2月中下旬,一则新闻让新能源车行业炸开了锅——特斯拉正与宁德时代共同研发『无钴电池』,或将用于国产Model 3车型。它直接造成几家有涉钴业务的上市公司直接跌停,但是对于消费者而言,可能不太理解这个消息背后的深刻意义。
那么,『无钴电池』到底是什么呢?它真的很重要吗?
这里简单科普一下,纯电车使用的动力电池,根据正极材料的不同分为几大类,目前市场最主流的两条技术线路就是『三元锂电池』和『磷酸铁锂电池』。这两种电池的隔膜、电解液以及负极材料基本都相同,唯一不同的是正极材料。
从广义上来看,电池的正极材料中含有钴元素的电池,都可称作『有钴电池』,正极材料中不含钴元素的电池,都可称作『无钴电池』。
从狭义认知来看,『三元锂』指的是包含镍(Ni)、钴(Co)、锰(Mn)或铝(Al)三种金属元素的聚合物,其中“NCM”、“NCA”中的C就代表钴元素,所以它们都属于『有钴电池』;而磷酸铁锂电池的正极是橄榄石结构的LiFePO4材料,所以我们通常会认为『无钴电池』就是磷酸铁锂。
再进一步说,为什么特斯拉突然要改用『无钴电池』呢?
其实,这些年来特斯拉一直都在致力于降低钴的使用量。2009年,在Roadster上,特斯拉用的是钴酸锂电池。2012年,在Model S上,钴的使用量是11千克/辆车。2018年,在Model 3上,钴的使用量为4.5千克/辆车。到如今。2020年,特斯拉打算使无钴电池。而钴的使用量逐步递减,最终目的还是因为『成本』。
我们都知道,电动车的核心部件是三电系统。三电系统中,以电池的成本最高,可占到整车成本的35%-40%;在三元锂电池中,又以钴材料的成本最高,可占整个电池包成本的30%-40%。而在磷酸铁锂电池中,正极材料只占电池成本约13%-15%。
在前一段世界召开的电动车百人会上,中国科学院院士欧阳明高提到,现阶段新能源车的动力电池的成本在0.6~1.0元/Wh之间,其中下限是相对更便宜的磷酸铁锂电池,上限是成本更高的三元锂电池。换装无钴电池,特斯拉又可以继续降本放量。
使用『无钴电池』,除了价格的下降,还包括价格与供应的稳定。因为钴通常是铜或镍开采的副产品,它容易受到这些金属的需求和价格波动的影响。
除此之外,很容易被人忽略的一点是:特斯拉与宁德时代采用新的电池技术,其实也是在摆脱核心供应商的桎梏。在此之前,我们都知道特斯拉与松下建立起了非常紧密的合作关系,但是在Model 3产能爬坡时,松下的电池供应速度被马斯克多次吐槽,传出不少“绯闻”。换句话说,当最关键的核心供应商只有一家的时候,对特斯拉的生产制造而言,是冒着极大的风险的。
增加供应商、开拓新的技术线路,将鸡蛋放在不同的篮子里,这在商业竞争中才是一个更加聪明的方案。就在笔者的落笔之时,又有新的消息传出特斯拉准备自产电池,这也佐证了这一点推测。
有趣的是,当外界纷纷猜测,特斯拉将与宁德时代共同研发新一代磷酸铁锂电池时,『特斯拉上海超级工厂』在抖音回复网友称:“请留意四月特斯拉的电池发布会,无钴,不代表一定是磷酸铁锂”,随后该条评论被官方删除。这让我们对两者合作的产生了更多的好奇。
但无论是使用不含钴的磷酸铁锂电池的路线,还是采用NCM811高镍电池向NCMA(镍钴锰铝)四元电池进阶、并在过程中逐渐以经过处理的其他包覆元素来代替钴的路线。这都是一件好事,因为:
于特斯拉而言,与国内动力电池巨头宁德时代合作,既可进一步降低成本,还可以提升效率,同时增加了电池供应渠道,还可以保证上海工厂不受电池瓶颈限制,可谓一石多鸟。
于新能源汽车市场而言,特斯拉与宁德时代的合作,或将进一步降低国产特斯拉的制造成本,进而将国产特斯拉售价空间继续下探,进一步激活国内25万级别的电动车市场。
无独有偶,在特斯拉公布前1个月,比亚迪也同时宣布推出新的“无钴电池”——超级磷酸铁锂电池,官方又称之为『刀片电池』。
所谓刀片电池,是指“长电芯方案”(主要指方形铝壳),一种通过增大电芯的长度(扁长化设计),以阵列的方式排布在一起,像“刀片”一样插入到电池包里面,从而改进电池包集成效率的技术。它不是指某一个特定尺寸的电芯,而是可以基于不同需求制作成不同尺寸的电芯,大致原理如下:
通过刀片电池的方式,比亚迪的磷酸铁锂电池的能量密度可达到180Wh/kg,相比此前提升大约9%,而体积能量密度可以提升50%,同时,通过更改内部机构等技术,单位成本可以降低30%。据比亚迪官方介绍,新的刀片电池寿命可达百万公里以上。
比亚迪官宣「汉」将是全球首款搭载「刀片电池」的车型,有望于今年6月上市。
