无论是固态电池、钠离子电池、铝离子电池还是氢燃料,在中国制造2025里面提出动力电池能量密度需要突破400Wh/kg,要达到这样一个目标,对电池企业和研发机构都提出了新的挑战。

固态电池

新能源汽车销量旺盛的背后,上游锂电池的供给却不太乐观,宁德时代、蔚来的创始人都曾透露,新能源汽车行业正在面临“电池荒”的问题。2021年,在28种锂电材料价中26种价格上涨,无一下跌。其中,最大年涨幅达426.42%!动力电池的供不应求导致原材料价格的疯狂上涨,而这种供不应求很有可能会延续到2025年。在这样的背景下,相关企业开始抢占锂资源,扩充产能,同时寻找新一代电池技术和“新能源”。

也因此,诸如钠离子电池、固态电池、铝电池等新的动力电池技术,以及氢能为代表的燃料电池,在最近一段时间成为比较热门的话题,那么这些能不能代替锂电池成为电动汽车的装载方案呢?

首先是钠离子电池,此前宁德时代曾发布了一款钠离子电池,并获得业内外人士一致好评。虽然从储能角度来看,钠离子电池相比锂离子电池,还有一定差距。但钠离子电池,也有锂离子电池所不具备的优点。

钠离子电池拥有更强的环境适应力,即便是零下20度也能稳定工作,借助该产品帮助,电动车在高纬度地区将快速普及。不仅如此,钠离子电池充电速度还更快。在充电站数量不断增多的背景下,钠离子电池快速充电的优点,有望掩盖续航里程短的缺陷。

而钠离子电池最大优势在于钠比锂更加便宜、且资源更丰富,钠电池的BOM成本也比锂电池低20%,是比磷酸铁锂电池成本更低的电池。这让电池生产商可以大幅降低电池生产成本,从而带动电动汽车价格下降。

值得一提的是,虽然钠离子电池进入市场时间并不长,但事实上,钠离子电池早在上世纪80年代就出现在了科学家实验室当中。过去三、四十年,科学家关于钠离子电池的研究一直都没有停止过。从技术储备以及技术成熟度来看,钠离子电池是唯一有可能取代锂离子电池地位的产品。事实上,之前钠离子电池已经替代锂离子电池,成为固定设施应急电源的主力军。而全球范围内有意用钠离子电池取代锂离子电池的厂商,并不是只有宁德时代。美国、日本多家研究机构都在研究相关命题。

钠电池之所以还未获得与锂电池同等的市场地位,主要原因还是在于能量密度还不够高。目前,市场上钠电池的电芯能量密度普遍在100-150Wh/kg,低于磷酸铁锂电池的180Wh/kg。相信随着钠电池材料等技术的创新突破,钠电池或将重磅回归,除了钠离子电池,固态电池也是也是很有可能替代锂电池的动力电池技术。固态电池,具有高能量密度、高导电率、安全性高等优势,被誉为汽车锂电池的终极形态。甚至有专家放出豪言:“全固态电池普及之日,就是燃油车退出历史舞台之时。”

固态电池,就是使用固体材料作为锂离子来回移动的电解质。在目前常用的汽车电池中,基本采用电解液作为电解质,某种程度上可以将其称为液态锂电池。液态锂电池可能因短路、高温而发生起火,锂离子在反复沉积和析出过程中,金属锂负极表面容易生长出锂枝晶,并发生粉化,大大降低了电池的利用率,从而缩短电池使用寿命。

枝晶在电解液内生长,有时候会穿透隔膜,就会引发漏液,接着就会引发电路短路,最后电池高温自燃。平时经常在新闻中看到电动汽车自燃事故,其中大部分都是因为枝晶疯涨,从而引起电解液漏液。固态电池电芯内不含电解液,也不需要电解质盐与隔膜,彻底杜绝了漏液引发的自燃问题。

此外,固态电池没有液体,也就不需要复杂的封装系统,也不需要BMS温控组件。汽车动力电池,并不是像四驱车那样将柱状电池直接塞到电池盒内,需要用一层层包装将这些柱状电池、方形电池包起来,然后组成电池包,最后再将其安放在汽车底盘上。这一层层包装,其实就是复杂的封装与温控系统,保障汽车安全。

