動力電池技術順勢革新

文 / 本刊記者 趙子垚

發展潛力消耗殆盡，關鍵材料成本高企，多重沖擊令動力電池新型技術發展提上日程，但規模化應用還尚需時日。

新能源汽車正不斷打破傳統供應鏈邊界，以芯片、動力電池、軟件等為代表的新汽車組件重要程度愈發凸顯，這在引發汽車產業對相關技術與供給鏈條的更多戰略思考同時，也同樣對其提出更多挑戰。如今這種挑戰的難度正在升級，自2021年起持續的缺芯減產大潮尚未退去，電池金屬原材料的價格又愈漲愈烈，令電動汽車的成本更加失控。

據IHS Markit調研，2021年下半年全球鋰電池組均價上漲了約10%～20%。另據彭博新能源財經(Bloomberg NEF)數據，截至2021年底，全球鋰電池組均價已經來到132美元/千瓦時高位。與此同時，由于2021年全球電動汽車銷量同比增幅高達112%，規模超過了630萬輛，整體供少求多的局面令各級電池金屬原材料的漲勢更為迅猛。基準礦物情報(Benchmark Mineral Intelligence)報告稱，從2020年1月至2022年1月，電池級硫酸鎳、鈷、碳酸鋰價格分別上漲了55%、119%和569%。電極材料方面，三元電池多見的含鋰、鈷、鎳金屬正極材料成本已經占據電池材料整體成本的50%。

長期以來，將電動汽車電池成本降至100美元/千瓦時一直被看作是具有里程碑意義的階段發展目標。電池成本降到該數值以下，則意味著電動汽車包括生產成本在內都將會比燃油動力汽車更加劃算，而非如今僅能限定在用車成本方面的比較。“但現在來看，我們正離這一目標愈發遙遠。”基準礦物情報首席數據官卡斯帕·羅爾斯表示。在此局面下，動力電池利益各方在繼續著手緩解供應鏈問題外，對動力電池技術革新也逐漸提上日程，更多尚處于實驗室驗證、存在規模化可能性的電池方案被擺上臺前。

從結構升級

近期出現頻率最高的新型電池技術，當屬特斯拉發布的4680型無極耳電池。據稱，相比傳統鋰電池設計，4680型電池具有更好的充放電峰值功率，其單體帶電能力相當于當前主流的21700型電池5倍，并顯著解決了高能量密度電芯的散熱問題，續航能力則提高了16%。

雖然4680型電池依舊屬于圓柱鋰電池的范疇，但事實上其大電芯+全極耳+干電池的技術構成已對內部結構做出更多改變。而無極耳實則就是全極耳結構，4680型電池更大的接觸面積令電流通路增加更多，并隨著極耳間距的越短，實現了電池輸出功率的升級。在成本方面，由于尺寸變大優勢，4680型電池會降低殼體在單位電池容量上的占比，結構件和焊接數量也顯著減少，使得電池綜合成本得以降低14%。特斯拉還表示對這款電池的硅負極原材料進行重新設計，采取高彈性材料制成離子聚合物涂層，穩定硅表面結構，并使成本降低5%。

盡管工藝難度較大，但4680型電池已是現階段最有望率先落地的新型電池。此前已結束的特斯拉電話會議已計劃提前到2022Q1實現這款電池的量產，并開始著手電池產能布局，計劃在2022年底達到100GWh的規模。同時，特斯拉的主要電池供應商松下表示，從產品研發方面來看，技術目標基本都已實現，顯然已做好量產特斯拉4680型電池的準備。松下公司正在日本打造一條生產線并進行試產，待技術完備之后將邁向大規模量產環節。

對結構升級的另一亮點便是對電池包設計的改進。整車企業的動力電池方案多依托于專門的電動底盤平臺進行配套，例如大眾的MEB平臺和福特的奧特能平臺，設計方面多中規中矩，但如今對車型進行特定電池包設計的例子也已出現。

在2022國際消費類電子產品展（CES）上，奔馳旗下全新純電動概念車VISION EQXX正式亮相。奔馳為這款車型設計了一個專用的100千瓦時電池包，總重量約為495千克。其與全新EQS的電池包相比，尺寸縮小50%，重量減輕30%，百公里能耗不足10千瓦時，單次充電續航超過1000公里。

奔馳旗下全新純電動概念車VISION EQXX

最出人意料的是，EQXX這款電池包并未采用多見的液體冷卻（加溫）熱管理方案，而是使用被動風冷技術，結合電池包本身具有的小通風口，通過汽車電池周圍的氣流和電池底部的散熱板，來確保吸走電池包的溫度。奔馳方面認為，液冷熱管理方案的效果固然很好，但這也意味車上會有更多的液體、泵組和管道循環系統，而增加的重量又會損耗更多電池電量。EQXX采用的特定電池包結構設計和被動風冷電池技術，可以將電池中95%電能轉換為車輛的動能，從而實現更好的能效表現。