刀片电池特殊的地方不仅是全新的电池排布结构,还有一个重点是,它是一款磷酸铁锂电池。这在三元锂电池方案蔚然成风的行情下,也是一个逆势而行的决断。
比亚迪选择它,也是看中了它的几个优点。
首先,磷酸铁锂晶体中的P-O键稳固,难以分解,即便遇到高温或过充,也不会像钴电池一样、结构崩塌发热或是形成强氧化性物质,因此磷酸铁锂电池天生就具有更好的热稳定性,即使碰撞破裂也不容易发生自燃。
热稳定性更差的三元锂频发自燃
其次,磷酸铁锂还拥有更好的耐用性,完全充放电循环次数大于3500次后电量才会衰减到原有的80%。再来,因为它没有贵重金属(镍钴金属元素),所以在生产成本上较低,且生产环节更加环保。
以上优点都是三元锂电池不具备的。
我们看看销量。2019年,我国动力电池产销量分别累计为85.4GWh和75.6GWh,其中,三元电池产量累计55.1GWh,占总产量64.6%,累计销售53.0GWh,占总销量70.0%。磷酸铁锂电池产量累计27.7GWh,占总产量32.4%,累计销售20.6GWh,占总销量比27.2%。
从这个比例来看,三元锂电池的市场表现显然比磷酸铁锂更加强势,造成这个现象的原因,主要还是铁电池仍有不少缺点没被解决。
一是低温性能差。磷酸铁锂电池温度使用下限值-20℃,且低温环境下放电性能差,在0℃ 时的容量保持率约60~70%,-10℃时为40~55%,-20℃时为20~40%。与此相对,三元锂电池低温温度使用下限值-30℃,低温放电性能好,和磷酸铁锂电池相同低温条件下,冬季时里程衰减不到15%。所以,相较于三元锂电池组,磷酸铁锂更加依赖于电动车的用车环境和电池温控系统。
二是能量密度低。受制于化学特性,磷酸铁锂电池的电压平台低,普通磷酸铁锂电池的能量密度大概在140Wh/kg左右。哪怕是比亚迪的超级磷酸铁锂电池,能量密度也就只能达到180Wh/kg,距离三元锂电池动辄200Wh/kg以上能量密度,还是有差距。
还有一个大家比较容易忽略的点——补贴因素。之前的三元锂电池因为能量密度更大,能够拿到的补贴更多,大家自然走更加轻松的路,但是2019年的补贴全面下跌之后,两者的差距越来越小,这也是磷酸铁锂电池又重回人们的视野的重要原因之一。
低温性能和政策原因,大家比较容易理解,我们这里重点说说铁电池的能量密度问题。这一点正是宁德时代和比亚迪攻坚的重点:比亚迪交出的是『刀片电池』结构,而宁德时代交出的就是『CTP技术』。
比亚迪刀片电池的特点
从比亚迪披露的专利来看,刀片电池是把电芯长度拉长,厚度做薄,做成430mm甚至2500mm的超长电芯,其电芯是两端出极耳。和传统方形电池相比,呈现“扁平”和“长条”形状,并且直接省去了电池模组这个环节。
在电池包总体积一致的情况下,现有的电池PACK结构,多出了各模组的侧板、端板、紧固件、横梁、纵梁等组件;而采用了新结构的比亚迪电池包,除去电池管理系统、配电箱等组件,包内空间利用率大概在62%左右。受到不同的电芯布局方式影响,包内空间利用率分别为55%到65%,如有需求甚至可以达到80%。
由于零部件的减少,带来重量的减少,因此单位质量能量密度也能够提高,整车续航里程也能提高。采用新结构的电池PACK,带电量约增加20%-30%,续航里程也能提升20%-30%。
宁德时代CTP的特点
相比比亚迪的刀片电池,宁德时代在技术上并没有那么激进,它还是保留了模组概念,只不过模组的数量减少了,或者说每一个模组都变大了。
根据宁德时代的专利,一个大模组里面被若干个塑料材质的散热板分割成一个个小的空间,方壳电芯就像电脑硬盘一样,可以插进这些小空间。
每个电芯的侧面还贴有导热硅胶垫片,且电芯宽度方向的散热板留有散热通道,可以直接于外部的冷却管路连接。
根据宁德时代的数据显示,这样做能够减少约40%的零部件,这些零部件来自模组之间的连接线束、侧板、底板等。此外,在电池体积不变的情况下,采用CTP技术的电池Pack包内体积利用率也提升了15%-20%。
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宁德时代的CTP技术,比亚迪的刀片电池技术,都大幅提升了磷酸铁锂电池的能量密度,当这一块短板被补齐,后补贴时代,我们或许很快就能看到铁电池的回归。
其实,无论特斯拉和宁德时代最终决定使用什么技术线路,它和比亚迪的选择,都会对现有的三元锂电池市场造成极大的冲击。届时,车型的成本减低,消费者也能用更少的钱买到同样出色的产品了。