固态电池技术出现后,封装系统可以更加简单,电芯占电池包的比重也更高。如此一来,电池包整体能量密度也会得到相应提升。综合来看,固态电池有望突破500Wh/kg瓶颈,将电动汽车续航里程提高到1000公里以上。

电池尺寸小、安全性强、续航里程长,固态电池简直就是完美的锂电池技术,可是,理论数据再好也没用,固体电池技术研发难度太大。

去年1月,蔚来高调发布固态电池包,声称将在蔚来ET7轿车上使用;去年4月,宝马发布固态电池规划,计划在2025年前推出固态电池原型车,2030年前量产。除此之外,汽车动力电池“御三家”宁德时代、LG化学、松下也纷纷开展固态电池研发计划,一个属于固态电池的时代似乎即将来临。

不久前,全球首款铝电池问世,这也让我们看到除钠离子电池和固态电池以外的另一种可能。铝离子电池EaI不仅性能比锂电池更强劲,还在续航、安全、循环次数等方面全面超越锂离子电池。铝离子电池EaI的能量密度为1500Wh/L,或能提供600Wh/kg能量。作为对比,即便是当下最先进的三元电池所能提供的能量不过200Wh/kg。而一组15KW的铝离子电池,能为电动汽车提供1200公里的续航,支持20000次循环充放电,在汽车上的寿命长达15年。

此外,铝离子电池没有使用钴、镍等贵金属,也没有枝晶困扰,热失控等,并且充电速度短得惊人。从技术上来看,铝离子电池的前景的确非常广阔。而从价格来看亦是如此,受电池荒影响,应用于三元锂、磷酸铁锂电池的金属锂、钴等价格持续上涨。

随着锂、钴价格的上涨,市场急需寻找更具有性价比的材料。如今看来,铝就是一个很好的替代者。无论是从参数,还是发展前景,铝离子电池的确比锂离子电池更优秀。倘若铝离子固态电池真的能实现商业化,那么它将极大推动电动汽车的快速发展。不过,从产业链布局、资本投资以及技术等多方面来看,铝离子电池想要替代锂电的方案比较难。

除了以上几种动力电池技术,以氢能源为主的燃料电池则是真正意义上的无污染能源,也是未来替代动力电池的最好方案。而氢燃料电池汽车将在北京冬奥会重点推广。北汽福田汽车近日交付的212台氢燃料客车是为冬奥会北京延庆赛区提供的。目前共交付了近500辆氢燃料客车,用来为张家口赛区和北京延庆赛区提供服务。

此外,冬奥会和冬残奥会举办期间,丰田将首次在中国投入大规模使用的FCEV“第二代MIRAI”、“柯斯达氢擎”,以及多款BEV、HEV车型。

从环保角度出发,无疑电动车和氢能汽车都是符合要求的。但如今锂电池成本持续攀升,政府补贴又逐渐退坡,电动车性价比大幅下降,那么氢能源汽车是否具备替代电动车的机会了呢?

在探讨氢能源对动力电池的替代之前,首先要搞懂什么是氢能源汽车。从字面意思不难理解,氢能源汽车就是以氢气作为主要动力来源的汽车。但实际上,氢能源汽车存在氢燃料电池和氢内燃机两大分支路线,他们之间有着本质上的区别。

氢燃料电池系统虽然有“燃料”二字,但实际上却并不通过燃烧来进行能源转换,而是氢气在燃料电池堆中发生化学反应,将化学能转化为电能,然后再通过电动机转化为动能的过程。这套动力系统看似复杂,但却拥有干净环保,能量转化率高的优势。

与电动车类似,氢燃料电池的最大的改变就是这套燃料电池堆及辅助系统(简称BOP),同时也是成本占比最高的部分,约占整车总成本的60%以上,其中电堆又占到BOP系统成本的60%。