替代材料在哪里

改善電池電芯和極板材料配比同樣也是動力電池技術革新的一條主要路徑。以如今主流鋰電池類型之一的高鎳三元為例，目前，在以高鎳體系為共識的前提下，包括寧德時代、松下、LG新能源等國際動力電池主要供應商都在將低鈷及無鈷化電池作為下一代動力電池的研發方向。其中在低鈷化發展方面，四元鋰電池的研發進度要稍快一些。

相比NCM（鎳鈷錳）的正極三元材料搭配，四元電池正極材料引入第四種金屬元素來減少鈷元素的占比，以期實現成本更低、安全性能更好的探索。比如在高含量鎳的三元基礎上新增鋁元素，將電池正極材料變為NCMA（鎳鈷錳鋁），同時也將石墨負極新增一層硅碳層，形成了一種更為穩定的四元鋰離子電池結構。

目前，由LG新能源研發的四元鋰電池已進行少量生產，在其正極材料中，鎳的比例高達90%，鈷的比例則降至5%，使得電池成本顯著降低。同時正極材料中鋁的加入也抑制了鈷元素不穩定雜質生成，切實提升了電池循環壽命。但由于四元鋰電池技術還未完全成熟，以及量產工藝問題，致使這一低鈷發展路線尚不明朗。

在無鈷化發展方面，蜂巢能源的無鈷電池則已實現量產配套，初步進入商業化階段。據蜂巢能源消息，該電池無鈷材料性能可以達到NCM811同等水平，電池材料成本會下降5-15%，這樣電芯的整體綜合成本可以降低5%，而且原材料的供應更加穩定、有保障。無鈷化技術的關鍵在于電芯，通過摻雜未成對的電子自旋的特定元素，減弱電子超交換，減緩晶體在充放電過程的體積變化，最終提高循環壽命和安全性。

更多的電芯替代路線也正浮出水面。日內瓦大學晶體學實驗室正在投入對鈉離子電池的研究。從資源儲量豐度考慮，鈉相比目前為大多數設備和車輛提供動力的鋰，更具可持續意義。但難題在于鈉離子在傳統電池的液態電解質中無法輕易移動，使其效率低于鋰，研究過程中顯然還需完成對固體電解質的同步開發。巴塞羅那材料科學研究所也有類似的電芯替代研究計劃，該機構目前正在著手研制基于鈣元素的原型電池。但這項計劃也同樣遇到電解液難題，研究人員正在嘗試開發各種鹽和溶劑的模型來克服這一障礙。

憧憬的終極方案

由于鋰離子電池的開發潛力已近極限，以及在探索新型動力電池過程中遭遇了越來越多的電極材料不穩定、電解液傳導效率等硬性難題，讓固態電池成為令眾人憧憬的未來終極解決方案。

從技術潛力角度來看,全固態鋰電池能量密度提升更具理論可行性。首先，由于電壓平臺提升，固態電解質相比有機電解液普遍具有更寬的電化學窗口。其次，固態電解質具備阻隔鋰枝晶生長的特性。而這兩點均有利于進一步提升電池的能量密度。全固態鋰電池當前能量密度約為400Wh/Kg,而預估最大潛力值高達900Wh/Kg，提升空間超過100%。另一方面，固態電解質不可燃、無腐蝕、不揮發的特點，令固態鋰電池具有極高的安全性預期。這也意味著一旦全固態鋰電池解決了金屬鋰穩定性差等問題，或將爆發出強大的產品替代力。

固態電池的良好發展預期正吸引著更多汽車企業入局其中。日產汽車計劃在全固態電池領域投資1400億日元（約78.4億元人民幣），并計劃在2024財年在日本橫濱建造試點工廠，到2028財年推出搭載全固態電池（ASSB）的電動車型。日產汽車公司首席執行官內田誠認為，全固態電池將改變游戲規則。本田技研則通過與電池研發公司SES合作，著力于鋰金屬二次電池（在負極使用鋰金屬，可以預期比鋰離子電池具有更高的能量密度）的共同開發。在固態電池方面，本田技研已開始進行生產技術驗證。

但固態電池的規模化應用還尚需時日。中國科學院院士歐陽明高認為，從電池產業可持續發展角度看，2030年之前還是鋰離子電池（包括固液混合）處于絕對主導地位。第一代全固態電池產業化的時間點則可能在2030年左右出現。2035年之后，新一代固態電池，鉀、鎂、鈉、鋰-硫等各類電池才可能會大量進入市場。