让车企不得不把目光重新投向燃料电池。这都源自于丰田在业内的号召力。顺便提一句,在Mirai上,燃料电池与镍氢电池的“电电混合”,也再次证明点镍氢电池适合混合动力的特性。

Mirai上市,是不是燃料电池进入商业化阶段的标志?笔者认为,下次结论为时尚早。燃料电池是“古老”的电池技术,比铅酸电池还早20年。发展如此缓慢,可见该技术问题之多,难度之大。丰田的燃料电池技术,并没有摆脱对贵金属催化剂的依赖;700个大气压的氢气储罐压力,也会让驾驶者心里打鼓,更关键的是诸如制氢、储氢等氢气产业链的问题,也没有解决。所以Mirai的上市,为燃料电池提供了一个“公测平台”。同时,也是“投石问路”。如果Mirai获得较好的销量,那么会有更多的机会拿到更多的政府补贴和优惠政策,也会有更多的企业投身其中,以达到促进燃料电池技术加速发展的目的。所以在2015年,是燃料电池的“公测年”,此时谈性能和成本,意义不大。

在2015年,虽然动力电池的本体有大幅提升的可能性不大,但是仍有许多功课可以做。比如电池成组技术、热管理技术、电池管理技术、电电混动技术等,都是提高电动车整车性能的关键技术。比如特斯拉Model S上使用的镍钴铝三元材料作为正极材料的锂电池,使得其电池成本比Roadster降低了30%。这种电池有较高的比容量,和较低成本,但是缺点是安全性能相对较差。特斯拉通过先进的电池管理技术,使得电池在使用中的安全性完全满足市场需求。

欧阳明高先生说:“2014年是电动车进入家庭元年。”那么,随着电动车进入家庭,2015年成为了动力电池“练兵”的元年。精彩拭目以待。

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电池行业从业人员。长期从事“非主流”电池技术的开发工作。对电池界的新技术,新思路,很感兴趣。希望能和大家多多交流。


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