由于氢燃料电池能量转化率高,同时安全系数也很高,因此被市场看做是具备爆发潜力的赛道,也是被看做是电动车最有力的竞争者。

从装机量来看,中国燃料电池系统仅处于发展初期,尚未进入红利释放期。2019年全国燃料电池装机量126.4MW,而疫情下的2020年,这一数据同比下降36%至80.4MW,显示出极强的波动性。

尽管氢燃料电池汽车已经具备了替代电动车的潜力,但其迟迟无法大规模推广,核心原因就在于成本。这里的成本主要有三方面,其一氢燃料电池汽车的整车成本;其二加氢站成本;其三则是制氢成本。

首先,氢燃料电池汽车目前的整车成本依然偏高,具有很大的下降空间。BOP系统是氢燃料电池汽车占比最高的成本要素,其中燃料电池堆又是BOP系统中占比最高的。因此BOP系统和燃料电池堆的价格直接决定了整车成本的高低。单从应用角度来看,氢燃料电池在汽车中的使用已经不成问题,但由于缺少规模优势,使得相关技术的迭代速度很慢,这直接造成了BOP系统的价格难以下降。

例如氢气在燃料电池堆的反应过程中需要用到催化剂,传统催化剂需要用到很多贵金属铂(Pt),但实际上金属铂并非唯一的选择,通过降低铂的含量或者寻找替代品,依然能够起到催化作用。

类似的技术改进几乎可以出现在BOP系统各个分支之上,从成本角度考量,氢燃烧电池汽车距离“完美”依然有很大的距离。

其次,加氢站的短缺也是制约氢燃料电池车辆发展的重要原因之一。氢气是氢燃料电池汽车的核心燃料,但氢却并不能轻易得到,与到处都是的加油站对比,加氢站的数量可谓凤毛麟角。即使目前,氢燃料电池汽车的单价已经降至很低,但如果周围没有加氢站提供燃料,那么也不会有消费者购买它。

加氢站到底有多么稀缺呢?截至2020年底,中国累计建成加氢站118座,其中101座已经正式投入运营,且有167座仍在建设中。刚刚过百的加氢站数量,意味着对于普通人来说,氢燃料电池汽车几乎不具有应用性。

目前,我国建造一个加氢站的成本约1500万元,这还没有包括后续的运维费用。但好的一点是,国内的加氢站的核心产品几乎都做到了自主研发。从成本端看,加氢站成本最高的是压缩机,约占整个加氢站总成本的30%。

第三,氢气的价格更是直接影响到终端的使用成本。现阶段,我国氢气来源主要依靠煤炭、工业副产和天然气。这些制氢方法虽然可以尽量的降低成本,但由于制氢过程中同样涉及到碳的排放,因此并不是真正的“新能源”。

行业中将由“电解水”方式得到的氢气称为“绿氢”,它也被市场公认为氢能源的最佳答案。电解水制氢的原理就是在充满电解液的电解槽中通入直流电,水分子在电极上发生电化学反应,分解成氢气和氧气。

目前,已经实现工业规模化的电解水技术主要以碱性电解水为主,质子交换膜电解水与固体氧化物电解水尚处于发展阶段。碱性电解水的优点是技术成熟,配套成本低,但缺点则是过于耗电,未来有可能被其他路线所取代。

由于电解水制氢中,需要用到大量的电,因此最终氢气价格直接与电价高度相关。按照估算,如果电价能够低于0.3元时,那么电解水制氢的成本就能够跟其他制氢方法持平。

虽然氢燃料电池无法在短时间内取代动力电池,但其却可以在部分场景实现对于锂电池汽车的互补,进一步实现碳中和之路。

总结:随着锂电池原材料价格的上涨,汽车和电池企业面临严峻的考验,这迫使企业加大对电池技术研发的投入,企业需要通过创新探索新技术、新产品、新业态、新商业模式,这将对建立电池技术新体系起到积极推动作用。无论是固态电池、钠离子电池、铝离子电池还是氢燃料,在中国制造2025里面提出动力电池能量密度需要突破400Wh/kg,要达到这样一个目标,对电池企业和研发机构都提出了新的挑战。

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